石俊杰 吴正平 冯小进 吴迪云

【摘要】介绍了基于STM32的氧含量检测仪的设计思路与实现过程。以STM32RCT6为控制核心，采用双氧化锆氧气传感器O2S-FR[1]实现氧含量的测量，设计了热电偶的测温补偿电路以及氧化锆传感器的信号处理电路。详细阐述了该系统构成系统的软硬件设计。氧含量数据可通过LCD显示或通过串口上传给上位计算机。

【关键词】STM32;嵌入式;氧化锆氧传感器

在工业、农业、医学和环境等领域具有广泛的应用，含氧量的分析对于生产过程有着重要的意义[2]。以往的微控制器实现测量，需要耗费大量的时间和精力设计外围电路，其系统设计的软硬件较为复杂、开发难度大、成本高，不利于安装和生产[3]。相比基于FPGA的氧化锆分析仪，以STM32为核心，利用片内的可编程数字阵列和高精度模拟资源，将外围控制电路单元集成在单片上，能大大提高项目开发的效率、灵活性和可靠性[4]。本设计采用ST公司的STM32作为控制核心，使用英国SST公司的动态高精度氧化锆氧气传感器作为检测元件，具有结构简单、响应快、量程广、运行可靠、校准时不需要参比气体等优点。

1.氧含量检测仪的系统结构

本检测仪的系统结构如图1所示，它由上位机通过串口通信与以STM32为核心的测量模块相连。测量部分由恒流源、LCD显示、氧化锆氧气传感器、测量电路等部分组成，STM32核心部分负责被测信号的采集、运算、存储、结果显示、通信管理等工作。

图1 氧含量检测仪系统框图

1.1 氧化锆氧气传感器测氧原理

在650℃高温以上，稳定的氧化锆（ZrO2）能够部分电解产生移动的氧离子，氧化锆电极上通以恒定的直流源，电极的阳极就会释放大量游离的氧离子。根据法拉第电解第一定律，氧离子与被传送的电荷呈正比，即电化学泵吸：

（1）

式中：N为被传送氧气的摩尔数;i为恒流;t为时间;z为氧离子的化合价;F是法拉第常数（F=96485C/mol）。而当氧化锆两端有氧气压差，就会产生能斯托电压。氧压比与能斯托电压满足能斯托方程[5]：

（2）

其中：kB是波尔兹曼常数（kB=1.38×10-23J/K）;T为氧化锆元件工作温度（℃）;e0是元电荷（e0=1.602×10-19C）;Ci是氧化锆两端气体离子浓度（mol/kg）。O2S-FR型传感器利用上述原理制成，其传感元件由两个氧化锆方片组成，方片上涂有铂电极，铂电极起催化剂的作用，氧化锆方片通过铂电极隔开，形成了一个密封的传感室，如图3所示。其中一个氧化锆方片连接到可逆恒流源起电化学泵吸作用，铂电极Pump端和Common端之间通以可逆恒流源，根据恒流源的方向，氧离子通过该方片从一个电极移动到另一个电极，这就改变了传感室内的压力P2，另外一个方片随着压力P2的改变产生能斯托电压，一个完整的泵周期就是抽空传感器室再将其充满所需要的时间，根据能斯托电压的变化测量泵周期，而泵周期与氧气浓度呈比例关系。

图2 氧化锆传感器传

图3 传感元件内部结构

1.2 片内测量电路和信号处理电路

由式（2）可知：

（3）

常温下空气中的氧含量一般为20.77%，取C2为1%，由式（3）可知：

含量为1%时：

（4）

当传感器工作在750℃时，传感器的灵敏度非常高，温度每变化1℃，能斯托电压的变化量为0.261mV。由于传感器检测的信号就是毫伏级的能斯托电压，所以氧气探头内部加热丝的供电电压要比较稳定，以降低测量误差。本系统选用L5973D作为加热丝的供电芯片，该芯片的输出阻抗小，带负载能力强，输出精度高，抗干扰能力较强，能够提供稳定的供电电压。O2S-FR型传感器是一个5端传感器如图3所示，端口分别为Pump、Common、Sense、GND和加热端。L5973D的输出引脚则直接和加热端相连，提供稳定的加热电压。而测量时，需要Pump端和Common端之间通以40μA可逆的恒定电流（如图2所示），这个过程，然后测量Sense端和Common端不断地对传感器室进行增压和减压，并重复的能斯托电压V-sense作为传感信号。

2.氧含量检测仪的软件设计

STM32平台上的软件设计是在Keil集成开发环境中硬件平台基础上实现的，主要由主程序、传感器信号检测和处理程序、中断服务程序、串口通信程序和LCD12864屏显示程序组成，经过一系列的编译、链接最后生成十六进制文件，下载到芯片中[7]。在整个测量程序开始工作前，先进行显示屏的初始化并显示等待界面，然后进行各个元件的初始化，待传感器加热到一定温度后才能启动各个元器件同时开启泵电流进行测量。根据设计流程调用元器件的子程序，计算氧含量。如果氧含量达到报警值，则发出报警信号，并停止泵电流，以免泵电流频繁换向损坏传感器。最后将氧含量的值在LCD显示屏上显示出来。在各个元件启动的同时，允许定时器全局中断。测量时，当传感信号的幅值达到预定值时，即完成一次抽空传感器室的时候，就要改变恒流源的方向使传感器室增压。由于能斯托电压具有较强的温度依赖性，故测量泵周期时要考虑氧化锆方片在通以恒流源时空间电荷层的影响，要尽可能地消除温度依赖性。故在测量时选取预定的能斯托电压值作为恒流源翻转的参考值，为了减少泵电流转向点的空间电荷层的影响，选择的预定参考值要远离翻转点的能斯托电压值。图4是用数字示波器测得的经过放大后的能斯托电压波形图，能斯托电压从V1上升到V5时，40μA电流从Pump端流向Common端，电化学泵开始抽空传感器室。相反，能斯托电压从V5下降到V1的过程中电流反向，传感器室开始增压，能斯托电压开始下降，V1和V5就是电化学泵电流翻转时的能斯托电压值。设计中采用传感器厂商推荐的能斯托电压值，V1到V5的推荐值分别为40mV、45mV、64mV、85mV和90mV。任意选取一段完整的波形，将能斯托电压从V2上升到V3，从V3上升到V4的时间分别记为T1、T2，从V4下降到V3以及从V3下降到V2的时间分别记为T4、T5。本设计采用两个通用定时器Timer1和Timer2，对T1、T2、T5和T4进行定时计数，由于计数值有一定的波动，在此采用限幅平均滤波算法消除计数值对测量结果产生的不稳定因素，即将每次采到的数据先进行限幅处理，再送入队列进行平均滤波处理。利用处理后的时间值就可以计算出改进周期td=（T1-T2）+（T5-T4），再结合换算关系推算出传感器所处环境下的氧分压。氧分压和改进周期的关系如下：

其中：O2为氧分压;Td（Ave）为校准环境中的平均td;O2（Per）为校准环境中的氧分压。

为保证仪器的长时间运行，设计中加入了看门狗防止程序跑飞，如果检测到的氧含量达到报警值，在内部设计的报警电路能够马上发出报警信号，提醒操作者采取相应的措施。

图4 传感端的能斯托电压

图5 氧含量检测仪

3.结语

基于嵌入式系统级芯片STM32的氧含量检测仪与普通的微控制器设计的氧含量检测仪相比，其丰富的片上资源使得外围扩展器件少，降低了故障率。不仅节约了成本，缩短了开发周期，还大大扩宽了产品的升级空间。并对系统进行了标定，氧含量修正方程具有良好的线性。经过长时间的运作，该仪器能够正确显示如图5所示，输出的信号也正常。相信以嵌入式系统级芯片STM32为控制核心的控制方案一定能以其良好的灵活性和可扩展性被广泛应用该于农业蔬菜大棚、烟道氧含量分析等领域[6]。

参考文献

[1]刘怡忱，梁质林.氧化锆传感器工作特性研究[J].沈阳建筑工程学院学报，1991.

[2]姚素薇，郭萌.氧传感器的研究与应用[J].传感器世界，2004，10（3）：12-15.

[3]Robert J Phelan，Jr and A R Cook.Electrically calibrated pyro-electric op tical-radiation detector[J].Appl Opt，1973，12（10）：2494-2500.

[4]瑚琦，庄松林，顾玲娟等.基于单片机控制的ECPR光功率数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2006（2）：40-42.

[5]童詩白.模拟电路基础[M].北京：高等教育出版社（4版），1988.

[6]杨邦昌，简家文，段建华等.氧传感器原理与进展[J].传感器世界，2002，8（9）：1-8.

作者简介：石俊杰（1987—），男，湖北黄石人，硕士，主要研究方向：微弱信号检测技术。