赵 全，郝 龙，徐 光，胡家伟，郑雪玲，，张 成

（1.北京航天试验技术研究所，北京 100074；2.北京航天凯恩新材料有限公司，北京 100074）

0 引 言

众所周知，有毒有害化学品作为重要的工业原料，如氨气、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、二氧化氮、氯气等，大部分属于易燃、易爆、剧毒物品，在贮存、运输、转注和处理过程中，必须十分小心以防止发生着火或爆炸事故。一旦发生液体泄漏就会产生大量的有毒有害气体，若不加以监测处置，极易造成爆炸风险，对人身健康、社会财产安全带来重大损失，同时对周边生态环境造成严重的破坏[1-5]。因此，对有毒有害化学品进行泄漏监测处置势在必行。

目前，国内有毒有害化学品生产现场等场合多选用国外进口产品，比如法国奥德姆公司生产的MX2100 便携式气体检测仪、美国霍尼韦尔公司生产的便携式气体检测仪等[6-7]，但该类产品依赖进口，存在售后不便等一系列的问题，严重影响客户使用体验。

近年来，国内部分公司敏锐察觉到了该类产品的潜在市场，纷纷借鉴国外进口产品进行设计，生产了多款有毒有害气体检测仪，但其核心气体传感器仍依赖进口产品，检测仪存在响应时间长、检测误差大、寿命短、检测气体单一等问题[8]。

因此，本文基于STM32 及电化学气体传感器，设计一种便携式有毒有害气体检测仪，用于有毒有害化学品的泄漏检测。所设计检测仪具有体积小、功耗低、使用便捷等优点，可以根据待检测介质不同更换不同的电化学气体传感器，实现不同的有毒有害气体浓度检测。

1 总体方案设计

便携式有毒有害气体检测仪的量程为50×10-6，检测误差为±10%F.S，响应时间T90不超过3 min，一次充电工作时长不小于8 h。

便携式有毒有害气体检测仪由电源模块、电化学气体传感器、信号调理电路、微控制器、FLASH 存储模块、USB 通信模块、RTC 时钟模块、温度传感器、采样泵、OLED 显示模块、声光报警模块及按键交互模块等组成，整体结构如图1 所示。电化学气体传感器感测检测仪所在区域的气体浓度[9-10]；微控制器利用内置ADC 模块采集电池电量、气体浓度信号；使用配套的7.2 V 锂电池充电器通过充电口给内置锂电池充电；温度传感器采集环境温度，RTC 时钟模块为采集的浓度值提供时间戳；按键交互模块用于采样泵的开启/断开控制、消音、系统设置等操作；微控制器将气体浓度及电池电量等数据汇总，数字滤波通过UART 串口发送给OLED 显示模块，同时通过并行接口存储到FLASH 存储模块；通过USB 模块可以在计算机端查看存储的历史数据，超过报警阈值即启动声光报警等功能[11]。

图1 有毒有害气体检测仪的总体结构图

2 硬件设计

2.1 电源模块设计

电源模块主要实现将内置2 节18650 锂离子电池输出电压转换成各个功能模块工作需要的电压，包括DC 5 V、DC 3.3 V、DC 2.5 V 等。

如图2 所示，将2 节18650 锂离子电池串联输出端接到低压差线性电源AMS117-5.0 V 输入端，配置输出电压5 V 供给采样泵及低压差线性电源AMS1117-3.3 V 输入端，配置输出电压3.3 V，为信号调理电路、微控制器、有毒有害电化学气体传感器、声光报警模块、OLED 显示模块、温度传感器、按键交互模块、RTC 时钟、USB 模块及FLASH 存储模块等提供电源。同时，为了提高ADC 转换精度，选用微功耗REF3125 电压基准源芯片将3.3 V 输入转换成2.5 V 输出，供给微控制器ADC 基准源输入端。

图2 各模块的电源供电关系

2.2 微控制器模块

便携式有毒有害气体检测仪的核心是微控制器，对低功耗及接口提出了极高的要求。基于此，有毒有害气体检测仪选用意法半导体研制生产的32 位高性能、低功耗的“ARM Cortex-M4”内核的STM32F407 微控制器，主频最高可达168 MHz，工作电压范围为1.8~3.6 V，工作温度为-40~85 ℃。这款器件集成3 个I2C 接口、6 个UART 串口、3 个12 位高速高精度采样的内置ADC 模块、标准FSMC 接口电路、NOR FLASH 存储模块等。USB 外设功能可配置成主机模式或从机模式，符合USB 2.0 协议标准，可提供硬件除法功能及快速可嵌套中断工作模式[12]。微控制器的硬件接线图如图3 所示。

图3 微控制器的硬件接线图

如图3 所示，微控制器通过UART1 标准通信接口与OLED 显示模块通信，实现数据采集的显示及历史数据查询等显示交互功能；使用2 个ADC 输入通道用于采集电化学传感器输出的经调理放大后的模拟信号及电池输出电压，进一步换算出电池电量；使用外置NOR FLASH 配置成存储单元，微控制器USB 端为通信接口，在计算机端以U 盘形式显示，可以直接查看存储的历史数据，数据格式为.csv；采用外置有源32.768 kHz 及8 MHz 晶振为STM3232F407 微控制器提供时钟源；通过配置GPIO 输出高低电平实现驱动采样泵、声光报警等功能；DS1307 型号RTC 时钟芯片通过I2C 接口与微控制器通信；温度传感器采用DS18B20，采用单总线协议与微控制器通信；J-Link 通过SWD 接口进行程序调试及下载[13]。

2.3 电化学气体传感器信号调理电路

本文中设计的便携式有毒有害气体检测仪可选用两电极型或三电极型电化学气体传感器，其工作原理是：待测目标气体通过薄膜扩散到电化学气体传感器反应腔内,与工作电极（WE）相互作用，通过改变负电极（CE）上的电压保持WE 引脚的恒定电位。图4 所示为两电极型电化学气体传感器信号调理电路，工作电极输出微弱的nA 级电流信号，将此电流转换为输出电压需要使用具有极低输入偏置电流的跨阻放大器，通过调节电阻器R2的大小可以实现输出电压信号的放大或缩小，以适应ADC 采集端的电压要求。

图4 两电极电化学气体传感器信号调理电路

图5 所示为三电极型电化学气体传感器信号调理电路。恒电位电路检测参考电极（RE）的电压，并向负电极（CE）提供电流，使RE 端与WE 端之间的电压保持恒定。RE 端没有电流流入或流出，因此流出CE 端的电流进入WE 端，该nA 级电流信号与目标待测气体浓度成线性关系。由于不同气体在传感器中发生的可能是还原反应或是氧化反应，故流出WE 端的电流可能是正值，也可能是负值。将此电流转换为输出电压需要使用具有极低输入偏置电流的跨阻放大器，通过调节电阻器R2的大小可以实现输出电压信号的放大或缩小，以适应ADC 采集端的电压要求。

图5 三电极电化学气体传感器信号调理电路

本文选用AD8572 构成运算放大电路，该电器具有低失调电压，最大为1 μV。电化学传感器上电后到输出建立稳定电流输出要几分钟甚至更长的启动时间，为避免启动时间过长，采用场效应管MMBFJ177 将CE 引脚与WE 连接，当MMBFJ177 的栅极-源极阈值电压小于2.5 V 时，CE 与WE 处于短接状态，上电后有助于电化学气体传感器输出迅速稳定。

2.4 存储模块

存储器采用AMD 公司生产的NOR FLASH，型号为AM29LV256MC，封装形式为56 引脚封装，工作温度为-40~85 ℃，工作电压为3.0~3.6 V单电源，具有10万次擦写耐久，数据读取时间120 ns。芯片的控制信号主要有芯片使能、写使能和输出使能，可通过模式配置引脚实现8 位数据总线或16 位数据总线工作。如图6 所示，AM29LV256MC 与微控制器STM32F407 通过FSMC 通信接口进行数据读取和写入，具有响应时间快、编程简洁等优点。

图6 存储模块电路

2.5 OLED 显示模块

OLED 显示模块选用武汉谷鑫科技研制生产的OL035DZ_01WN 智能型彩色液晶显示器。显示器尺寸为3.5 寸，分辨率为800×480，显示颜色65K，TTL 电平的uart串口接口通信，供电DC 3.3 V，工作温度-40~80 ℃。

OL035DZ_01WN 智能型彩色液晶显示器可以方便地进行字符串、图片、曲线等多种元素的编程实现，使设备更加美观，符合人机工程学。

2.6 温度传感器

温度传感器选用1-Wire 单总线接口的DS18B20 温度传感器，其在宽温度范围内具有高精度的特性，温度检测范围为-50~150 ℃，可直接与MCU 的GPIO 连接使用，保障测量精度的同时，能够降低MCU开销并减少成本。

2.7 声光报警模块

声光报警模块主要涉及蜂鸣器及发光二极管。通过设计三极管电流放大电路，由微控制器驱动蜂鸣器及发光二极管实现超限声光报警[13]。

3 软件设计

3.1 软件总框图

STM32F407 微控制器采用C 语言库函数进行应用程序开发设计。应用程序包括主程序、ADC 数据采集、RTC 定时获取、正常工作模式、系统设置模式、声光报警、数据存储通信、数据处理及串行传输等子程序，具体程序总框图如图7 所示。

图7 程序总框图

3.2 软件流程图

软件流程如图8 所示。首先，按键开机后进行时钟及外设的初始化；然后，进入正常工作模式，传感器信号调理电路、温度传感器、RTC 时钟及OLED 显示模块等开始工作；内部ADC 模块采集浓度信号和电池电量，实时将数据发送给OLED 显示模块进行显示，并判断是否发生泄漏。若发生泄漏，则发出声光报警信号，界面上绿色指示灯变成红色，可以通过按消音按键实现消音，但报警指示灯正常点亮，直至检测到气体浓度低于泄漏报警阈值。

图8 系统软件流程

通过前面板上系统设置按键，可以进入系统设置模式，但为了安全需要输入密码进行确认。系统设置模式里主要实现的功能包括零点校准、标准气校准、时间校准、历史数据查询等。

零点校准需要将检测仪放置到干净的环境中或抽取氮气，开启采样泵后进行操作，去除电化学传感器自身的零点漂移及误差；标准气校准需要配合特定浓度的标准气进行操作，打开采样泵，重复多次测试后进行校准；时间校准主要是对DS1307 的数据进行设置，为数据存储提供准确的时间戳；历史数据查询功能可以查看存储在NOR FLASH 内的历史数据，一页可以查看5 条记录，包括时间、温度、浓度值等参数。

4 测试及结果分析

便携式有毒有害气体检测仪由2 节串联的18650 锂离子电池供电，电池容量为2 600 mA·h；电化学气体传感器与待测气体反应输出电流信号后经调理放大成电压信号，并输入到微控制器的ADC；微控制器将采集的数据处理后发送给OLED 显示模块，实时显示气体浓度值及电池电量，当采集到的气体浓度超过报警阈值时发出声光报警信号。整体外形近似长方体，外廓尺寸最大为145 mm×80 mm×190 mm，重量为1.8 kg。在实验室采用标准气对浓度传感器进行测试及功耗测试[14]。

4.1 功耗测试

在实验室里将万用表Agilent34410A 的电流档串入供电电路，使用开关电源供电，设置输出电压为DC 7.2 V，开机后启动采样泵进入正常工作模式，功耗为235 mA，整机功耗约1.69 W，一次电池充满电可连续工作10 h以上。

4.2 标准气测试

本文以检测氨气为例，在实验室里利用氨气标准气对便携式有毒有害气体检测仪进行响应测试[14]，测试用标准气浓度分别为1×10-6、10×10-6、50×10-6（传感器量程50×10-6）。便携式有毒有害气体检测仪标准气测试记录如表1 所示，检出限达到1×10-6，响应时间T90小于等于165 s，检测误差小于等于5%F.S，响应时间和检测误差均满足要求。

表1 标准气测试记录

5 结 论

针对目前便携式有毒有害气体检测仪响应时间较长、检测误差较高的问题，本文以STM32F407 微控制器为核心，基于电化学气体传感器设计一种便携式有毒有害气体检测仪。该检测仪具有电化学气体传感器信号调理、模数转换、电池电量监测、数据存储、声光报警等功能，且具有体积小、使用便捷等优点。测试结果表明：便携式有毒有害气体检测仪测量范围宽、检测误差小、响应时间快、功耗低。根据不同的行业要求，针对不同的检测介质，可更换不同的电化学气体传感器来监测不同种类的气体，设置不同的检测量程及报警阈值，具有较高的应用价值。