作者 / 何源 黄梦涛 王伟峰
西安科技大学 电气与操控工程学院(陕西 西安 710054)
何源(1990-)，男，嵌入式体系规划师，研讨方向：智能传感器、工业操控体系、物联网。
摘要：针对环境有毒有害气体检测，本文规划了一种可一起检测多种气体的便携式气体检测仪。该规划经过运用TI公司的新式电化学模仿前端芯片LMP91000和高精度ADC芯片ADS1115改进硬件统一性和硬件丈量精度;微操控器STM32L151软件规划中经过数字滤波和温度补偿进步气体检测的温度稳定性和精度。
导言
环境中常见的有毒有害气体如：氨气(NH3)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(C0)、硫化氢(H2S)、氮氧化物(NOX)等。关于上述有毒有害气体都有对应的电化学传感器;电化学传感器的首要优势是：线性输出、低功耗、杰出的分辨率、杰出的重复性和准确性，所以电化学传感器在气体检测范畴得到了广泛的运用[1-4]。
现如今商场中大部分多合一气体检测仪是以分立元件组成的电化学传感器前端调度电路并且以微操控器本身10位或许12位的ADC转化器作数据收集，许多产品没有考虑温度对电化学传感器的影响;因而其在温度稳定性和精度上不尽人意。对此，本文经过改进硬件电路规划和找寻有用的温度批改办法，然后进步气体检测的温度稳定性和精度。
1 电化学传感器作业原理
现在大部分电化学传感器都是三电极结构，其作业原理是气体经过挑选型灵敏膜分散到传感器内，并与传感器内化学溶液产生氧化反响或许复原反响，并在在作业电极上产生电流信号，其反响类型决议作业电极上的电流方向[3,7]。
简化三电极电化学传感器调度电路如图1所示。作业电流在对电极与作业极之间活动，经过A2运放器将电流信号转化为电压信号。分立电路中调整RF的值，使A2输出的值满意后端转化电路的要求[5]。能够看出分立调度电路较为杂乱，因为分立元件个体差异调整难度较大，一起引进差错也随之增大。
选用LMP91000芯片可极大简化调度电路的规划，进步调度电路的可靠性。芯片内部结构图如图2所示。芯片内部具有可编程的增益操控和基准电压操控，能够习惯多种电化学传感器，芯片经过I2C 总线与微操控器通讯。I2C总线可挂接多个芯片然后完成多气体检测传感器阵列的规划。其内部寄存器在官方数据手册中已有具体的阐明，在此就不再赘述。
依据运算放大器虚短虚断的特性可得到以下表达式：
(1)
式中，Vref_div为基准电压，Vout为LMP91000输出电压，Iwe为电化学传感器作业电流。±是由电化学传感器性质所决议的。
丈量气体浓度与电化学传感器作业电流的联系表达式：
(2)
表达式中C为被测气体浓度，SI为电化学传感器灵敏度。
以上表达式中RTIA、Vref_div、SI都为已知量，丈量Vout就能推算出被测气体浓度C。
2 硬件体系规划
硬件体系框图如图3所示，硬件体系首要由微操控器、温湿度传感器、ADC转化器、电化学传感器调度电路、显现和按键操控组成。运用REF3020高精度电压基准芯片供给基准电压，电化学传感器调度电路运用LMP91000，ADC转化器运用ADS1115，这三个要素是确保硬件电路高精度丈量的根底。
3 软件体系规划
软件首要部分流程图如图4所示，其他显现和操控部分程序不是本文要点，在此不予论述。其间最为重要的是数字滤波与温度曲线批改两个过程。
3.1 数字滤波
关于数字滤波本文首要运用中值加均值的归纳滤波办法，即先为收集的n个电化学输出值调集Sn排序得到新的调集Tn，依据实际情况去掉调集Tn头尾m个数，然后再求调集中剩余数的均匀值，即
;此办法既能按捺随机搅扰，又能滤除显着的脉冲搅扰。
3.2 温度曲线批改
电化学传感器的作业温度一般在-20℃~50℃，在其极限作业温度下传感器寿数十分短。在温度为20℃时，电化学传感器被看作没有温漂，即20℃为电化学传感器的中心温度;因而本文核算温度拟合曲线就以20℃时的数值为基准点。以一氧化碳传感器4CO-2000为例，在-5℃~50℃温度区间，以5℃递加;别离运用一氧化碳含量为250ppm、706ppm、1001ppm、1701ppm标气做高低温试验，试验温度曲线如图5(a)所示，试验温漂曲线如图5(b)所示，试验温漂比曲线如图5(c)所示，试验均匀温漂比曲线如图5(d)所示。
温漂值是以20℃时的丈量值为基准值，别离与其他温度下丈量值作差得到的调集。温漂比值是以20℃时的丈量值为基准值，别离与温漂值调集中的值作比得到的调集。均匀温漂比值是4种标气试验中得到的温漂比值，在同一个温度点做算术均匀得到的调集。
从温漂比曲线图(图5(c))中不难看出，传感器在各个标气温度试验中改变趋势基本是共同的，再用均匀温漂比曲线(图5(d))作最小二乘法多项式曲线拟合，就可得到比较合适的温度批改拟合曲线。
温度批改拟合曲线(K(T))一般是两次或许三次多项式的核算，它的参数即为实时的温度值，核算得到是当时温度下的误差比值;因而完好的公式为：
(3)
表达式中V(T)为批改后的气体浓度值;V为未批改的气体浓度值;K(T)为温度批改拟合曲线。
4 功能测验
将高低温试验后拟合的温度曲线参加嵌入式软件程序中，将气体检测仪在纯氮气中进行校零。再次在-5℃~50℃的温度区间进行功能测验，相同以CO传感器为例测验成果如表1所示。
由表1中的数据能够看出，CO传感器温度在-5℃~50℃区间内，对4种标气的丈量差错都保持在了±4ppm范围内，有用的证明了本文中提取温度批改拟合曲线的办法是可行、有用的。此办法在气体检测仪其他传感器如：O2传感器、H2S传感器、SO2传感器、NH3传感器中得到相同验证。
5 定论
本文评论了依据STM32L151的便携式气体检测仪的规划和完成，对其硬件电路结构及要害的数字滤波与温度批改办法进行了具体的介绍。经过很多高低温试验证明：本文提出以“均匀温漂比”作参阅样本核算温度批改拟合曲线，要比温度分段式温度批改办法[6~7]更为有用。为气体检测范畴硬件结构规划和批改办法供给了新的参阅。可是因为电化学传感器本身的保质期一般在1~5年不等，期间其特性会产生纤细改变，可经过定时校准能减小此改变对丈量的影响。
参阅文献：
[1]刘立红,车文实,孙晶,等.电化学传感器在环境检测中的运用研讨[J].科技立异与运用,2017,(01):43.
[2]姚毓升,解永平,文涛.三电极电化学传感器的恒电位仪规划[J].外表技能与传感器,2009,(09):23-25.
[4]王翠翠,周真,秦勇,等.电流型电化学传感器恒电位仪电路的研讨[J].传感器国际,2009,(02):36-39.
[5]孙宇峰,黄行九,刘伟,等.电化学CO气体传感器及其灵敏特性[J].传感器技能,2004,(07):14-17.
[5]许剑锋,芦静,郝欢,等.依据LMP91000的电化学传感器调度电路规划[J].传感器国际,2014,(02):22-25.
[6]李世伟,金贵新,陈彬,等.温度对电化学NH3气传感器影响研讨[J].现代核算机(专业版),2016,(28):3-6.
[7]方长青,叶桦,尤卫卫.依据STM32的矿用电化学一氧化碳传感器的规划[J].信息技能与信息化,2013,(05):145-148.
本文来源于《电子产品国际》2018年第1期第49页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
