成俊娜 杨凌 郝欣 赵韦静 王晓辰
摘 要：为了满足工业上对氨气精准检测的需求，设计了一种基于STM32的氨气检测系统，利用基于可调谐二极管激光光谱吸收技术（TDLAS）的气体检测传感器，配合高稳定性抽气泵和高精度流量计，以STM32C8T6为主控芯片，设计了供电电路、传感器控制电路、电磁阀控制电路、抽气泵控制电路等。通过对已知浓度氨气测量，得到相应的测量数据，误差范围合理，能够采集到完整的数据曲线，实验结果证明硬件选型合适，软件程序运行正常。
关键词：氨气 STM32 TDLAS 气体检测
中图分类号：TP319 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（a）-0060-04
An ammonia gas detection system based on STM32
CHENG Junna* YANG Ling HAO Xin ZHAO Weijing WANG Xiaochen
（The 718th Research Institute of CSIC， Handan， Hebei Province， 056000 China）
Abstract：In order to meet the requirements of industry of ammonia accurate detection， designs an ammonia detection system based on STM32， based on tunable diode laser absorption spectrum technology （TDLAS） gas detection sensors， pump with high stability and high precision meter， STM32C8T6 as main control chip， designed the power supply circuit， sensors， control circuit， electromagnetic valve control and pump control circuit， etc. Through the known concentration of ammonia gas measurement， get the corresponding measurement data， the error range is reasonable， can collect a complete data curve， the experimental results prove that the hardware selection is appropriate， the software program runs normally.
Key words： Ammonia; STM32; TDLAS; Gas detection
氨气是一种常见的有害气体，是环境污染的主要贡献者之一。近年來随着国家对环境保护工作的重视，出台了各类环保政策，其中对氮氧化物（NOx）的治理要求尤为严格。工业企业常选用选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction， SCR）技术对废气进行脱硝处理。通过对企业的实地考察发现，厂区内的总是弥漫着氨气的味道，探查发现在实际的治理过程中为了确保尾气中的NOx完全被还原，往往会添加过量的尿素溶液，使得尾气中带有未反应的氨气，易造成氨气泄漏。因此，为了保护工人的健康，减少环境污染，对微量氨气的检测尤为重要。
1 系统总体设计
目前，针对氨气的检测方法有很多种，朱宝余等研究者[1]对氨气检测仪的现状进行了分析总结，按照检测机理分类，可分为化学检测法、化学传感器检测法[2]、气相色谱检测法以及光谱检测法。工业上常用的氨气检测器有火焰离子化检测器（FID）和光离子化检测器（PID），都具有一定的局限性。调查研究发现，可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）[3-4]具有高选择性，是目前较为热门的氨气检测技术。比如：华中农业大学的谭鹤群等研究者[5]提出了一种基于可调谐吸收光谱的畜禽舍氨气浓度检测方法;中国科学院大学的鹿洪飞[6]研制了一种近红外VCSEL型TDLAS氨气检测系统，并验证了系统的性能;天津科技大学的李丛蓉[7]设计了一种基于TDLAS的柴油机SCR氨污染检测系统;天津大学的王喆[8]通过建模与实验分析了基于TDLAS氨气检测原理的性能。该文选用基于TDLAS的气体检测模块，设计了一种氨气检测系统，该系统具有选择性强、灵敏度高、反应迅速等特点。
氨气检测系统采用模块化设计思维进行整体设计，包括由STM32微处理器构成的最小系统、电源、测量、控制、通信等模块。氨气检测系统的工作流程为：通信模块将传感器采集的数据实时显示在液晶显示屏上，实现人机交互。
2 系统搭建
2.1 硬件电路设计
氨气检测系统设计之初，传感器的通信协议为UART，存储芯片为W25Q64，数据传输协议为SPI协议，流量传感器的通信协议为IIC，故氨气检测系统硬件的微处理器选用的STM32C8T6芯片，能够满足通信需求。硬件系统框图如图1所示。
按照功能进行电路板的模块化设计，主要分为以下几个方面。
2.1.1 传感器模块
选用TDLAS原理测量空气中氨气的浓度并将采集到的传感器参数进行信号处理并传输至主控制器，传感器是Axeteris公司的LGD F200 A型，该传感器的测量范围为0～100 ppm。通过串口RS232协议进行数据传输，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5 v单电源供电。器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到5 μW以内。故采用max3232芯片进行数据的转换，满足数据的传输要求，搭建控制电路如图2所示。
2.1.2 泵控模块
仪器工作模式为泵抽式，选用采用进口THOMAS的抽气泵，提供稳定的气源，满足传感器需求，达到最优的测试效果。通过IO接口输出高低电平控制泵的启停，控制电路见图3。
2.1.3 稳压模块
选用车用模块，为系统提供12 V的稳定电源，增强系统运行的稳定性。为了增强电压的稳定性，进行分步骤降压，首先将输入电压到5 V，然后5 V到3.3 V。
2.2 软件系统
氨气检测系统软件系统分为显示屏控制模块和硬件电路控制模块。硬件控制程序基于Keil C语言软件开发系统进行开发控制，首先对传感器进行初始化，清空串口缓存数据，开启传感器，默认为采样模式，可选择标定模式，进入控制界面，设备进入工作状态。
选用广州大彩串口屏实现系统人机交互功能，通过显示屏控制并实时显示和记录数据。控制程序基于Visual TFT软件开发环境设计，将控制程序迁移嵌套进入主控程序，实现监测数据的实时显示、数据记录、工作模式选择、数据标定等功能。
开机后进入初始化程序，待初始化完成后进入检测界面，可显示实时浓度、当前的流速、工作状态、故障、报警、设置。当传感器出现故障，经过软件程序的判断会打开故障灯，如果浓度超过当前设定的报警值，则报警灯红灯提示。
点击采样和标定按钮，将在采样模式和标定模式中切换。采样模式下泵开启进行采样。标定模式下停泵，通过钢瓶压力控制流速进行标定。
2.3 气路设计
为了减小氨气的吸附，管路的材料选择低吸附的聚四氟乙烯，接头采用进口世伟洛克卡套接头，保证气路密封性，整个气路流向如图4所示。
3 仪器测试结果
3.1 零点漂移
氨气检测系统是连续监控0～100 ppm以内的氨气变化的系统。按照设计方案搭建好试验样机之后，多次通入零点气进行测试，经观察发现零点气的显示范围为-0.6～0.3 ppm之间，通过软件设置可将小于0 ppm的点截去，设置完成后每隔30 min进行一次记录，记录数据如表1所示，经计算零点漂移为0.187%。
3.2 线性误差
氨气检测系统是连续监控0～100 ppm以内的氨气变化的系统。按照设计方案搭建 好试验样机之后，依次通入10 ppm、50 ppm、80 ppm的标准氨气，稳定后分别记录仪器的示值，以上步骤至少重复3次，经计算各测量值的线性误差分别为-1.81%、1.88%、5.41%。
试验结果显示，当通入浓度为80 ppm的标准气体时，线性误差超过;了5%。启动标校模式，校准后再次测量，试验数据如表2所示，经计算各测量值的线性误差分别为-2.05%、0.33%、2.85%，線性误差控制在±3%以内。
3.3 响应时间
根据记录的曲线分析：10 ppm的标准气体，仪器响应只能到达8.18 ppm，T90响应时间在32 s。可以通过屏幕将8 ppm点修正为10 ppm，零点不修正，则信号整体扩大1.25倍，仪器响应的最大值变为10.26 ppm，T90响应时间仍为32 s。50 ppm的标准气体，T90响应时间在25 s;80 ppm的标准气体，T90响应时间在13 s。NH3浓度越大，T90响应时间越短，最大值的稳定时间也越短。
4 结语
这种基于STM32的氨气检测系统，响应时间最大为32 s，线性误差在±3%以内，可以实现对微量氨气进行快速精确的检测。通过对已知浓度氨气测量，计算误差范围合理，能够采集到完整的数据曲线，测试结果显示硬件选型合理，软件程序设计正常。在江苏某化工厂实际运行结果显示，该设备在工业现场能够稳定地运行，具有较高的灵敏度。
参考文献
[1] 朱宝余，孙成勋，王兰，等.氨气检测仪研究现状[J].化工进展，2017（36）：27-33.
[2] Liang Xishuang， Lu Geyu， Zhong Tiegang.et al.New type of ammonia/toluene sensor combining NASICON with a couple of oxide electrodes[J].Sensors and Actuators B，2010（150）：355-359.
[3] 倪子颜.基于TDLAS技术同时检测氨气与氢气浓度的研究[D].东北石油大学，2020.
[4] 何启欣.基于红外激光吸收光谱技术的气体检测技术研究[D].吉林大学，2018.
[5] 谭鹤群，李鑫安，艾正茂.基于可调谐吸收光谱的畜禽舍氨气浓度检测[J].农业工程学报，2020，36（13）：186-194.
[6] 鹿洪飞.近红外VCSEL型TDLAS氨气检测系统的研制[D].中国科学院大学，2020.
[7] 李丛蓉.基于TDLAS的柴油机SCR氨污染检测系统研究[D].天津科技大学，2017.
[8] 王喆.基于可调谐二极管激光吸收光谱的氨气浓度检测系统研究[D].天津大学，2015.
