CN113588586A - 一种基于stm32的多组分气体浓度检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统及方法；采样气室上设有进气口和出气口，进气口和出气口处安装防水膜，核心电路模块调节红外光学系统发出对应强度的红外光线至探测交互区，探测交互区位于采样气室上；核心电路模块调节热释电探测器模块对应采集发射到探测交互区上的红外光信号，热释电探测器模块将采集的红外光信号传输给核心电路模块处理；恒温模块采集采样气室内的温度数据并传输给核心电路模块，核心电路模块将处理后的数据传输给恒温模块进行温度调节。通过热释电探测器模块上的多个滤光片和热释电探测器可以检测多组分气体的浓度，同时采样气室可以保持温度和湿度的适宜，保证结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统及方法。
背景技术
随着社会和工程技术的发展，在放毒防爆、环境检测、化工生产、尾气检测、工业卫生等多个领域，都可以看到对于气体检测的需求。而涉及到气体检测的需求时，往往需要检测多种气体的浓度。常用的同时检测多种气体的方法主要有电化学法、紫外线电离法、超声波声法和高压击穿法。但是这四种方法都有一定的缺点。电化学法检测精度低，并可能在检测过程中产生出有毒气体而对环境造成污染；紫外线电离法检测的范围小，并且设备占地大无法小型化会给检测带来不便；超声波法同样有监测范围小的缺点，同时它的检测结果受温度和湿度的影响很大；高压击穿法的灵敏度较差，且高压电极不能长时间处于工作状态。
红外检测技术的原理是不同的气体分子由于其化学结构不同，对不同波段的红外光的吸收程度不同。而且和上面四种方法相比，红外检测技术所检测到的气体浓度精度更高、检测速度更快，成本更低，也不会造成二次污染，同时还可以进行连续长时间地检测工作，在工程应用中更加方便。
不同气体对不同红外光的吸收规律可用Lambert-Beer定律来表述，其公式为：
I＝I0e-βCL
其中，I表示待测气体吸收过后的红外光光强，I0表示红外光源的辐射光强，β表示气体的吸光系数，C表示采样气室内待测气体的浓度，L表示红外光光程。
从上述公式可以看出，固定红外光源的辐射光强和红外光光程，查表得知不同气体的吸光系数之后，只需要知道待测气体吸收过后的红外光光强，便可以算出采样气室内待测气体的浓度。
传统的红外检测技术，一次只能对一种气体的浓度进行检测。若要检测多种气体，就需要经常性地更换设备或者更改滤光片，十分不方便。由此，为了在尽可能减小设备复杂度的情况下实现红外检测气体传感器同时检测多组分气体的功能，需要对红外检测设备的结构进行改进。同时，为了保证检测结果的准确性，需要对气室内的环境进行控制。其中，对影响检测结果影响最大的两个因素是温度和湿度，红外气体浓度检测设备应该对这两个因素进行严格的控制。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统，包括采样气室、红外光学系统、恒温模块、核心电路模块、热释电探测器模块；红外光学系统和恒温模块均安装在采样气室内；
所述采样气室上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口处安装防水膜，防水膜位于采样气室内壁上；
所述核心电路模块调节红外光学系统发出对应强度的红外光线至探测交互区，所述探测交互区位于采样气室上；
所述核心电路模块调节热释电探测器模块对应采集发射到探测交互区上的红外光信号，热释电探测器模块将采集的红外光信号传输给核心电路模块处理；
所述恒温模块采集采样气室内的温度数据并传输给核心电路模块，核心电路模块将处理后的数据传输给恒温模块进行温度调节。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述核心电路模块包括单片机、电源电路模块、A/D模块、温度反馈电路、滤波电路、WIFI模块、光源驱动电路、步进电机驱动器、步进电机；
所述单片机分别电性连接电源电路模块、A/D模块、温度反馈电路、WIFI模块、光源驱动电路、步进电机驱动器；
所述A/D模块电性连接滤波电路；
所述步进电机驱动器电性连接步进电机，步进电机上设有转轴支柱。
进一步地，所述恒温模块包括温度传感器、温度反馈调节器；温度传感器和温度反馈调节器均安装在采样气室内壁上；
所述温度传感器电性连接A/D模块；
所述温度反馈调节器电性连接温度反馈电路。
进一步地，所述红外光学系统包括红外光源、光学内壁、聚光片、灯座、曲面反射镜；所述灯座安装在采样气室内壁上，灯座上固定连接红外光源，且红外光源设置于光学内壁内，所述光学内壁尾部安装在灯座上，光学内壁前端部固定连接聚光片；所述曲面反射镜安装在采样气室内壁上，所述光源驱动电路电性连接红外光源，红外光源发出的红外光线通过曲面反射镜反射至探测交互区上。
进一步地，所述采样气室整体呈圆柱形；
所述探测交互区外围设有圆环状凹陷；
所述防水膜的孔径呈均匀的网状立体结构；
所述曲面反射镜由二氧化硅制作而成。
进一步地，所述热释电探测器模块包括圆环形辅助盘，圆环形辅助盘中心通过多个均匀分布的支柱固定在转轴支柱的端部，圆环形辅助盘上均匀分布多个通道，通道上安装有滤光片，滤光片上设有热释电探测器，热释电探测器采集经过滤光片处理后的红外光信号并传输给滤波电路。
进一步地，所述通道和滤光片均为圆形，且通道外围设有圆环状凸起，圆环状凸起适配于圆环状凹陷；
所述通道、滤光片、热释电探测器的数目均为6个，且每个热释电探测器检测的气体各不相同，检测的气体分别为：甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氨气、二氧化硫、硫化氢；
任意一个所述滤光片的圆心到圆环形辅助盘中心的连线与其相邻滤光片的圆心到圆环形辅助盘中心的连线的夹角为60°。
进一步地，基于如权利要求1-7任一所述系统的多组分气体浓度计算方法，
定义红外光吸收度A：
式中，I表示待测气体吸收过后的红外光光强，I0表示红外光源的辐射光强，S表示非吸收波段占检测通道入射光范围的比例系数；
计算通道内滤光片红外光吸收度Ai：
式中，Ii表示第i个通道红外光被待测气体吸收过后的红外光光强，
表示第i个通道红外光源的辐射光强，βij表示第j个通道所测量的气体在第i个通道的响应系数；
计算第i个通道所要检测的气体的浓度Ci：
式中，βi表示第i个通道所要检测的气体的吸光系数；L表示红外光光程。
本发明的有益效果是：
1、利用STM32单片机生成PWM波调制LED红外光源发射出红外光，使用聚光片将红外光源发射的红外光线汇聚。用灯座固定把光源固定在采样气室内部，使红外光在光学内壁中传播，并利用曲面反射镜使红外光最终照射到探测交互区。
2、采样气室内安装有恒温模块，利用STM32单片机与温度传感器采集采样气室内的温度，并使用智能温控电路来该改变气室内的温度，起到负反馈的作用，最终使气室的温度维持恒定。在采样气室的内壁上设有进气口和出气口，用于与外界进行气体交换。另外在采样气室的内壁上还装置有一层防水膜，用以滤除气体中的水分和杂质，提高气体的纯净度，同时用以控制采样气室内的湿度。
3、利用STM32单片机的定时器生成PWM波，输送给步进电机驱动器，而步进电机驱动器与步进电机相连，通过调整单片机时钟频率和自动重装值可以设置PWM波的频率和占空比，进而实现对步进电机转动的控制。热释电探测器模块与步进电机相连，如此，便可通过单片机发送控制信号以实现让热释电探测器模块以一定角速度旋转，依次与红外光照射区域交互，得到数据。
4、根据其旋转的角速度，即可算出热释电探测器旋转60°所需的时间，进而设置读取一次数据的时间间隔，获取数据。测量开始前，先进行复位，使电机以所设定频率回到绝对原点。之后根据热释电探测器模块上6个通道所对应的气体排列和电机旋转方向，按次序设置好数据对应气体，带入对应公式，算出气体浓度。
5、通过热释电探测器模块上的多个滤光片和热释电探测器可以检测多组分气体的浓度，同时采样气室可以保持温度和湿度的适宜，保证结果的准确性。
6、本发明具有小型化、高精度、性价比高的特点。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明的电机驱动电路图。
图3是本发明的单片机控制步进电机电路结构示意图。
图4为本发明的电机驱动流程图。
图5是本发明的采样气室内部结构示意图。
图6为本发明的PWM调制光源驱动电路流程图。
图7是本发明恒温模块工作的流程图。
图8是本发明采样气室与热释电探测器交互端的结构示意图。
图9是本发明带有6个滤光片的热释电探测器模块示意图。
图10是本发明总体结构工作流程图。
图中：1、采样气室，2、红外光源，3、灯座，4、聚光片，5、曲面反射镜，6、防水膜，7、探测交互区，8、进气口，9、出气口，10、温度传感器，11、温度反馈调节器，12、圆环状凹陷，13、热释电探测器模块，14、支柱，15、核心电路模块，16、辅助支柱，17、底座，18、转轴支柱，19、电源电路模块，20、步进电机驱动器，21、步进电机。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，圆柱形采样气室1通过两个辅助支柱16固定在底座17上。电源电路模块19用以给整个气体浓度检测系统供电。核心电路模块15，主要采用STM32L151单片机作为MCU进行运算，主要用以控制步进电机专用驱动器，进而控制步进电机21工作以切换滤光片。另外还有A/D模块、滤波电路、WIFI模块、光源驱动电路也都受到STM32单片机的控制。热释电探测器模块13，其在步进电机21驱动下以一定角速度旋转。14为支柱，18为转轴支柱，同时其中封装有用以传递热释电探测器采集到的数据的导线，把数据传送给单片机。采样气室1内的恒温模块传递数据时也通过导线与STM32L151单片机相连。
参考图2，为电机驱动电路。步进电机驱动器20与步进电机21相连，步进电机驱动器20的型号为TB6600步进电机专用驱动器，步进电机21选用型号为57BYG250B的57步进电机。57电机通过转轴支柱18与热释电探测器模块13相连，控制其转动。
参考图3，为单片机控制电机周期性转动的电路图。STM32L151单片机相关管脚与步进电机驱动器20相连，此处ENA-、DIR-、PUL-引脚接地，ENA+、DIR+、PUL+分配三个管脚用以控制驱动器，步进电机驱动器20使用TB6600步进电机专用驱动器，其B-、B+、A-、A+用以控制两相步进电机。GND接地，VCC接直流电压，其输入电压范围一般在9-42V之间，通常使用24V。电机选用型号为57BYG250B的57步进电机。
参考图4，为电机驱动流程图。在控制步进电机21时，可以通过输入PWM波对步进电机21的运动进行控制。利用STM32单片机的定时器生成PWM波，通过调整时钟频率、自动重装值，可以设置PWM波的频率和占空比，而步进电机21收到脉冲的控制，其转子的角位移量与输入脉冲的数量成正比，转速与和输入脉冲的频率成正比。PWM波输入给步进电机驱动器20，进而控制步进电机21。所以通过改变PWM波的频率和占空比即可控制步进电机21的运动。步进电机21的通过转轴支柱与热释电探测器模块相连，从而使之一起转动。根据其旋转的角速度，即可算出热释电探测器旋转60°所需的时间，进而设置读取一次数据的时间间隔。按次序设置好数据对应气体，带入对应公式，算出气体浓度。
根据图9所示，热释电探测器，进行浓度测量前，先进行复位操作，使电机以所设定频率回到绝对原点“甲烷”处，第一次读取数据对应“甲烷”。控制电机带动热释电探测器逆时针旋转，每转过60°读取一次数据，接下来分别为“一氧化碳”“二氧化碳”“氨气”“二氧化硫”和“硫化氢”，完成一个循环后再回到“甲烷”如此循环。
参考图5，圆柱形采样气室1内一端装有LED红外光源，通过灯座3固定在采样气室1的一端。LED红外光源发射出红外光，该光束由亚克力LED透镜制成的高透光率的聚光片4汇聚后，在光学内壁中进行传播，并且利用曲面反射镜5让红外光进行反射，曲面反射镜5由二氧化硅制成，红外光在反射过程中不会遭到削弱，并最终照射到与热释电探测器交互的椭圆形探测交互区7。采样气室1的内壁上设有进气口8和出气口9，用以与外界进行气体交换。另外在采样气室1内壁上还装置有一层防水膜6，该膜可采用mv-2fg-01防水透气膜，用以滤除气体中的水分和杂质颗粒，提高气体的纯净度，防水膜6的孔径小于常规空气中水珠的10000倍，气体可以通过，但水珠无法通过，同时控制水分还可用于控制采样气室1内的湿度维持在一个固定的值附近，防止因湿度的改变导致使用红外检测技术得到的结果出现较大偏差。另外孔为均匀的网状立体结构，灰尘遇到此种结构会被吸附，从而无法通过，可以得到较为纯净的气体。
参考图5，采样气室1内安装有恒温模块。利用STM32单片机与温度传感器10采集气室1内的温度，并使用智能温控电路来该改变气室内的温度，起到负反馈的作用，最终使气室的温度维持恒定。其具体实施为将温度传感器Pt100采集到的温度信号使用AD模块进行模数转换，并继续把信号送给STM32单片机进行处理。把单片机通过接收到的数据算出的温度值与设定的目标温度值进行比较，通过温度反馈电路对气室内的温度进行负反馈调节，最终使气室内的温度维持在一个恒定的值。其中，10为温度传感器Pt100，11为温度反馈调节器。将温度传感器Pt100采集到的温度信号使用AD模块AD7794芯片进行模数转换。
参考图6，为PWM调制光源驱动电路产生红外光的过程。利用STM32单片机的定时器生成PWM，通过PWM调制光源驱动电路进而生成装置所需要的红外光，通过改变占空比改变红外光的强度。当进行多组分气体浓度检测时，保持PWM的占空比不变，使红外光强度维持在一个固定的值。
参考图7，为恒温模块工作的流程图。采样气室1内置有温度传感器Pt100，再把通过其采集到的采样气室1温度信号传送给AD模块AD7794芯片进行数模转换，并继续把信号传送给STM32L151单片机进行处理，把单片机通过接收到的数据算出的温度值与设定的目标温度值进行比较，通过温度反馈电路对采样气室1内的温度进行负反馈调节，改变采样气室1内的温度，使之最终维持在一个恒定的值。
参考图8，为采样气室1另一端的侧视图，其切面上有一圆环状凹陷12，6个滤光片外都有圆环状凸起，因此它可以与热释电探测器模块的6个通道接合。探测交互区域7为最终被采样气室1内的红外光照射到的区域，它最终分别与6个滤光片交互。
参考图9，热释电探测器模块有六个通道，通道内封装有6个滤光片。本发明检测的六种气体分别为甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氨气、二氧化硫和硫化氢，可根据实际工程需要将其替换为所要求的气体。六个通道外面各有一个圆环状凸起，与图2中的圆环状凹陷12相匹配，用于采样气室1和热释电探测器模块交互时结合地更紧密。其中，热释电探测器模块上的圆环形辅助盘制成圆环形，其在单片机所控制的电机的驱动下，按照恒定的角速度旋转。六个通道依次被通过气室的红外光照射，并依次采集红外光信号，输送给单片机。滤光片的中心波长分别为被六种待测气体吸收过的红外光峰值波长。并且，对六个通道采集到的红外光信号进行滤波，再用AD模块对该信号进行AD转换，将转换后的数据输送给STM32单片机，最终使用WIFI模块上传到移动设备。其中，AD模块使用的是AD7794芯片。其中，STM32单片机使用的是STM32L151。其中，WIFI模块使用的是ESP8266芯片。
具体测量方法为：计算气体浓度的方法参考Lambert-Beer公式。但考虑到多种气体之间互相的干扰以及采样气室1内装有的器件会对红外光造成吸收和反射的影响，影响光强。为此引入一个物理量：非吸收波段占检测通道入射光范围的比例系数S以提高测量精度。而修正后的Lambert-Beer公式可以表示为：
I＝I0[(1-S)×e-βCL+S]
其中，I表示待测气体吸收过后的红外光光强，I0表示红外光源2的辐射光强，β表示气体的吸光系数，C表示采样气室1内待测气体的浓度，L表示红外光光程，S表示非吸收波段占检测通道入射光范围的比例系数。
定义红外光吸收度A为：
A＝βCL
所以，由上述Lambert-Beer可以得到红外吸收度公式为：
带入六个通道，得
其中，
表示第i个通道未被气体吸收过时红外光的光强，也就是红外光源2的辐射光强，Ii表示第i个通道红外光被吸收的光强，βij表示第j个通道所测量的气体在第i个通道的响应系数(不同的通道测量的是不同的气体，而红外光通过的气体是多组分气体，比如第一个通道所测的气体是甲烷，第二个通道所测的气体是一氧化碳，由于气室中甲烷的存在也会对红外光有所吸收，会对一氧化碳的测得的浓度产生一些影响(其他气体间也是同理)，所以这里要考虑第j个通道所测量的气体在第i个通道的响应系数)。
又：
其中，Ci表示第i个通道所要检测的气体的浓度，βi第i个通道所要检测的气体的吸光系数。
因为红外光光程L一定，所以由上述式子联立方程，可以分别算出待测的多种不同气体的浓度C1、C2、C3、C4、C5和C6。
最终，算出的多种气体浓度可以通过WIFI模块ESP8266芯片上传至移动终端。
参考图10，为总体软件流程图。电源电路给气体浓度检测系统供电。STM32L151单片机通过定时器生成PWM波，可用PWM调制光源驱动电路产生红外光。红外光在采样气室1内传播，最终照到采样气室1另一端与热释电探测器进行交互。PWM波输送给电机驱动电路，控制其转动，进而控制热释电探测器模块的转动以切换滤光片。热释电探测器以一定角速度旋转，依次与红外光照射区域交互，得到电信号。进行滤波放大、数模转换后在回送给STM32L151单片机进行数据处理，算出浓度。采样气室1内设有恒温电路，首先对气室内温度进行温度采集，所得信号进行数模转换后送给单片机，与设定的目标温度值进行比较，通过温度反馈电路对气室内的温度进行负反馈调节，改变气室内的温度，使之最终维持在一个恒定的值。最终得到的数据通过WIFI模块上传至移动终端。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统，其特征在于，包括采样气室(1)、红外光学系统、恒温模块、核心电路模块(15)、热释电探测器模块(13)；红外光学系统和恒温模块均安装在采样气室(1)内；
所述采样气室(1)上设有进气口(8)和出气口(9)，所述进气口(8)和出气口(9)处安装防水膜(6)，防水膜(6)位于采样气室(1)内壁上；
所述核心电路模块(15)调节红外光学系统发出对应强度的红外光线至探测交互区(7)，所述探测交互区(7)位于采样气室(1)上；
所述核心电路模块(15)调节热释电探测器模块(13)对应采集发射到探测交互区(7)上的红外光信号，热释电探测器模块(13)将采集的红外光信号传输给核心电路模块(15)处理；
所述恒温模块采集采样气室(1)内的温度数据并传输给核心电路模块(15)，核心电路模块(15)将处理后的数据传输给恒温模块进行温度调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统，其特征在于，所述核心电路模块(15)包括单片机、电源电路模块(19)、A/D模块、温度反馈电路、滤波电路、WIFI模块、光源驱动电路、步进电机驱动器(20)、步进电机(21)；
所述单片机分别电性连接电源电路模块(19)、A/D模块、温度反馈电路、WIFI模块、光源驱动电路、步进电机驱动器(20)；
所述A/D模块电性连接滤波电路；
所述步进电机驱动器(20)电性连接步进电机(21)，步进电机(21)上设有转轴支柱(18)。
3.根据权利要求2所述的一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统，其特征在于，所述恒温模块包括温度传感器(10)、温度反馈调节器(11)；温度传感器(10)和温度反馈调节器(11)均安装在采样气室(1)内壁上；
所述温度传感器(10)电性连接A/D模块；
所述温度反馈调节器(11)电性连接温度反馈电路。
4.根据权利要求2所述的一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统，其特征在于，所述红外光学系统包括红外光源(2)、光学内壁、聚光片(4)、灯座(3)、曲面反射镜(5)；所述灯座(3)安装在采样气室(1)内壁上，灯座(3)上固定连接红外光源(2)，且红外光源(2)设置于光学内壁内，所述光学内壁尾部安装在灯座(3)上，光学内壁前端部固定连接聚光片(4)；所述曲面反射镜(5)安装在采样气室(1)内壁上，所述光源驱动电路电性连接红外光源(2)，红外光源(2)发出的红外光线通过曲面反射镜(5)反射至探测交互区(7)上。
5.根据权利要求4所述的一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统，其特征在于，
所述采样气室(1)整体呈圆柱形；
所述探测交互区(7)外围设有圆环状凹陷(12)；
所述防水膜(6)的孔径呈均匀的网状立体结构；
所述曲面反射镜(5)由二氧化硅制作而成。
6.根据权利要求5所述的一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统，其特征在于，所述热释电探测器模块(13)包括圆环形辅助盘，圆环形辅助盘中心通过多个均匀分布的支柱(14)固定在转轴支柱(18)的端部，圆环形辅助盘上均匀分布多个通道，通道上安装有滤光片，滤光片上设有热释电探测器，热释电探测器采集经过滤光片处理后的红外光信号并传输给滤波电路。
7.根据权利要求6所述的一种基于STM32的多组分气体浓度检测系统，其特征在于，
所述通道和滤光片均为圆形，且通道外围设有圆环状凸起，圆环状凸起适配于圆环状凹陷(12)；
所述通道、滤光片、热释电探测器的数目均为6个，且每个热释电探测器检测的气体各不相同，检测的气体分别为：甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氨气、二氧化硫、硫化氢；
任意一个所述滤光片的圆心到圆环形辅助盘中心的连线与其相邻滤光片的圆心到圆环形辅助盘中心的连线的夹角为60°。
8.基于如权利要求1-7任一所述系统的多组分气体浓度计算方法，其特征在于，
定义红外光吸收度A：
式中，I表示待测气体吸收过后的红外光光强，I0表示红外光源(2)的辐射光强，S表示非吸收波段占检测通道入射光范围的比例系数；
计算通道内滤光片红外光吸收度Ai：
式中，Ii表示第i个通道红外光被待测气体吸收过后的红外光光强，
表示第i个通道红外光源(2)的辐射光强，βij表示第j个通道所测量的气体在第i个通道的响应系数；
计算第i个通道所要检测的气体的浓度Ci：
式中，βi表示第i个通道所要检测的气体的吸光系数；L表示红外光光程。
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