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1、摘要随着科学的进步、工业的快速发展，工业所带来的大气污染问题越来越严重，人们的态度从早期的着重经济发展，到如今的有意识保护环境，只过了短短三十年，由此可见污染之迅速。而且随着大气污染愈发严重，我国的肺病患者比例逐渐增大，人们对空气质量PM2.5等数值逐渐重视。现如今，对大气数据的检测尤为重要，国家也陆续出台了许多气体检测和监控规范以及标准，发展经济不能以牺牲环境为代价，国家有意识的鼓励引导人们节约资源、低碳出行，大力度研究可再生能源。但与此同时，许多工厂为了一己私欲，偷偷排放超标、违规废气，甚至直接危害周围人们的生命安全。且市面上现有的气体探测设备多数集成度低，携带不便，难以针对指定现场进行精
2、准气体测量，给了许多违法工厂生存空间。在此背景下，本文提出基于STM32的气体探测集成模块的设计方案，该模块具有便携、检测气体多样、气体传感器模块化等特点，可以对一氧化碳、甲烷、可燃气、工业燃气、二氧化硫和空气质量、PM2.5七个方面进行数据采集，并最终将数据以无线通讯方式传输至使用者，让其在第一时间收到远方现场的气体数据情况。同时介绍一种方法，由气体探测模块、信息采集通讯模块、飞行载具、PC软件组成的大气数据网络系统，可对目标区域进行大面积数据平扫探测，短时间内采集大量大气信息。关键词：气体检测 STM32 传感器 大气Abstract With the advancement of sci
3、ence and the rapid development of industry, the problem of air pollution caused by industry has become more and more serious. People s attitudes have only lasted for thirty years from the early emphasis on economic development to the conscious protection of the environment today. This shows the rapi
4、d pollution. And as air pollution becomes more and more serious, the proportion of lung disease patients in our country gradually increases, and people gradually pay attention to air quality PM2.5 and other values. Nowadays, the detection of atmospheric data is particularly important. The country ha
5、s also issued many gas detection and monitoring specifications and standards. The development of the economy can not be at the expense of the environment. The state consciously encourages and guides people to save resources and travel low carbon Renewable Energy. But at the same time, many factories
6、 secretly emit excessive and illegal exhaust gas for their own personal desires, and even directly endanger the lives of people around them. Moreover, most of the existing gas detection equipment on the market has low integration and is inconvenient to carry. It is difficult to perform accurate gas
7、measurement on the designated site, which gives many illegal factories a living space.In this context, this paper proposes a design scheme for an integrated gas detection module based on STM32. The module has the characteristics of portability, diverse gas detection, and modular gas sensors. It can
8、detect carbon monoxide, methane, combustible gas, industrial gas, sulfur dioxide, and air quality. , PM2.5 seven aspects of data collection, and finally transmit the data to the user by wireless communication, so that they can receive the gas data of the remote site in the first time. At the same ti
9、me, a method is introduced. An atmospheric data network system consisting of a gas detection module, an information collection and communication module, a flight vehicle, and PC software can perform large-area data horizontal scanning detection on the target area and collect a large amount of atmosp
10、heric information in a short time. Key words： Gas detection STM32 Sensor Atmosphere目 录1 绪论11.1 气体探测集成模块的研究背景与意义11.2 气体探测仪器的发展历程及趋势11.3 设计思路来源及论文主要内容22 气体探测集成模块整体方案设计42.1 气体探测集成模块概述42.2 总体设计方案42.3 设计要求53 硬件电路设计63.1 主控芯片63.1.1 芯片介绍63.1.2 主芯片外围电路设计63.2 传感器电路设计及介绍73.2.1 电化学式气体传感器工作原理73.2.2 电化学传感器电路设计及介绍
11、73.2.3 催化燃烧式气体传感器工作原理93.2.4 催化燃烧式传感器电路设计及介绍103.2.5 激光粉尘传感器工作原理123.2.6 激光粉尘传感器介绍123.2.6 空气质量模组介绍133.3 电源电路设计143.4 数据传输电路设计153.5 传感器布局设计及PCB制板163.5.1 传感器布局设计要求163.5.2 PCB制板设计174 软件系统设计204.1 系统软件开发环境介绍204.2系统主程序设计205 气体探测集成模块测试225.1气体探测集成模块综合测试结果225.2 合作测试所使用的载具无人机介绍236 总结24参 考 文 献25致谢2625广东东软学院本科生毕业设计
12、（论文）1 绪论1.1 气体探测集成模块的研究背景与意义 由第二次工业革命以来，随着科技、工业的快速发展，由工业带来的空气污染越来越严重，而在21世纪，由于大气污染带来的各种环境问题，让大气环境逐渐成为全世界人们关注的问题。尤其是我国现阶段的主要能源仍以化石燃料资源为主，燃料完全燃烧或未完全燃烧所排放的有害气体大部分都是未经任何处理直接进入大气中，于此同时由于城市的发展，有害气体越来越难被绿植吸收和分解，浓度不断增加且不被人察觉，极易成为人们的生活隐患，根据近几年数据统计，中国目前正在成为肺病高发国家。从前几年人们对PM2.5数值的敏感度，以及对北京“蓝天”的渴望，可知道人们所盼望的是健康、至
13、少对人无害的大气环境。所以实时准确的检测城市上空的气体环境参数尤为重要。习近平总书记多次提出：“绿水青山，就是金山银山”，发展经济不能以牺牲环境为代价，国家有意识的鼓励引导人们节约资源、低碳出行，大力度研究可再生能源。但与此同时，许多工厂为了一己私欲，偷偷排放超标、违规废气，甚至直接危害周围人们的生命安全，由于现有的空气探测仪器只能定点测试，或是定时定点测试大气数据，所以违规工厂有了生存空间，难以被发现。因此，一个实时准确、便携能在短时间内测量大面积大气数据的模块，对于环境治理来说有非常大的协助作用。1.2 气体探测仪器的发展历程及趋势气体探测仪器最早可以追溯到十九世纪，世界工业化快速发展，致
14、使人们对矿产的需求陡然上升，大量开发矿井，而矿井中复杂且多变的气体会引发严重的危险情况，矿井内不仅可能存在各种可燃气，还有硫化物、氮氧化物等等对矿工的生命造成极大威胁的气体成分。同时，由于矿井的通道的单一性，内部气体泄漏会导致氧气不足，矿工们也可能会因为氧气不足窒息死亡。于是在1815年有了Davy安全矿灯，已经依靠牺牲动物为主的方式对有毒气体进行探测，随后到20世纪30年代，疯狂的油船爆炸事故促使当时的StandardOil公司不得不着手研制和开发可直读可燃气的指示器，在同年代也诞生了世界上第一家制造现场气体检测仪器的公司，Johnson-Willianms Instruments。20世纪
15、之后又陆续出现了电化学原理、光干涉原理、热导原理、催化燃烧原理等气体测量方法和原理。利用不同原理的传感器可应对多种情况下的气体监测，防止监测的干扰导致某类原理的传感器失灵或失准。根据目前国内外情况，气体检测仪器的未来发展趋势主要为：1.朝检测多样性方向发展。如今单一的气体检测已经满足不了大部分现场的安全或检测需求，而在一部分特定环境下不能同时部署多种气体检测设备，因此一种能同时检测多种气体的检测设备显得非常重要。2.朝便携、模块化、智能化发展。将气体检测设备模块化，电路集成化，在系统中加入处理器，让气体探测设备具有校准和故障报警功能。可增加设备的可靠性，同时传感器可更简单、快速的更换，适用于各
16、种场景，使得现场的气体检测针对性更强。3.朝现代通讯技术和数字技术合作方向发展。将气体检测设备中添加现代通讯技术和数字通讯技术，可使得气体检测设备在远处进行危险气体测量时，能保留数据甚至实时发送数据给身在安全位置的人知道检测现场的情况。通讯使用485总线、USB、Modbus等数字通讯技术，使得设备更智能化。4.朝现代电子技术结合方向发展。将现代电子技术的产品，例如多层板技术、触摸显示屏等5.朝集成化、产品合作化方向发展。将气体探测设备与移动设备如无人机、小汽车、帆船等移动载具合作，可短时间测量大面积地区的气体数据，也方便在一些人不方便到达的地区进行测量。目前中国市场上已经有完善、使用的气体检
17、测设备，但大多数都为单一检测产品，支持多样检测的气体探测设备体积都较大。总体而言，便携式的气体探测设备发出与发展阶段，种类较少，功能也较少；从技术上说，设备的工作稳定性不高，主要原因是传感器寿命短以及设备的电路集成不够，不同环境可能需要校准等；从便携程度上说，探测器多数只能检测单种气体，且体积和重量都较大，不便于多种气体检测；从合作上说，现在极少有能轻松搭载在载具上，用载具进行大面积网格测量的气体检测设备。因此设计一个便捷、多种类、可搭载载具的气体探测设备不仅能让气体检测更简单快捷，对人们生活也有着正向的收益。1.3 设计思路来源及论文主要内容本课题来自于在企业中合作研究的项目，项目研究内容是
18、大气检测网络系统，本设计为系统中硬件部分的气体探测部分，主要针对人们较为关心的空气质量PM2.5和国家六项硫、氮等主要污染物进行重点监测，后续还可以根据现场需求模块式更换或添加气体探测传感器。该集成检测模块具有灵敏度高、低功耗、便携、器件模块化等特点，设计使用STM32F091系芯片为控制核心，尽可能减少系统功耗，让设备可达到长时间续航。主要检测气体为工业燃气、硫化氢、一氧化氮、甲烷等可燃气，分别用电化学传感器、激光粉尘传感器、空气质量模组、催化燃烧式气体传感器来采集一共7项数据，然后将气体数据打包处理发送至上位机。本文具体的设计内容如下：（1）研究气体探测集成模块的总体设计思路额方案，确定其
19、拟实现功能。选择好所需的电子元器件，优先选择能让模块待机时间长的低功耗类电子元器件。实现传感器模块化，提高整个系统稳定性和检测精度，将数据打包发送至上位机。（2）研究电化学传感器和激光粉尘传感器、催化燃烧式气体传感器的工作原理，并根据其不同的工作原理，考虑安排各传感器在气体探测集成模块中的布局，根据其特性设计以上三种气体检测方法的电路原理图和PCB图。（3）设计该模块的硬件电路，包括ST32F091单片机的外围电路、各传感器信号接口电路、气体探测集成模块电源电路，传感器在整个模块中的位置摆放设计、绘制原理图以及PCB制板。（4）介绍系统中的软件设计，所用软件开发环境介绍、设计气体探测集成的主程
20、序流程等。（5）该模块的可合作的载具无人机介绍，大气检测网络系统功能介绍。（6）最后为总结，概述论文章节内容，总结该气体探测集成模块的优点和不足之处，以及未来该模块可升级、拓展的方向。2 气体探测集成模块整体方案设计2.1 气体探测集成模块概述气体探测集成模块是利用多种气体传感器配合调整电路，检测出目标气体浓度和空气质量的设备，并能将数据打包发送至上位机，由上位机与远端进行配合处理用于大气数据网络系统中。该模块的组成部分主要为：电源、控制电路、传感器。（1）电源：给所有的电路元件供电。（2）控制电路部分：接收传感器发送出来的电信号，经过处理得出来浓度数值并将所得数据打包发送至上位机的部分。（3
21、）传感器部分： 直接作用于目标气体将气体浓度或周围空气质量转换成电流或电压信号，或是直接串口传输数值的电子器件。2.2 总体设计方案本设计是针对大气中气体探测、便携、精准、方便安装拆卸等需求，设计了一种能与上位机通讯的，可探测多种气体，适用于多种环境，可轻易携带并搭载在载具上的气体检测集成模块。该模块为大气网络系统中的一个硬件模块，操作员最终将在电脑软件页面上查看到由该模块探测并打包发送的所有气体浓度数据以及空气质量数值。由于该模块的应用特殊性，电源部分采用了外接电源的设计主控芯片采用了STM32F09RC。设计总体框架图如图2.1所示。图2.1 总体框架图2.3 设计要求该气体探测集成模块要
22、求能够快速准确地检测到目标现场多种目标气体的浓度值以及空气质量，并将这些数据以电压的形式进行放大、滤波、补偿等处理，将处理后的较为准确的数据再发送至单片机处理器处理，处理器经过运算后将所有数据打包发送至上位机，由上位机对所得数值按照国家标准进行安全、健康判断。在传感器布局方面需要考虑传感器之间的干扰情况以及气流方向，并将传感器所需要的电子元器件进行分散式布局，最大程度保证传感器所检测值为正确数值，并将单个传感器损坏后对其他传感器造成的影响降到最小。由于该模块工作环境的特殊性，需要最大程度避免电路或电路元件在工作中发生故障或烧毁，产生火花，以避免在具有可燃气的现场探测时发生爆炸事故。该模块需要能
23、应对尽可能多的现场，因此不能使用单一工作原理的传感器，避免某种工作原理或方法受干扰时，传输的所有数值都为错误值。例如检测甲烷、可燃气和工业燃气所用的催化燃烧式传感器这类传感器，它们的检测原理为碰到敏感气体时会发生化学反应，通过该化学反应所产生的热量，改变热敏电阻阻值，进而通过热敏电阻阻值与参照电阻的阻值对比从而输出一个对于敏感气体浓度的电学信号。此测量原理具有线性好、敏感度高、精度准的优点，但此测量原理产生的耗能相对于电化学传感器而言是比较大的；即便如此，为了避免环境对单一工作原理的传感器造成干扰，在本次设计中保留了这类传感器。3 硬件电路设计3.1 主控芯片3.1.1 芯片介绍作为整个模块的
24、控制核心，主控芯负责整个系统的数据采集、处理等各种操作。本模块采用了意法半导体公司于2014年出的STM32F091作为主控芯片,该芯片用的是ARM Cortex-M0微控制器。在当今2020年，该芯片市仍旧具有场价格实惠、功能相对同价位其他芯片更为强大的优点，拥有最高256KB的闪存和32KB的SRAM存储器，具有8个USART，能满足气体探测集成模块所需的多种传感器传值要求。3.1.2 主芯片外围电路设计STM32F091上拉3.3V电源作为复位电路，每次通电后会自动复位，所用晶振为8MHz，设计时添加了一个LED灯以便直观判断单片机是否供电成功。STM32F091一共八个串口，将串口1设
25、定为于上位机通讯串口，其余七个串口分别对应PM2.5、空气质量模组、一氧化碳、二氧化硫、工业燃气、甲烷、可燃气七个传感器。晶振作为单片机的时钟信号源，直接决定了系统整体的稳定性，单片机所执行的每一个操作都是建立在晶振产生的时钟频率基础上，气体探测基础模块的设计选用了频率为8MHz的贴片晶振。在主控芯片的每个电源引脚外都至少要接入一个0.1uF的滤波电容，此外在晶振的两端分别接入8pF的负载电容。图3.1 主控芯片外围电路3.2 传感器电路设计及介绍3.2.1 电化学式气体传感器工作原理电化学气体传感器的工作原理是目标气体在传感器内部的电解液中，与工作电极和对电极发生化学反应，产生电流信号1。电
26、化学传感器的电极组成为参考电极、对电极和工作电极；传感器工作时，内部化学反应会导致工作电极上的电位不断变化，长时间工作后会影响传感器的灵敏度，可能导致该电化学传感器测量数据与实际浓度有误差。因此，引入了一个通过电流极小或没有的参考电极，为工作电极提供一个稳定的电位，使其稳定性更高。被测目标气体在传感器内部的工作电极上发生化学反应时，由反应与传感器内部电路配合，会产生与被测气体浓度成比例的电流信号。电化学传感器检测气体浓度时，不需要外部额外供电，其自身通过反应便可产生电流信号，将发送出来的电流信号经过处理后便可得到对应的气体浓度信息。3.2.2 电化学传感器电路设计及介绍该气体探测集成模块所用的
27、气体探测元件为电化学传感器，采用ME2-CO型传感器探测气体为一氧化碳，ME3-H2S传感器探测气体为二氧化硫2。其实物图如图3.2所示，电化学传感器经典信号调理电路图如图3.3所示图3.2 电化学传感器图3.3 电化学传感器经典信号调理电路图测量二氧化硫的ME3型传感器带有三个引脚，分别为工作电极，对电极和参考电极，其测试电路图如图3.4所示。放大器采用AD8572对ME3-H2S传感器的输出信号进行放大处理，AD8572具有超低失调、漂移和偏执电流特性，采用2.7至5V单电源可稳定工作，由于气体测量需要尽可能准确的数值，AD8572的失调电压极低,其失调电压漂移基本可以忽略，非常符合气体探
28、测准确性要求。为保证ME3-H2S能在短时间内对目标气体做出反应，便于提高移动测量时数据的准确程度，在工作电极与参考电极之间加了一个场效应管，将其设置为低电平导通，并将工作电极与对电极设计成在模块断电时短路。当系统运作时，外部供电，此时效应管栅极为高电平，原通路断开，传感器恢复正常工作。图3.4中的C1、C2、C3、C4均为滤波电容。由于气体探测集成模块设计时对每个传感器供电都为5V，因此该电路设计需要添加降压模块将5V电压转换为稳定的3.3V电压给场效应管和放大器供电，设计采用了MCP1700与MAX660为AD8572和场效应管供电。图3.4 ME3-H2S测试电路测量一氧化碳的ME2型传
29、感器没有参考电极，原因是一氧化碳传感器具有制作工艺成熟，线性度高等优点，已经能满足市面上常规气体检测仪的要求，无需再为其添加一个参考电极，其测试电路图如图3.5所示。由于电化学传感器工作时不需要外部电路供电，设计仅将ME2-CO传感器输出信号做放大处理，采用OPA333放大器对ME2-CO所输出信号做放大处理，该放大器在工作电压为5V时可输出范围最大为30mV至4.97V。图3.5 ME2-CO测试电路3.2.3 催化燃烧式气体传感器工作原理催化燃烧式气体传感器的工作原理是利用目标气体（可燃气）在元件内部的催化剂催化作用下，发生燃烧发热反应，产生的热量影响热敏电阻阻值，从而得到一定数值。由检测
30、单元和补偿单元构成惠斯通电桥如图2.2所示。图2.2 惠斯通电桥原理图催化燃烧式传感器在未检测到可燃气体时，通过调节电阻R3使得此时电桥输出电压为0。当该传感器在具有甲烷、工业燃气的环境下工作时，在催化剂的作用下，在检测元件表面会发生化学反应，化学反应产生的热量使得元件内部温度升高，从而热敏电阻阻值上升，电桥的平衡被破坏，输出一个与可燃气浓度成正比的电平信号V，通过对该电信号进行设计处理，从而得到目标可燃气的浓度数值。催化燃烧式的优点为进度高、线性好、价格便宜，且仅对目标可燃气有反应，非可燃性气体不会影响其工作，湿度影响也极小；但由于其反应为高温反应，使用时间长后其表面会积碳，表面金属颗粒变大
31、等因素使得传感器内部催化剂活性降低，催化剂活性直接决定了传感器灵敏度，一般认定催化燃烧式传感器的灵敏度降为50%时，该传感器输出数值不再有用。因此催化燃烧式气体传感器的寿命较短，一般使用寿命不足两年，将传感器使用在设备上时，需要考虑设备的维护时间，定期更换传感器。催化元件表面反应方程式如图2.3所示。图2.3 催化元件表面反应方程式从图2.3可知，发生化学反应时，在传感器的表面会有碳生成。这种现象称为积碳，该现象形成是一个缓慢的过程，会使得传感器灵敏度逐渐降低，直至传感器灵敏度低于50%后判为传感器失效。3.2.4 催化燃烧式传感器电路设计及介绍检测甲烷、可燃气所用的气体传感器选用型号为MC1
32、05型的催化燃烧式传感器，其实物图如图3.6所示；而检测工业燃气所用的气体传感器为型号为MC119型催化燃烧式传感器，其实物图如图3.7所示。MC105和MC119的生产公司都为炜盛公司。图3.6 MC105实物图图3.7 MC119实物图MC105和MC119型气体传感器的检测原理为催化燃烧效应，采用电路为惠斯通电桥，电桥中的桥臂上组成分别为检测元件和补偿元件，传感器的温湿度补偿便是补偿元件提供的。该类传感器的目标气体多为可燃气，遇到目标气体时，在传感器表面催化剂作用下，气体在传感器发生燃烧发热反应，所产生的热量影响使得电阻阻值升高，引起传感器输出的电压变化，该电压变化与可燃气气体浓度有比例
33、关系，只需对传感器输出电压进行放大处理即可计算出检测现场的目标气体大小。两种传感器技术指标如下表3.1所示。表3.1 MC105和MC119技术指标由表3.1可知，MC105和MC119两种型号的催化燃烧式传感器需要的工作电压为2.5V直流电压。为了抑制传感器电路中极与极直接耦合产生的零点漂移，输入极需要采用差动放大，再将放大后电压信号发送至单片机处理，进行数模转换。在转换后再处理即可得到相应的气体浓度数据。催化燃烧式传感器电路设计如图3.7所示。图3.7 催化燃烧式传感器电路设计在本气体探测集成模块中，催化燃烧式传感器需要将5V电压降为2.5V再给传感器供电。因此采用AMS1117-2.5V
34、将5V电源降为2.5V电源，如图3.8所示。其中二极管的作用是为防止电源反接造成元器件损坏或烧毁，C7、C4、C5、C6为电源滤波电容。图3.8 催化燃烧式传感器电源电路3.2.5 激光粉尘传感器工作原理激光传感器空气通过风扇将空气吸入传感器内部，通过该传感器内部特殊设计的风道，进行粉尘检测。其光源使用激光二极管，当空气中的细颗粒物进入激光束所在区域时，会导致激光散射；在传感器的检测区域内全方位都将有散射光，且散射光的强度与粉尘浓度有直接关系3。在合理的区域布置光电探测器，使光电探测器仅能接收到散射光，光电探测器接收到散射光后，内部发生的光电效应会产生电流信号，经过设计好的电路处理后，即可得到
35、0.3um细颗粒物浓度值。输出信号一般为串口输出。激光粉尘传感器可以检测0.3um以上的颗粒，且该传感器集成度高，性能好，利用风扇可保证传感器内部时刻有充足气体，经过专业颗粒算法分析后可将测得数据直接通过串口输出。目前多用于PM2.5测量。3.2.6 激光粉尘传感器介绍大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，也就是当今人们普遍关心的PM2.5值。检测PM2.5值所用的传感器为ZH03B激光粉尘传感器，是炜盛公司集成好的产品，其实物图如图3.9所示。该传感器具有良好的一致性、稳定性，且具备串口和PWM输出同时输出能力，因此不需要额外对其做电路设计，仅在外部接线部分做转接处理即
36、可。图3.9 ZH03B激光粉尘传感器实物图ZH03B激光粉尘传感器技术指标如表3.2所示。表3.2 ZH03B激光粉尘传感器技术指标3.2.6 空气质量模组介绍空气质量模组采用的是炜盛电子科技公司生产的ZP07-MP503型模组，该模组对CH4、CO、H2、NH3等有机挥发气体具有极高的灵敏度，模组经过老化和调试后，再进行标定、校准，可具有优秀的一致性和极高的灵敏度。其实物图如图3.10所示。该模组与上述ZH03B激光粉尘传感器一样，不需要额外电路设计，仅需要在外部接线部分做转接处理。图3.10 空气质量模组实物图ZP07-MP503空气质量模组技术指标如表3.3所示。表3.3 ZP07-M
37、P503空气质量模组技术指标3.3 电源电路设计一直以来，便携式电子产品的设计一直以降低系统整体功耗，增强设备续航能力，产品便携程度为业内研发的主要方向。不仅在元件选型上选用低功耗、体积小的芯片、元件等，在电源的管理电路设计上也十分重要。由于本气体探测集成模块主要针对无人机或其他小型移动载具合作使用，此类载具多数具有给予额外设备供电12V的预留接口，因此本模块直接采用外部供电的方式，以便减小整个模块的体积，保证供电稳定。如需要进行手持探测时，也可将对应电压电池接入供电口，并将电池置于设备电池位上。本气体探测集成模块电源部分采用12V外部供电，通过MP1593将电源先降压为5V电源。本模块最终使
38、用的元件众多，且一部分气体探测传感器对热量敏感，需要一个能满足输入12V，输出5V，且输出电流较大情况的，且还需要考虑工作12h也不会产生太大热量的降压IC。MP1593刚好能满足以上所有条件，而且其本身体积小，非常有利于模块整体的大小。MP1593典型外部应用电路及部分内部原理图如图3.11所示。图3.11 MP1593典型外部应用电路及部分内部原理图本气体探测集成模块电源电路设计如图3.12所示。在MP1593的基础上添加了AMS1117-3.3将5V电源降为3.3V电源，给其他元件供电。并增加了一个LED灯，用于直观判断电源模块是否正常工作。图3.12 电源电路设计3.4 数据传输电路设
39、计由于传感器的工作原理不同，传输出来的信号种类多，不方便处理。且本气体探测集成模块设计目的是将传感器模块化，使其可以便于更换。因此，将所有气体传感器的数据统一用485总线传输，对STM32的每一个串口都添加一个SP3485芯片对其进行处理，如图3.13所示。此外，在部分传感器上也作对应处理，方便直接更换气体传感器。图3.13 数据传输电路设计且每一个串口都配有一个LED灯，用于直观判断对应传感器是否正常工作，如图3.14所示。图3.14 串口LED3.5 传感器布局设计及PCB制板3.5.1 传感器布局设计要求由于该气体探测集成模块所用气体传感器工作原理多样，检测气体多样，传感器数量多，因此气
40、体探测集成模块的布局设计应先考虑以下要素：（1）气体流量需要同时满足七个传感器的探测需求。（2）气体流向应保持单一，已检测过或参加过化学反应的气体应尽可能保证不被二次检测或发生化学反应，避免产生错误数据。（3）传感器与模块中的电子元件存在故障、烧毁的可能性，设计需要考虑任意一个传感器发生故障或烧毁情况，都不会对其他传感器造成严重或长时间的影响。（4）传感器的摆放稳定性，每一个传感器都需要固定在模块对应位置，避免在与载具进行合作测试时，发生意外情况，造成严重后果。（5）模块的发热部分在布局上，需远离对热量敏感的传感器，避免产生错误的检测数据。（6）需要考虑每一个传感器对工作环境的要求，利用不同传
41、感器摆放布局，尽可能避免传感器在高浓度特殊或干扰气体环境下工作。3.5.2 PCB制板设计PCB（印制电路板）作为整个电路的支撑，是整个电路系统抗干扰能力的强弱的决定性因素。为了减小因PCB设计缺陷导致的信号干扰问题，避免其影响所得数据的准确性，提高电路系统的性能，绘制PCB时默认需要遵循以下一般性原则。（1）PCB元件布局时，应以芯片为中心，向外进行其他元器件的布局；当芯片需要接通电源时，对应的去耦电容不能距离芯片的电源引脚过远，应就近布置以减小干扰。易受干扰的元件距离尽可能远，输入输出端之间不宜过近。（2）PCB布线时，最基本要求为电源线要求足够粗，且不宜过长。电源线和地线距离尽量拉近，减
42、少环路面积。布线时折线不能采用直角，更不能出现锐角。模拟地和数字地需要分开，可用零欧电阻连接。晶振不得距离使用晶振的元器件过远，以免产生干扰。根据以上要求，画出气体探测集成模块PCB板如下图3.15。图3.15 气体探测集成模块PCB图模块内部采用抽吸式进风方式，风向示意如图3.16所示。气体流量最小为2.5L/分钟，能同时满足七个传感器检测。气体探测集成模块板中电源部分在PCB板的右下方，故将对热量较为敏感的催化燃烧式传感器放在PCB板的左边以及左上方。其中MC119较为稳定，且后续需要其作为一个参考值，在多次考虑和布局重组后，还是将其放在图中工业燃气区域。图3.16 模块内部风向示意图由图
43、3.16，将PCB板中传感器随风向自右往左分为四列，第一列为ZH03B激光粉尘传感器，其自带一个抽吸式风扇，将刚进入未发生任何反应的空气抽入传感器中进行PM2.5检测，有利于PM2.5数值准确性。第二列为MC119催化燃烧式传感器与ME3-H2S电化学传感器，因催化燃烧式传感器在高浓度二氧化硫环境下会与引脚反应且损坏，因此将ME3-H2S传感器与MC119传感器并列排放在第二列，作为第一批发生反应的传感器，以获取最准确的二氧化硫浓度，保证设备安全。第三列为ME2-CO电化学传感器与ZP07-MP503空气质量模组，因ME3-H2S传感器的敏感气体对ME2-CO传感器影响极小，遂将其ME2-CO
44、传感器放在ME3-H2S传感器后方；而MC119传感器所检测的工业燃气中可能含少量工业燃气，但并不会对Z907-MP503传感器造成影响，因此布局仍旧合理。最后一列为两个MC105催化燃烧式传感器，其测量的目标气体一致，由于该设计仍在设计初级阶段，因此这两个传感器主要作为对照组使用，对比观测气流带来的影响和其他传感器带来的影响，后期可根据需求更换传感器。4 软件系统设计4.1 系统软件开发环境介绍软件开发环境采用的是Keil MDK V5,也称Keil uVision5，以下简称为Keil5。是Keil公司推出主要针对ARM内核单片机开发的软件，是当今ARM内核单片机开发的主流工具之一，其上手
45、容易，功能强大，使用方便，针对不同的单片机，还有不同类型的软件如Keil C51。Keil5同时兼容了Keil MDK-ARM uVision4，使得以前的项目同样可以在Keil5上进行开发，不需要因为开发版本不同而使用两个版本的软件。同时，Keil5加强了针对Cortex-M微控制器开发的支持。Keil5目前主要用于C语言编译，同时也可编译汇编和C+语言。而本次气体探测集成模块采用的主控芯片为STM32F091系列芯片，使用针对ARM内核单片机开发的Keil5软件非常合适。通过仿真器可直接使用ST-LINK将程序烧写至单片机内，进行在线调试，同时Keil5可根据需要模拟各种ARM内核和外部设
46、备，而不需要任何外部硬件支持。图4.1为Keil MDK v5的工作页面。图4.1 Keil MDK V5软件的工作页面气体探测集成模块采用ST意法公司的STM32F091系单片机，使用Keil公司开发推出的Keil MDK V5软件，可轻松进行程序编写和在线调试，方便以后版本升级的修改和调试。4.2系统主程序设计气体探测集成模块的软件部分采用C语言编写，主要对实现功能的划分，采用模块化编写的方式，该模块主程序流程图如图4.2所示。图4.2 主程序流程图气体探测集成模块通电后，系统自动初始化。系统初始化之后会对传感器发生激活命令，判断传感器是否处于工作状态，若自检正常，LED灯亮起，开始采集空
47、气质量、可燃气、工业燃气、一氧化碳、二氧化硫、甲烷以及PM2.5数值，并进行A/D转换和数据处理，将处理好的数据打包发送至上位机，由上位机再进行数据判断和处理，最终上位机将数据发送至大气数据网络系统。在设备通电，传感器正常情况下，主程序将一直循环执行。5 气体探测集成模块测试5.1气体探测集成模块综合测试结果对气体探测集成模块结合项目进行综合测试，测试结果如下列图5.1、图5.2所示：图5.1 综合测试PM2.5结果图5.2 综合测试空气质量结果上图中色温图中表示的气体数据便是由气体探测集成模块所采集的气体数据信息，经过信息采集处理模块判断处理后将GPS、载具状态（可选）、气体数据、工作状态等
48、等情况发送至PC端软件。由图5.1以及图5.2可知，从测试结果看，气体探测集成模块已初步完成设计目标；其可稳定、准确、实时地将所采集的多种气体信息发送至上位机，由上位机做进一步处理。5.2 合作测试所使用的载具无人机介绍气体探测集成模块与信息采集处理模块通常选用无人机作为载具，用于探测城市上方或目标地点上方大气情况。由于气体检测设备便捷、轻盈，可选用的无人机有非常多种，这里只列举较稳定，且专业领域用的较多的大疆M600无人机做简单介绍。大疆M600实物如图5.2所示。图5.2 大疆M600大疆M600具有非常优秀的飞行稳定性，且其整体轻便，续航时间长，单次合作进行气体测量可连续工作100分钟，有重要的是其配有稳定的12V外部设备供电口，可直接使用该供电口为气体探测设备供电。其