论文部分内容阅读
摘 要：本系统设计了一种基于STM32的氧偏压环境静态配气测试系统。基于目前市场上推出的VOC气体传感器以及气敏材料研究过程中所制备的新材料，我们研究了它在非氧环境下的气敏特性和温度特性等，为后续非氧环境下的气敏材料研究及气敏材料制备和应用提供了资料和数据。系统采用STM32F103ZET6作为处理器，其作为现代工业领域广泛运用的一款高性能单片机，具有丰富的硬件资源和很高的数据处理速度。
关键词：非氧环境；VOC传感器；STM32；LabVIEW；温度检测
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）10-00-04
0 引 言
进入20世纪80年代以来，传感器技术的革新对社会发展、科学进步起到了决定性作用，尤其是在补偿技术、网络化技术、智能技术、多功能复合技术等传感器领域有了突破性的进展[1]。随着传感器技术的不断革新，传感器配气测试系统的发展也提出了不同的要求。在国内外市场上推出的传感器配气测试系统中，主要研究气体传感器在有氧环境下的气敏特性。然而，在单独的有氧环境下进行气体检测并不能满足当今社会发展的需要。因此，根据传感器技术研究的发展需求[2]，我们应该对氧偏压环境下气体传感器检测技术投入更多的关注和研究。
就目前国内对配气测试系统的研究情况而言，对氧偏压环境气敏传感器测试的静态配气系统少之又少。美、德、日等工业发达国家的传感器技术较为领先，但不足之处也尤为明显[3]。本项目设计的氧偏压环境静态配气测试系统主要运用于各大高校实验机构、企业、生物医药领域、工业领域等。
1 硬件系统设计
氧偏压静态配气测试系统的硬件设计主要包括真空气泵、反应室、电源、显示模块、STM32系统控制、人机交互显示界面等，其原理图如图1所示。反应室内做成一个30×30×30的正方体，以方便计算气体体积。
2 控制系统设计
控制系统的设计主要涉及控制芯片的选型，在本次设计中，控制芯片的选型主要有几种方案可选。
2.1 利用51系列单片机
采用51系列单片机，主要有89C51系列、89S51系列，两者程序基本兼容。该单片机应用广泛，而研究相对完善且编程简单，但单片机接口较少，资源不足。
2.2 利用ARMV7构架内核STM32处理器
采用基于ARMV7架构内核的STM32处理器。该微处理器不仅数据处理精度高，且运行速度非常快，最高工作频率为72MHz，自带3个12位逼近型AD转换器，每个AD转换器多达16个通道。
2.3 利用PLC可编程逻辑控制器
利用PLC可编程逻辑控制器与相应的外围电路来实现整个装置的监测与控制。其优点在于功能强、可靠性高；缺点在于其设备的可靠性、实时性和稳定性都较差。
本次课题的控制系统主要采用STM32F103芯片。该芯片具有64 KB SRAM、512 KB Flash、2个基本定时器、4个通用定时器、3个12位ADC，1个12DAC、1个FSMC接口及112个通用IO口等丰富资源。在本次设计中，采用BOOT电路的启动模式设置端口电路，由BOOT0和BOOT1启动选择引脚，由选择复位后STM32的启动模式，可通过跳线帽来。一般情况下，如果我们想要用串口下载代码，则必须设置BOOT0为1，BOOT1为0，而若想让STM32一按复位键就开始运行代码，则需要配置BOOT0为0，BOOT1则随便设置[4]。
2.4 温湿度传感器调理电路
本文设计的氧偏压环境静态配气测试系统主要采用温湿度传感器DHT11。这款传感器采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，通过4个引脚与单片机相连。DS18B20内部结构图如图2所示。
2.5 气敏传感器调理电路
在本文设计的氧偏压环境静态配气测试系统中所用的气敏传感器以MQ-3型酒精传感器为主。使用简单的电路即可将导电率的变化转化为该气体浓度响应的输出信号[5]。其电路原理图如图3所示。
由图3可知，J1外接传感器加热丝供电电压，提供传感器适合的工作温度并检测传感器在不同温度时所表现的气敏特性和温度特性。J2外接气敏传感器外接电阻，调节气敏传感器的敏感度，为了调节串联电阻的大小，把需要用到的电阻用跳线帽短接起来，以方便在试验中频繁更换电阻。气敏传感器配阻模块如图4所示。
3 显示电路
在本次设计中，系统显示电路采用一块7寸的TFT彩屏显示器作为人机交互界面，它具有很庞大的数据处理能力，采用2×17的2.54排针与外部连接。LCD的接口定义如图5所示。
本文中用到了FSMCS设计，它是一种灵活的静态存储控制器，支持8/16/32位数据宽度，该TFTLCD的操作时序与SRAM的控制类似[6]。
4 系统软件设计
系统软件的设计分为上位机软件设计和下位机软件设计。下位机软件在keil环境下用C语言编程。上位机软件则用基于图形化语言的的LabVIEW语言编程，把下位机控制系统处理后的数据发送给上位机，实时跟踪气敏传感器的工作特性。
4.1 下位机主程序设计
下位机主程序的设计首先对串口、时钟、AD转换器、字库，显示等进行初始化，当所有模块都初始化成功后则进行按键扫描，若检测到按键按下，则系统进入while循环，进入AD转换中断程序获取当前四个气敏传感器的气敏响应特性值和当前测试环境的温度值。主程序流程图如图6所示。
4.2 数据采集程序设计
在STM32进行数据采集时，必须对ADC转换的相关寄存器进行配置，首先使能ADC1和相应的GPIO口。再使能ADC1的通道时钟RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_ADC1，ENABLE）；。配置好各参数后进行AD转换，设置n次转换的结果累加并保存，然后取平均值[7]。 以下是ADC经过n次转换后将结果求平均值的主要函数代码：
u16 Get_Adc_Average（u8 ch，u8 times）
{
u32 temp_val=0；
u8 t；
for（t=0；t {
temp_val =Get_Adc（ch）；//经过n次累加后的结果存放在temp_val中
delay_ms（5）；
}
4.3 液晶显示程序设计
在本设计中使用7寸TFTLCD显示模块，该模块采用16位的8080并行方式与外部连接，该液晶屏具有显示数据量大、真彩度高、速度快等优点。模块的80并口具有如下信号线：
CS：TFTLCD片选信号。
WR：向TFTLCD写入数据。
RD：从TFTLCD读取数据。
D[15：0]：16位双向数据线。
RST：硬复位TFTLCD。
RS：命令/数据标志（0：读写命令；1：读写数据）。
该模块的8080并口读/写过程定义为：首先根据要写入/读取的数据类型设置DC为高（数据）/低（命令），然后拉低片选信号，选中LCD控制器，接着根据读数据或写数据的要求把RD/WR置为低，最后在RD的上升沿到来时，把数据锁存到数据线（D[7：0]）上；在WR的上升沿到来时，把数据写入SSD1306中。
通过以上资料介绍，我们大概可以知道配置LCD需要以下几个步骤：
（1）设置STM32与TFTLCD模块相连接的IO。
（2）初始化TFTLCD模块。
（3）通过函数将字符和数字显示到TFTLCD模块上。
4.4 串口传输程序
串口传输程序主要包括串口的初始化设置、波特率、停止位、起始位等参数数值，一般串口波特率设置为9 600[8]。在本设计中引入printf函数，通过调用该函数可直接向上位机发送数据，该函数的输出格式为printf（“<格式化字符串>”，<参量表>）。串口数据发送的程序流程图如图7所示。
5 上位机系统软件
在本次设计中，上位机系统软件设计主要使用容易编程的LabVIEW语言进行上位机软件编写。上位机软件分为程序框图和前面板两大部分。在前面板可视化界面中可设置串口的相关配置，如波特率、数据位、奇偶校验位等[9]。
5.1 上位机串口通信程序设计
在LabVIEW串口设计中，先对VISA串口进行配置，主要涉及属性节点、VISA读取和简单错误处理等几部分。图8所示为VISA配置串口节点，图9所示为串口缓冲区读取节点，图10所示为BytesatPort属性节点，加上该属性节点之后程序就不用再等待字节发送完毕[8]。
5.2 上位机主程序设计
主程序的设计主要实现对下位机发送过来的数据进行数据处理和显示，包括字符串的截取、数据类型的转换、数据的存储及实时数据和历史数据的存储。根据设计要求，把发送回来的数据进行数据整合，分四个通道显示气敏传感器在非氧环境下的气敏响应特性值，每个通道设置成不同的颜色。图11所示为本次设计的主程序流程图。图12所示为空气中测试时气敏传感器的响应特性曲线。图13所示为在正常环境中通入100 ppm酒精时气敏传感机的响应特性。
由以上实验数据比较可知，在非氧环境中气敏传感器的响应时间更短，通入的气体越多，其响应也会越激烈。
6 结 语
本系统的设计实现了气敏传感器在非氧或氧偏压环境中对有毒有害气体测试的突破，为非氧环境的气体测试开辟了先河，突破了很多非氧环境检测领域的瓶颈。该系统的设计为各大高校和研究机构提供了材料积累和数据，成为各大高校非氧环境气敏传感器测试不可缺少的实验设备。上位机采用人性化的人机交互界面，不仅形象直观，还方便研究人员对气敏传感器的气敏特性做出明确判断。除了在科研领域的运用外，本系统还在航空航天、医疗、工业生产中得到了广泛的运用。
参考文献
[1]孔样铸.分析我国目前高效的井工开采技术与发展前景[J].科技致富向导，2012（5）.
[2]任玲，黄凤良.温度传感器动态特性研究方法分析及展望[J].仪表技术，2007（2）：50-52.
[3]黄强.微型甲烷检测报警仪的研制[J].西安科技大学学报，1997，17（3）：249-253.
[4]吴家平，沈建华.基于STM32微控制器的过采样技术研究与实现[J].计算机技术与发展，2010，20（2）：209-212.
[5]付华，刘娜，周坤，等.基于ATMEGAI6的便携式瓦斯检测仪[J].传感技术学报，2012，25（9）：1322-1326.
[6]鲁开林，吴孔平，李琳，等.基于STM32矿工帽的体温采集存储系统设计[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2015，35（1）：24-27.
[7]吴家平，沈建华.基于STM32微控制器的过采样技术研究与实现[J].计算机技术与发展，2010，20（2）：209-212.
[8]Soumen Das， V. Jayarman. SnO2：A comprehensive review on structures and gassensors [J]. Progressin Materials Science 2014，66：112-255.
[9]耿国磊，别红霞.基于Lab VIEW的高阻自动测量系统[J].电子测量与仪器学报，2009，23（3）：70-75.
[10]李培咸，郝跃.用于高质量In Ga N/Ga N MQWs制备的MOCVD配气系统[J].真空科学与技术学报，2006，26（4）：313-316.
关键词：非氧环境；VOC传感器；STM32；LabVIEW；温度检测
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）10-00-04
0 引 言
进入20世纪80年代以来，传感器技术的革新对社会发展、科学进步起到了决定性作用，尤其是在补偿技术、网络化技术、智能技术、多功能复合技术等传感器领域有了突破性的进展[1]。随着传感器技术的不断革新，传感器配气测试系统的发展也提出了不同的要求。在国内外市场上推出的传感器配气测试系统中，主要研究气体传感器在有氧环境下的气敏特性。然而，在单独的有氧环境下进行气体检测并不能满足当今社会发展的需要。因此，根据传感器技术研究的发展需求[2]，我们应该对氧偏压环境下气体传感器检测技术投入更多的关注和研究。
就目前国内对配气测试系统的研究情况而言，对氧偏压环境气敏传感器测试的静态配气系统少之又少。美、德、日等工业发达国家的传感器技术较为领先，但不足之处也尤为明显[3]。本项目设计的氧偏压环境静态配气测试系统主要运用于各大高校实验机构、企业、生物医药领域、工业领域等。
1 硬件系统设计
氧偏压静态配气测试系统的硬件设计主要包括真空气泵、反应室、电源、显示模块、STM32系统控制、人机交互显示界面等，其原理图如图1所示。反应室内做成一个30×30×30的正方体，以方便计算气体体积。
2 控制系统设计
控制系统的设计主要涉及控制芯片的选型，在本次设计中，控制芯片的选型主要有几种方案可选。
2.1 利用51系列单片机
采用51系列单片机，主要有89C51系列、89S51系列，两者程序基本兼容。该单片机应用广泛，而研究相对完善且编程简单，但单片机接口较少，资源不足。
2.2 利用ARMV7构架内核STM32处理器
采用基于ARMV7架构内核的STM32处理器。该微处理器不仅数据处理精度高，且运行速度非常快，最高工作频率为72MHz，自带3个12位逼近型AD转换器，每个AD转换器多达16个通道。
2.3 利用PLC可编程逻辑控制器
利用PLC可编程逻辑控制器与相应的外围电路来实现整个装置的监测与控制。其优点在于功能强、可靠性高；缺点在于其设备的可靠性、实时性和稳定性都较差。
本次课题的控制系统主要采用STM32F103芯片。该芯片具有64 KB SRAM、512 KB Flash、2个基本定时器、4个通用定时器、3个12位ADC，1个12DAC、1个FSMC接口及112个通用IO口等丰富资源。在本次设计中，采用BOOT电路的启动模式设置端口电路，由BOOT0和BOOT1启动选择引脚，由选择复位后STM32的启动模式，可通过跳线帽来。一般情况下，如果我们想要用串口下载代码，则必须设置BOOT0为1，BOOT1为0，而若想让STM32一按复位键就开始运行代码，则需要配置BOOT0为0，BOOT1则随便设置[4]。
2.4 温湿度传感器调理电路
本文设计的氧偏压环境静态配气测试系统主要采用温湿度传感器DHT11。这款传感器采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，通过4个引脚与单片机相连。DS18B20内部结构图如图2所示。
2.5 气敏传感器调理电路
在本文设计的氧偏压环境静态配气测试系统中所用的气敏传感器以MQ-3型酒精传感器为主。使用简单的电路即可将导电率的变化转化为该气体浓度响应的输出信号[5]。其电路原理图如图3所示。
由图3可知，J1外接传感器加热丝供电电压，提供传感器适合的工作温度并检测传感器在不同温度时所表现的气敏特性和温度特性。J2外接气敏传感器外接电阻，调节气敏传感器的敏感度，为了调节串联电阻的大小，把需要用到的电阻用跳线帽短接起来，以方便在试验中频繁更换电阻。气敏传感器配阻模块如图4所示。
3 显示电路
在本次设计中，系统显示电路采用一块7寸的TFT彩屏显示器作为人机交互界面，它具有很庞大的数据处理能力，采用2×17的2.54排针与外部连接。LCD的接口定义如图5所示。
本文中用到了FSMCS设计，它是一种灵活的静态存储控制器，支持8/16/32位数据宽度，该TFTLCD的操作时序与SRAM的控制类似[6]。
4 系统软件设计
系统软件的设计分为上位机软件设计和下位机软件设计。下位机软件在keil环境下用C语言编程。上位机软件则用基于图形化语言的的LabVIEW语言编程，把下位机控制系统处理后的数据发送给上位机，实时跟踪气敏传感器的工作特性。
4.1 下位机主程序设计
下位机主程序的设计首先对串口、时钟、AD转换器、字库，显示等进行初始化，当所有模块都初始化成功后则进行按键扫描，若检测到按键按下，则系统进入while循环，进入AD转换中断程序获取当前四个气敏传感器的气敏响应特性值和当前测试环境的温度值。主程序流程图如图6所示。
4.2 数据采集程序设计
在STM32进行数据采集时，必须对ADC转换的相关寄存器进行配置，首先使能ADC1和相应的GPIO口。再使能ADC1的通道时钟RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_ADC1，ENABLE）；。配置好各参数后进行AD转换，设置n次转换的结果累加并保存，然后取平均值[7]。 以下是ADC经过n次转换后将结果求平均值的主要函数代码：
u16 Get_Adc_Average（u8 ch，u8 times）
{
u32 temp_val=0；
u8 t；
for（t=0；t
temp_val =Get_Adc（ch）；//经过n次累加后的结果存放在temp_val中
delay_ms（5）；
}
4.3 液晶显示程序设计
在本设计中使用7寸TFTLCD显示模块，该模块采用16位的8080并行方式与外部连接，该液晶屏具有显示数据量大、真彩度高、速度快等优点。模块的80并口具有如下信号线：
CS：TFTLCD片选信号。
WR：向TFTLCD写入数据。
RD：从TFTLCD读取数据。
D[15：0]：16位双向数据线。
RST：硬复位TFTLCD。
RS：命令/数据标志（0：读写命令；1：读写数据）。
该模块的8080并口读/写过程定义为：首先根据要写入/读取的数据类型设置DC为高（数据）/低（命令），然后拉低片选信号，选中LCD控制器，接着根据读数据或写数据的要求把RD/WR置为低，最后在RD的上升沿到来时，把数据锁存到数据线（D[7：0]）上；在WR的上升沿到来时，把数据写入SSD1306中。
通过以上资料介绍，我们大概可以知道配置LCD需要以下几个步骤：
（1）设置STM32与TFTLCD模块相连接的IO。
（2）初始化TFTLCD模块。
（3）通过函数将字符和数字显示到TFTLCD模块上。
4.4 串口传输程序
串口传输程序主要包括串口的初始化设置、波特率、停止位、起始位等参数数值，一般串口波特率设置为9 600[8]。在本设计中引入printf函数，通过调用该函数可直接向上位机发送数据，该函数的输出格式为printf（“<格式化字符串>”，<参量表>）。串口数据发送的程序流程图如图7所示。
5 上位机系统软件
在本次设计中，上位机系统软件设计主要使用容易编程的LabVIEW语言进行上位机软件编写。上位机软件分为程序框图和前面板两大部分。在前面板可视化界面中可设置串口的相关配置，如波特率、数据位、奇偶校验位等[9]。
5.1 上位机串口通信程序设计
在LabVIEW串口设计中，先对VISA串口进行配置，主要涉及属性节点、VISA读取和简单错误处理等几部分。图8所示为VISA配置串口节点，图9所示为串口缓冲区读取节点，图10所示为BytesatPort属性节点，加上该属性节点之后程序就不用再等待字节发送完毕[8]。
5.2 上位机主程序设计
主程序的设计主要实现对下位机发送过来的数据进行数据处理和显示，包括字符串的截取、数据类型的转换、数据的存储及实时数据和历史数据的存储。根据设计要求，把发送回来的数据进行数据整合，分四个通道显示气敏传感器在非氧环境下的气敏响应特性值，每个通道设置成不同的颜色。图11所示为本次设计的主程序流程图。图12所示为空气中测试时气敏传感器的响应特性曲线。图13所示为在正常环境中通入100 ppm酒精时气敏传感机的响应特性。
由以上实验数据比较可知，在非氧环境中气敏传感器的响应时间更短，通入的气体越多，其响应也会越激烈。
6 结 语
本系统的设计实现了气敏传感器在非氧或氧偏压环境中对有毒有害气体测试的突破，为非氧环境的气体测试开辟了先河，突破了很多非氧环境检测领域的瓶颈。该系统的设计为各大高校和研究机构提供了材料积累和数据，成为各大高校非氧环境气敏传感器测试不可缺少的实验设备。上位机采用人性化的人机交互界面，不仅形象直观，还方便研究人员对气敏传感器的气敏特性做出明确判断。除了在科研领域的运用外，本系统还在航空航天、医疗、工业生产中得到了广泛的运用。
参考文献
[1]孔样铸.分析我国目前高效的井工开采技术与发展前景[J].科技致富向导，2012（5）.
[2]任玲，黄凤良.温度传感器动态特性研究方法分析及展望[J].仪表技术，2007（2）：50-52.
[3]黄强.微型甲烷检测报警仪的研制[J].西安科技大学学报，1997，17（3）：249-253.
[4]吴家平，沈建华.基于STM32微控制器的过采样技术研究与实现[J].计算机技术与发展，2010，20（2）：209-212.
[5]付华，刘娜，周坤，等.基于ATMEGAI6的便携式瓦斯检测仪[J].传感技术学报，2012，25（9）：1322-1326.
[6]鲁开林，吴孔平，李琳，等.基于STM32矿工帽的体温采集存储系统设计[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2015，35（1）：24-27.
[7]吴家平，沈建华.基于STM32微控制器的过采样技术研究与实现[J].计算机技术与发展，2010，20（2）：209-212.
[8]Soumen Das， V. Jayarman. SnO2：A comprehensive review on structures and gassensors [J]. Progressin Materials Science 2014，66：112-255.
[9]耿国磊，别红霞.基于Lab VIEW的高阻自动测量系统[J].电子测量与仪器学报，2009，23（3）：70-75.
[10]李培咸，郝跃.用于高质量In Ga N/Ga N MQWs制备的MOCVD配气系统[J].真空科学与技术学报，2006，26（4）：313-316.