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基于STM32F407和S-MODULE的在线多组分气体分析仪研制.pdf

更新时间：2019-08-19 09:40:09 大小：2M 上传用户：中国心ABC 查看TA发布的资源 标签：stm32f407 module 下载积分：2分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

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体积小精度高应用方便，是石化/矿井/环境监测领域有效工具

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2017焦

第2期

2017

No．2

仪表技术与传感器

and Sensor

Instrument

Technique

基于STM32F407和S-MODULE的在线多组分气体分析仪研制

程聪聪，王晓荣，张进明，许新岳，张超

(南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京211816)

摘要：针对智能制造大环境下对工业现场第一手数据高效获取的需求，研制了一款在线多组分气

体分析仪。仪器采用基于NDIR(非分光红外辐射)技术的数字传感器S—MODULE作为主要检测设备。

以STM32F407作为微控制器。完成了S—MODULE传感器驱动电路．温度控制和压力补偿电路的硬件方

案设计。同时完成了以嵌入式实时操作系统RT—Thread作为架构平台的软件框架设计和线程设计。

针对仪器结果受环境压力影响的状况，对仪器输出结果采用非线性拟合的方法进行校正。实验表明．

仪器具有较高的精度。

关键词：智能制造；STM32；多组分；在线分析；气体分析仪：NDIR

中图分类号：TP216

文献标识码：A

文章编号：1002—1841(2017)02—0031—04

of Online

Design

Based on STM32F407 and S__MODULE

Multi-gases Analyzer

CHENG _{Cong—eong，WANG}

Chao

Xiao—rong，ZHANG Jin-ming，XU Xin-yue，ZHANG

of Electrical

and Control

Tech

(College

Engineering

Science，Nanjing

University，Nanjing 211816，China)

at the demand for efficient access to

scene in the era of

the raw data of industrial

manufactur-

intelligent

Abstract：Aiming

online

was

device

S-MODULE_digitalsensor as main detection

ing，an

multi—gased analyzer

developed．The

applied

method，which

as the micro-

was based on

called

infrared

took

of STM32F407

chip

technology

radiation)．Device

driving circuit，temperature

were finished based on the embedded real· time

NDIR(non—dispersive

piece

the hardware

control and

cir-

S-MODULE，sensor

controller，finishing

cult．Software frame

design

pressure compensation

and thread

RT—Thread．Due to

design

result is affected

operation system

method is used to correct the

fitting

pressure，nonlinear

the fact that the instrument

the environment

output

measurement result．The

that

shows

the instrument has

experiment

hilgh precision．

Key words：intelligent manufacturing；STM32；multi—gases；online analysis；gas analyzer；NDIR

0引言

通人气体预处理系统去除样气中的水蒸气、灰尘颗粒

等会对测量结果产生干扰的因子，经过预处理的气体

从仪器的进气口通人传感器，传感器输出的信号通过

串口传输的方式送给微控制器，浓度信息由微控制器

进行解析。对于处理完的浓度信息，可以通过仪器携

带的一个带触摸功能的LCD实时显示，也可以通过通

信模块传输给上位机或者DCS。另外，可以根据仪器

中集成的控制算法通过仪器提供的继电器接口来控

制外部的报警灯、阀门等执行器动作。仪器工作流程

如图1所示。

2014年．智能制造在全球范围内引起广泛关

注[1]。要实现智能制造，离不开现场数据的高效获

取。一台好的在线分析仪器能够给生产制造过程提

供高效准确的第一手数据。目前，分析仪器厂商包括

西门子、通用电气等[2]，其设备价格比较昂贵，且人机

交互界面多为英文操作界面。另外，仪器的测量组分

方面往往比较单一。要实现多组分的测量可能需要重

新购买新的设备。这些因素都变相提高了企业实现智

能制造的成本。因此，需研制适合国内生产制造业使用

的在线多组分气体分析仪。以嵌入式领域主流高性能

芯片STM32F407芯片作为在线分析仪器的微控制器．

以微型化的数字红外传感器S-MODULE为主要检测设

备，配合全中文的操作界面，具有较高的精度。

1系统结构

仪器正常工作时，待分析气体经过气体采样系统

图1仪器工作流程

考虑到传感器输出的测量结果与环境压力和温

收稿日期：2016-04-29

万方数据

Feb．2017

表1 S—MODULE引脚功能描述

度相关[3】，为了测量结果的精确性，仪器本身提供了

恒温模块和压力补偿模块。仪器通过带触摸的LCD

向用户提供人机交互接口，用户可以通过触屏输人来

设定仪器内部的状态参数，包括根据使用现场环境来

微调PID控温参数、报警阈值，设置系统时钟，配合样

气进行仪器校准等。仪器通过FLASH模块存储用户

设定参数。以及仪器运行过程中状态记录信息等数

端口号

描述

V+：传感器电源电压6．0

GND：地

COM：双向端口用来进行数据通讯

OUTl：11L数字输出

OUT2：未使用

OUT3：未使用

^据。仪器厂^的整荪^体丽^功能仄^模孤^块丽^划分厂^如丽^图丽^2所匠^示。一

OUT4：未使用

串口收发模式，通过3号引脚进行收发复用，数据协议

MCU

数据采集单元H

H 通信接口

采用Modbus—Open协议。另外从通信稳定性角度出

发，采用TLPl81光电耦合器进行传感器信号与微控

制器信号的电气隔离。仪器通过提供4路传感器接

口，通过配置测量不同组分的s—MODULE模块，来实

I堡查盐堡苎垂I I墼塑查堡苎歪I I垫堡苎歪I

图2仪器功能模块

2硬件设计

现在线多组分测量。传感器电路如图4所示(以一路

接口为例)。

本仪器微控制器选用STM32F407芯片，该芯片集

成了ADC、DAC、定时器、SPI、USART等多种外设，是

一款嵌入式领域的高性能芯片。数据采集单元采用

基于NDIR技术的数字传感器S-MODULE。压力补偿

模块采用MPXH6250A压强传感器。测温模块采用

PTl00(三线制接法)，输出送给24位高精度ADC芯

片ADSl248。在测温环节采用片外的ADC模块，是为

了保证温度测量的精确性，从而保证控温环节的精确

性。最终保证样气浓度测量的精确性和一致性。仪器

显示屏采用OCM640480T560—2B彩色LCD模块，该

模块以RA8875为驱动芯片，提供电阻触摸功能。电

源方面根据各个模块不同的供电需求设计了电源模

组。仪器硬件框图如图3所示。

3：{、1

}h’¨ }

图4 S-MODULE传感器电路

图4中，TLPl81是中速型光耦，工作温度范围

～55～100

600

oC，波特率可达9

400

bps，而S—MODULE的

工作波特率为2

bps，因此TLPl81的性能参数能

很好地满足S-MODULE与微控制器之间的通信速率

要求。

2．2恒温电路

由传感器数据手册可知，传感器的测量值与传感

器所处环境的温度和压强有关，因此设计了恒温电路

和压力补偿电路。其中，恒温电路采用优化的PID算

法，通过ADSl248数字芯片对PTl00输出的信号进行

A／D转换后获得高精度的环境温度，执行单元采用固

态继电器HFS32D—DC控制功率电阻电路来控制加热

过程。恒温电路使得仪器在工作工程中能够处于恒

温状态，从而保证测量值的精确性和一致性。恒温电

路如图5所示。

图3硬件框图

2．1

S—MODULE数字传感器电路

仪器采用s—MODULE单组分模块，该传感器采用

基于朗伯一比尔定律的非分光红外辐射技术，具有良

好的选择性[4]。其引脚功能如表1所示。

由表1可知．电路设计中只需要使用到1—3号引

脚(4号引脚的功能可通过软件查询S—MODULE状态

图5(a)是温度测量模块，将PTl00采用三线制接

法接人电路，电路输出接入ADSl248进行A／D转换．

寄存器代替)。s—MODULE模块硬件上采用半双工的

万方数据

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