基于STM32的氢火焰离子化检测器研究与设计

摘要

VOC（挥发性有机化合物）存在于我们的生活中的各个方面，推动了工业产业的发展，也使我们的生活更加美好。然而工厂中弥漫着的有毒气体、新装修房子的刺鼻的味道，都对环境产生了危害。随着雾霾天气的频发，人们的健康受到越来越多的威胁。随着环保行业及相关检测机构的迸发，针对VOC检测本文设计了一种FID检测器，即氢火焰离子化检测器。
　　系统硬件设计主要研究内容分为四个部分。第一部分为电源管理模块，采用PWM控制芯片SG3525产生PWM波，通过半桥式开关电源及稳压芯片产生所需的各种电压，并供电给各个模块。第二部分是信号放大检测部分，有机化合物在氢火焰中燃烧产生的微弱电信号，经过信号检测放大电路进行放大，检测放大电路设计了线性放大电路和对数放大电路两种。放大后的信号经过噪声低的无源低通滤波电路，并用高精度的A/D转换芯片CS5513将信号采集，传输给主控芯片STM32F103RCT进行处理。第三部分是整个采集控制板所需的一些控制功能，如温度及压力的实时采集、控制，开出事件控制功能，串口通讯功能，以及电机驱动功能等。第四部分为电路板的绘制及制作，整个采集控制板的PCB设计需要将各个区域通过变压器进行隔离，尤其是放大电路单独制板，来减小电路板中漏电流以及其他芯片对检测微弱信号的影响，并用屏蔽壳将放大电路屏蔽起来。
　　软件设计嵌入了实时操作系统FreeRTOS，整个设计主要任务有三个：样品信号采集任务、温度及压力采集任务和串口通讯任务。样品信号采集时，需要STM32F103RCT对采集的通道进行选择，并且对所连接的A/D芯片进行使能及控制以保证数据传输的顺利进行。采集到的样品信号，再次经过数字滤波，即采用了二阶有源低通数字滤波器。
　　VOC采集控制板经过硬件及软件的相关测试，实现了对微弱电流信号的有效放大，对噪声进行了很好的抑制及处理，并且实现了要求的一系列控制功能。最终FID检测器的基线经过调零后，其噪声小于0.02mV，并且漂移低于0.4mV/h，稳定性指标和检测器灵敏度均达到了检测器的要求标准。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 VOC气体的来源与危害

1.1.2 VOC气体检测标准

1.1.3 检测器设计指标

1.2 国内外研究现状

1.3 论文结构及内容

2 系统总体设计

2.1 FID相关介绍

2.2 FID检测原理及结构

2.2.1 FID工作原理

2.2.2 FID工作结构

2.3 整体方案设计

2.4 本章小结

3 FID检测器硬件设计

3.1 主控模块

3.1.1 芯片简介

3.1.2 主控电路

3.2 电源管理模块

3.2.1 模块简介

3.2.2 电源管理模块电路

3.3 信号放大检测模块

3.3.1 运算放大器的噪声分析

3.3.2 放大器的选择与比较

3.3.3 信号放大检测电路

3.4 温度采集及控制模块

3.4.1 芯片简介

3.4.2 温度采集电路

3.4.2 温度控制电路

3.5 其余模块

3.6 PCB布板及设计

3.7 硬件相关测试

3.7.1线性放大电路测试

3.7.2 对数放大电路测试

3.7.3 放大器灵敏度测试

3.8 本章小结

4 FID检测器软件设计与实现

4.1 FreeRTOS介绍

4.2 程序设计

4.2.1 初始化配置及任务设计

4.2.2 样品信号采集

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4.2.3 放大器配置

4.2.4 温度采集

4.2.5 温度控制

4.2.6 串口通讯

4.3 滤波算法设计及仿真

4.4 性能测试

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录一

附录二

附录三

致谢