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摘要：设计一种基于STM32F4的车载船用气体检测仪，该检测仪借助传感器对相关数据进行采集，应用A/D转换模块实现在A/D之间的转换和数据处理，针对数据导出模块则可以实现数据的上传与存储，上位机则通过接收相关数据将其显示出来。从实际运行原理来讲，该气体检测仪满足车载船用要求，能够对氧气、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等展开检测，在气体混合的条件下及时有效地检测出各组分的气体浓度并将检测结果反馈到显示屏上。同时，该系统还可以对获取的数据进行储存，在转输到计算机后还有利于相关气体的分析。
关键词：STM32F4;气体检测仪;模块;传感器
前言
在社会不断发展期间人们的生活水平逐渐提高，当前私家车的数量与日递增，针对车内人员的健康安全需引起关注。研究表明，在发动机燃烧不充分的条件下会导致一氧化碳、甲醛等水平的上声，这种状况会直接威胁到车内人员健康，因此设计出合理的车载气体检测仪及其重要。对于船用气体检测仪而言，则主要在船舶运输货物中对危险气体实施检查，由于游轮、液化石油气LPG、液化气LNG以及货船燃油气体的挥发爆炸具有明确标准，在航运期间就需借助气体检测仪来实施检测并确保其含量处于安全范围内。基于此，本研究旨在基于STM32F4设计出合理有效的车载船用气体检测仪。
一、气体检测仪的设计原则
1、硬件设计
从实际应用需求出发，通过分析气体检测仪的特征，硬件设计要依据以下原则：（1）应用典型芯片与线路，防止电路出现差错，并且在芯片合理的情况下，充分保证技术达标。（2）注重小型化设计，硬件电路需追求简单化，尽可能为外部电路拓展留下充足空间。（3）硬件设计遵循分模块化原则，有助于后期调试及维修[1]。（4）尽量满足二次开发的需求，注意适用于系统扩展和外围电路配置。（5）消除不相关的干扰设计，在满足性能基础上，合理降低成本。
2、软件设计
结合STM32F4的车载船用气体检测仪特征，软件设计期间需满足下述条件：（1）整体遵从STM32编程控制系统，将程序设置的尽量简化一些。（2）遵从分模块软件设计原则，有利于后期的调试及维修。（3）保证功能的完善性和可靠性，借助软件处理数据期间确保精度满足需求。（4）实现人机交互操作简单，并且软件的设计满足规范化要求。（5）具有扩展性特征，有助于系统升级[2]。
3、气体检测仪功能特征
结合STM32F4的气体检测仪的实现方案，对其硬件和软件展开分析，在具体应用期间，保证气体检测仪具有以下功能：（1）气体浓度值显示在LCD屏幕，以数据的形式将气体浓度加以呈现。（2）数据储存功能，能够对获取的数据进行保存，为后期详细分析提供依据。（3）具备标定功能。由于在最初检测期间，为保证有关数据的精确性，要对其仪器进行标定，确保数据无误。（4）可实现键盘输入，能够让操作人员合理设置工作运行状态。（5）可与PC机实现通信对接。保证仪器检测仪的串口可将数据传送到上位机，便于应用计算机对有关数据实施处理。
二、基于STM32F4的车载船用气体检测仪的设计
1、硬件电路的设计
（1）数据采集模块
按照数据采集模块的组成，其主要包含传感器、气室以及红外光源，在应用非分散红外法分析采集气体的数据时，借助红外线吸收原理，因为各气体吸收光谱存在明显差异。通过分析检测气体对光波长及强度的影响，能够判断出该气体的浓度值。数据采集模块的功能要通过传感器来实现，利用传感器將检测气体的流量、浓度等信号特征转化为能够匹配的模拟信号，然后将获取的模拟信号上传至微处理器中并进行有效分析处理。
（2）A/D转换模块
凭借内部集成的独立系统的多位ADC模块，从不同通道出发对内部信号源和外部信号源进行测量。在具体运行阶段，保证各个通道的A/D能够实现转换，具备单次、连续扫描或者暂时间断等功能[3]。同时，为了尽可能提升相关数据的准确性，可选择更为专业的模数转换器（优先选择具有低能耗和大量程）。在保证电压满足条件的状态下，对数据进行采集并实现A/D转换，确保数据传输过程的稳定性。
（3）USB接口电路
在导出数据阶段，需要通过USB接口将对应的数据进行导出，应用USB接口电路时，要满足可实现将数据储存到U盘中的条件。针对储存的历史数据也能够及时查找，同样可实现利用USB接口将数据顺利导出至PC机的操作，有助于数据的总体调查和分析。由于U盘具备便于转移、读写速度较快、容量大等优势特征，要保证USB接口能够实现顺利对接，在连接方便的基础上，实现科学合理运行。
2、上位机模块
整个上位机模块包含显示和按键两种功能，需拥有对应的显示模块与按键模块。首先，从按键线路出发及时接受到相关指令，将工作人员下达的指令传送给对应的微处理器。其次，微处理器按照具体指令对数据实施处理，经过处理后再将其上传。最后，获取的数据会直接体现在显示屏中。
3 软件设计
流程：
执行期间，STM32开启采集数据过程，由上位机发送相关指令，随后由微处理器按照指令对数据展开处理操作，将采集到的有关数据进行计算统计，检测出待测气体的流量值和浓度值等。利用数据储存功能，把有关数据上传至上位机，在屏幕上将重要参数展现出来。值得注意的是，数据处理期间会涉及到A/D转换功能，凭借A/D转换过程将模拟信号进行转化，通常是转化得到数字信号的电压值，然后将该值予以处理[4]。为了保证气体检测的准确性，运行期间尽量避免出现噪声的干扰，另外针对A/D转化后获取的数据可实施滤波处理，降低误差的影响。
三、结束语
本次研究是基于STM32F4，设计车载船用的气体检测仪，在实践期间将STM32微处理器看做核心，整个检测仪主要包含A/D转换模块、上位机、数据采集和数据导出等模块。在将上述模块有机组合后，可实现对检测气体的准确分析，对浓度、温度及流量值进行呈现。另外，由于存储的数据也能够寻找出来，满足系统性和完善性要求。总之，此次设计的气体检测仪整体上简洁且易于操作，具有可靠性，通过研究设计能够满足相关需求。
参考文献
[1]王翔， 王晓荣， 刘超，等. 基于STM32F4工业在线气体检测仪的研究与应用[J]. 仪表技术与传感器， 2019， 000（005）：38-42，67.
[2]刘超， 王晓荣， 张进明，等. 基于STM32F4在线红外气体分析仪研究与开发[J]. 仪表技术与传感器， 2019（1）：6.
[3]田英杰. 基于STM32F4的智能分拣机器人设计与实现[J]. 实验技术与管理， 2019， 36（10）：4.
[4]张群， 陶晓杰， 张蓝，等. 基于STM32F4的基板检测输送平台运动控制器设计[J]. 信息技术与网络安全， 2018， 037（002）：90-94.
通讯作者：崔冬梅（1983年11月——），女，汉族，江苏南京人，文学学士，讲师，江苏海事职业技术学院，从事大学生思想政治教育、职业规划和就业指导教育、心理健康教育。
基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目“车载船用多功能气体检测仪”（项目编号：202012679019Y）成果
关键词：STM32F4;气体检测仪;模块;传感器
前言
在社会不断发展期间人们的生活水平逐渐提高，当前私家车的数量与日递增，针对车内人员的健康安全需引起关注。研究表明，在发动机燃烧不充分的条件下会导致一氧化碳、甲醛等水平的上声，这种状况会直接威胁到车内人员健康，因此设计出合理的车载气体检测仪及其重要。对于船用气体检测仪而言，则主要在船舶运输货物中对危险气体实施检查，由于游轮、液化石油气LPG、液化气LNG以及货船燃油气体的挥发爆炸具有明确标准，在航运期间就需借助气体检测仪来实施检测并确保其含量处于安全范围内。基于此，本研究旨在基于STM32F4设计出合理有效的车载船用气体检测仪。
一、气体检测仪的设计原则
1、硬件设计
从实际应用需求出发，通过分析气体检测仪的特征，硬件设计要依据以下原则：（1）应用典型芯片与线路，防止电路出现差错，并且在芯片合理的情况下，充分保证技术达标。（2）注重小型化设计，硬件电路需追求简单化，尽可能为外部电路拓展留下充足空间。（3）硬件设计遵循分模块化原则，有助于后期调试及维修[1]。（4）尽量满足二次开发的需求，注意适用于系统扩展和外围电路配置。（5）消除不相关的干扰设计，在满足性能基础上，合理降低成本。
2、软件设计
结合STM32F4的车载船用气体检测仪特征，软件设计期间需满足下述条件：（1）整体遵从STM32编程控制系统，将程序设置的尽量简化一些。（2）遵从分模块软件设计原则，有利于后期的调试及维修。（3）保证功能的完善性和可靠性，借助软件处理数据期间确保精度满足需求。（4）实现人机交互操作简单，并且软件的设计满足规范化要求。（5）具有扩展性特征，有助于系统升级[2]。
3、气体检测仪功能特征
结合STM32F4的气体检测仪的实现方案，对其硬件和软件展开分析，在具体应用期间，保证气体检测仪具有以下功能：（1）气体浓度值显示在LCD屏幕，以数据的形式将气体浓度加以呈现。（2）数据储存功能，能够对获取的数据进行保存，为后期详细分析提供依据。（3）具备标定功能。由于在最初检测期间，为保证有关数据的精确性，要对其仪器进行标定，确保数据无误。（4）可实现键盘输入，能够让操作人员合理设置工作运行状态。（5）可与PC机实现通信对接。保证仪器检测仪的串口可将数据传送到上位机，便于应用计算机对有关数据实施处理。
二、基于STM32F4的车载船用气体检测仪的设计
1、硬件电路的设计
（1）数据采集模块
按照数据采集模块的组成，其主要包含传感器、气室以及红外光源，在应用非分散红外法分析采集气体的数据时，借助红外线吸收原理，因为各气体吸收光谱存在明显差异。通过分析检测气体对光波长及强度的影响，能够判断出该气体的浓度值。数据采集模块的功能要通过传感器来实现，利用传感器將检测气体的流量、浓度等信号特征转化为能够匹配的模拟信号，然后将获取的模拟信号上传至微处理器中并进行有效分析处理。
（2）A/D转换模块
凭借内部集成的独立系统的多位ADC模块，从不同通道出发对内部信号源和外部信号源进行测量。在具体运行阶段，保证各个通道的A/D能够实现转换，具备单次、连续扫描或者暂时间断等功能[3]。同时，为了尽可能提升相关数据的准确性，可选择更为专业的模数转换器（优先选择具有低能耗和大量程）。在保证电压满足条件的状态下，对数据进行采集并实现A/D转换，确保数据传输过程的稳定性。
（3）USB接口电路
在导出数据阶段，需要通过USB接口将对应的数据进行导出，应用USB接口电路时，要满足可实现将数据储存到U盘中的条件。针对储存的历史数据也能够及时查找，同样可实现利用USB接口将数据顺利导出至PC机的操作，有助于数据的总体调查和分析。由于U盘具备便于转移、读写速度较快、容量大等优势特征，要保证USB接口能够实现顺利对接，在连接方便的基础上，实现科学合理运行。
2、上位机模块
整个上位机模块包含显示和按键两种功能，需拥有对应的显示模块与按键模块。首先，从按键线路出发及时接受到相关指令，将工作人员下达的指令传送给对应的微处理器。其次，微处理器按照具体指令对数据实施处理，经过处理后再将其上传。最后，获取的数据会直接体现在显示屏中。
3 软件设计
流程：
执行期间，STM32开启采集数据过程，由上位机发送相关指令，随后由微处理器按照指令对数据展开处理操作，将采集到的有关数据进行计算统计，检测出待测气体的流量值和浓度值等。利用数据储存功能，把有关数据上传至上位机，在屏幕上将重要参数展现出来。值得注意的是，数据处理期间会涉及到A/D转换功能，凭借A/D转换过程将模拟信号进行转化，通常是转化得到数字信号的电压值，然后将该值予以处理[4]。为了保证气体检测的准确性，运行期间尽量避免出现噪声的干扰，另外针对A/D转化后获取的数据可实施滤波处理，降低误差的影响。
三、结束语
本次研究是基于STM32F4，设计车载船用的气体检测仪，在实践期间将STM32微处理器看做核心，整个检测仪主要包含A/D转换模块、上位机、数据采集和数据导出等模块。在将上述模块有机组合后，可实现对检测气体的准确分析，对浓度、温度及流量值进行呈现。另外，由于存储的数据也能够寻找出来，满足系统性和完善性要求。总之，此次设计的气体检测仪整体上简洁且易于操作，具有可靠性，通过研究设计能够满足相关需求。
参考文献
[1]王翔， 王晓荣， 刘超，等. 基于STM32F4工业在线气体检测仪的研究与应用[J]. 仪表技术与传感器， 2019， 000（005）：38-42，67.
[2]刘超， 王晓荣， 张进明，等. 基于STM32F4在线红外气体分析仪研究与开发[J]. 仪表技术与传感器， 2019（1）：6.
[3]田英杰. 基于STM32F4的智能分拣机器人设计与实现[J]. 实验技术与管理， 2019， 36（10）：4.
[4]张群， 陶晓杰， 张蓝，等. 基于STM32F4的基板检测输送平台运动控制器设计[J]. 信息技术与网络安全， 2018， 037（002）：90-94.
通讯作者：崔冬梅（1983年11月——），女，汉族，江苏南京人，文学学士，讲师，江苏海事职业技术学院，从事大学生思想政治教育、职业规划和就业指导教育、心理健康教育。
基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目“车载船用多功能气体检测仪”（项目编号：202012679019Y）成果