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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）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

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

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

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。其扁平的机身也非常便于气体探测模块组装在无人机上，是与大项目最契合的载具之一。

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