馬國瀚，李景麗

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，開封 河南 475004)

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，CO2的排放量不斷增加。 CO2的大量產(chǎn)生可以引起全球性氣候變暖，即產(chǎn)生溫室效應(yīng)。 CO2氣體還與細生物、植物、動物的呼吸和生長密切相關(guān)，直接影響農(nóng)業(yè)等國民經(jīng)濟的發(fā)展。 所以，對CO2產(chǎn)生源的及時檢測顯得尤為重要。

基于AT89C2051 的CO2檢測儀運用氣體傳感器檢測CO2，采用了MAX187 串行A/D 轉(zhuǎn)換器、PG A204 可編程增益放大器和MAX7219 等主流芯片。其性能穩(wěn)定、成本低廉、精度高，具有廣泛的應(yīng)用前景和良好的拓展空間。

1 氣敏傳感器的基本概念及發(fā)展動向

1.1 氣敏傳感器的基本概念

氣敏傳感器是指將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件。 對氣體檢測方法的有電化學(xué)方法、光學(xué)方法、電子學(xué)方法等十幾種。

1.2 氣敏傳感器的發(fā)展動向

目前， 氣敏傳感器的發(fā)展有以下幾個方面的動向[2]：（1）確保傳感器的可靠性和使用壽命。 傳感器工作的可靠性直接關(guān)系到電子設(shè)備的抗干擾和防止誤動作要求， 還體現(xiàn)在對其應(yīng)具有較長的使用壽命上。 （2）提高傳感器集成化的程度。 傳感器集成化是實現(xiàn)傳感器小型化、智能化的重要保證。（3）傳感器微型化。 微機電系統(tǒng)（又稱MEMS）是一種輪廓尺寸在毫米量級、 組成元件尺寸在微米量級的可運動的微型機電裝置。 （4）新型功能材料的開發(fā)。 傳感器技術(shù)的發(fā)展是與新材料的研究開發(fā)密切結(jié)合的，如:納米氣敏傳感器具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度，并且體積很小。

本設(shè)計的傳感器采用阻壓轉(zhuǎn)換傳感器氣敏元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、測試方便、靈敏度高等優(yōu)點。

2 檢測儀的硬件設(shè)計

硬件設(shè)計以簡便實用、技術(shù)成熟可靠為基礎(chǔ)，以檢測儀為信息采集、處理的核心，精心選擇芯片、穩(wěn)妥連接電路。 盡量做到方便易行、可靠耐用。

2.1 硬件框圖及其工作原理

CO2檢測儀的硬件框圖如圖1 所示。 其工作原理為：阻壓轉(zhuǎn)換傳感器將氣體濃度量轉(zhuǎn)換成與其成比例的電信號，經(jīng)PGA204 進程量程轉(zhuǎn)換和放大。然后，經(jīng)采樣電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入AT89C2051 單片機處理。 單片機處理后傳送給顯示電路。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure

2.2 硬件電路所選芯片

PGA204 是美國Burr-Brown 公司生產(chǎn)的低價、多用途的可編程增益放大器， 可用2 位TTL 或CMOS邏輯信號A1、A0 對其增益到4 位。電路芯片經(jīng)激光校正， 最大失調(diào)電壓只有50 μV， 失調(diào)溫漂為0.25 μV/℃，增益G=1 000 時的共模抑制比為115 dB。

MAX187 是MAXIM 公司生產(chǎn)的12 位數(shù)據(jù)采集A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為85 μs（逐次比較式）、獨立的采樣保持 （T/H） 電路為每個通道提供同時采樣，內(nèi)置4.096V 參考電壓源，以串行方式輸出，幾乎不需要任何外圍器件就能構(gòu)成一個完整的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

AT89C2051 是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的與MCS-51 系列完全兼容的內(nèi)置閃存單片機，也是AT 89C51 系列中結(jié)構(gòu)最緊湊、體積最小的單片機。它的片內(nèi)有2 K 字節(jié)閃爍存儲器，片內(nèi)多一個模接口是電壓比較器。

MAX7219 是MAXIM 公司專門為LED 顯示驅(qū)動而設(shè)計生產(chǎn)的COMOS 串行接口LED 顯示驅(qū)動芯片。

3 電路原理分析

3.1 出電阻電壓轉(zhuǎn)換電路

圖2 為CO2檢測儀原理圖。

圖2 CO2 檢測儀原理圖Fig.2 CO2 detector principle

從圖2 可以看到，一個5V 的交流電壓源和芯片電壓等效電阻，加上一個1kΩ 的分壓電阻，組成了圖2 中的電阻電壓轉(zhuǎn)換電路。 需要說明的是，此電路在100 Hz 的交流電壓下工作線性最好。 因為這時選用的氣敏傳感芯片會產(chǎn)生1～3 000 kΩ 的電阻變化。 1kΩ 的電阻起分壓作用，且把它分到的電壓輸出到后面的PGA204 輸入端中。

此電壓的有效值隨著傳感芯片電阻的變化而變化，其變化式為

式中： V1K為1kΩ 的分壓電阻分得的電壓，R1為傳感芯片的電阻，R1K為分壓用的1kΩ 的電阻，Vi為交流電壓源輸入的電壓。

對式（1）進行一下變形，可得

由式（2）可以看出，如果傳感芯片電阻R1取很大的值時，R1K的值固定為1kΩ 不變，式（2）可簡化為

這樣，1kΩ 的分壓電阻上分得的電壓值的變化就只與傳感芯片電阻值的變化有關(guān)，且成反比關(guān)系。

3.2 程控放大

PGA204 芯片的輸入阻抗很大，用做程控放大的取樣端。 由式（1）可以看出：傳感芯片的電阻是在1～3 000 kΩ 之間變化的， 這就存在著阻抗電壓檔級轉(zhuǎn)換的問題。 當(dāng)傳感芯片的電阻值取兩端的極限值時：

（1）當(dāng)傳感芯片電阻值R1=1 kΩ 時，可得：

也就是說，當(dāng)Vi在0～5 V 之間變化時，V1K在0～2.5V 之間變化，而這一變化的幅度比較大，完全可以很精確地被元器件反映出來。 所以，AT89C2051就對PGA204 的A0、A1 進行控制，使PGA204 的放大倍數(shù)選在1 倍，即×1 的檔級上。

（2）當(dāng)傳感芯片電阻值R1=3 000 kΩ 時，可得：

當(dāng)VI在0～5 V 之間變化時，VIK在0～1.667mV之間變化,而這個變化太微弱了，不容易被精確地感知，所以要將其放大，并且放大到比較理想的范圍內(nèi)（最 好 是 幾V 的 變 化）。 因 此，AT89C2051 就 對PGA204 的A0、A1 進行控制，使PGA204 的放大倍數(shù)選在1 倍，或×1000 的檔級上。 這樣，Vik 的變化就在0～1.667 V 之間了。

4 控制程序設(shè)計

本系統(tǒng)中單片機采用中斷方式對MAX7219 進行控制，傳送16 位數(shù)據(jù)的地址位和數(shù)據(jù)位。 在主程序中，包括串行方式的設(shè)置、顯示緩沖單元和各控制寄存器的地址碼及數(shù)據(jù)單元的分配、對MAX7219 的初始化等。 在以下程序中， 顯示緩沖區(qū)為RAM 的30H～37H 單元， 控制寄存器地址碼及數(shù)據(jù)單元為40H～47H 單元。 要顯示的數(shù)據(jù)是程序執(zhí)行的運算結(jié)果，以BCD 碼數(shù)形式存放在顯示緩沖單元的數(shù)據(jù)字節(jié)中，用轉(zhuǎn)換子程序BSHIFT 倒序后存回原處。單片機串行發(fā)送數(shù)據(jù)的啟動在主程序中進行，每發(fā)送兩個字節(jié)后， 在中斷子程序中控制MAX7219 的一引腳產(chǎn)生正跳變，把數(shù)據(jù)鎖存入相應(yīng)的寄存器中。 該中斷子程序既可發(fā)送一個16 位數(shù)據(jù)，也可連續(xù)發(fā)送多個16 位數(shù)據(jù)，非常方便。 由于MAX7219 易受干擾和影響，因此，在程序執(zhí)行過程中，應(yīng)經(jīng)常對顯示進行更新。

5 結(jié)語

隨著環(huán)境保護的主體意識日益增強，空氣質(zhì)量已成為人們關(guān)注最多的話題。 CO2氣敏檢測儀正在成為智能家居環(huán)保舞臺的重要成員。 該檢測儀遵循“價格低廉、簡便易行”的目標，完成了CO2氣敏檢測儀硬件、軟件的設(shè)計，其中包括傳感芯片、信號采集及電子線路3 個方面工作。

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