高軍禮，朱慧華，李龍昌，陳 瑋

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣州 510006）

基于電化學(xué)傳感器的有害氣體檢測已在環(huán)境污染監(jiān)控、家居安全、食品衛(wèi)生、機(jī)械制造等方面得到了廣泛的應(yīng)用。電化學(xué)傳感器具有交叉靈敏度低、長期穩(wěn)定性、功耗低、且針對特定氣體設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，特別適合低濃度混合有害氣體的檢測[1]。文獻(xiàn)[2-3]使用電化學(xué)法對有害氣體檢測和處理的電路是分立式的且僅針對特定傳感器而設(shè)計(jì)的，可擴(kuò)展性有限。本課題基于可編程邏輯電路通過串行通訊協(xié)議設(shè)置檢測電路，實(shí)現(xiàn)同一硬件平臺對多種有害氣體濃度的檢測。具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好、維護(hù)成本低及測量速度快等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案如圖1所示，由有害氣體信號檢測、微處理器G2553、上位PC機(jī)3大模塊組成，其中：

（1）信號檢測模塊包含電化學(xué)傳感器和可編程電路。

（2）G2553下位機(jī)包含I2C設(shè)置可編程電路、與上位機(jī)通信（RS485、WIFI）[4-5]、AD 采樣以及隔離IO。

（3）上位機(jī)包含人機(jī)交互、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of system

信號檢測模塊的有害氣體電化學(xué)傳感器輸出的電流信號經(jīng)可編程電路處理輸出電壓信號，之后基于G2553的10位A/D轉(zhuǎn)換得到與之相對應(yīng)的有害氣體濃度數(shù)字量，該數(shù)據(jù)通過WIFI或RS485傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)將檢測數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史曲線顯示。同時(shí)G2553下位機(jī)接收上位機(jī)的命令對信號檢測模塊和現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行設(shè)置和控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所采用的前端傳感器是電化學(xué)傳感器。通過表1可知，常見電化學(xué)傳感器的輸出電流通常是nA或亞μA級。如何處理傳感器輸出的微信號成為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，并將直接影響到后續(xù)數(shù)據(jù)的處理精度。常見的恒電位傳感器處理電路都是針對特定氣體的特定傳感器的規(guī)格所設(shè)計(jì)的[2-3]，若更換新的傳感器就要重新設(shè)計(jì)相對應(yīng)的電路，為后續(xù)的使用和維護(hù)帶來不便。

表1 常見的電化學(xué)傳感器Tab.1 Common electrochemical gas sensors

本系統(tǒng)前端信號處理部分采用TI公司的LMP91000芯片。該芯片集成了恒電位電路和信號處理電路，只需根據(jù)前端傳感器的規(guī)格參數(shù)設(shè)置LMP91000的內(nèi)部寄存器即可設(shè)置實(shí)際的參考基準(zhǔn)電壓、負(fù)載電阻、增益電阻及工作模式。

（1）恒電位電路是LMP91000的核心，是因?yàn)楣ぷ麟姌O與參考電極之間阻值的任何變化都將引起輔助電極上的電壓變化，產(chǎn)生的誤差信號都將通過內(nèi)部A1放大器放大并作用于輔助電極導(dǎo)致性能變差。所以，必須將傳感器的工作電極與參考電極之間保持在恒電位。

（2）互阻抗增益電阻、負(fù)載電阻的阻值可分別通過I2C串口設(shè)置2.75 kΩ～350 kΩ之間7個(gè)檔次（或采用外置的互阻抗增益電阻）、10 Ω～100 Ω 之間4個(gè)檔次，從而輕松實(shí)現(xiàn)電化學(xué)傳感器滿量程電流（5 μA～750 μA）轉(zhuǎn)換成電壓輸出。

（3）內(nèi)部參考零點(diǎn)VREF可以通過程序配置，使用芯片內(nèi)部提供的或者外部電源的67%、50%或20%作為零點(diǎn)電壓。使得輔助電極有充裕的電壓取值范圍，以便適用于其他類型的氣體傳感器，并更好地利用MCU的A/D滿量程轉(zhuǎn)換。其中，內(nèi)部零點(diǎn)是經(jīng)過一個(gè)內(nèi)部電壓除法器而得到的。

對于常用的三電極電化學(xué)氣體傳感器，其工作原理是待測氣體擴(kuò)散到傳感器，通過一層薄膜后作用于工作電極。恒電位電路通過檢測參考電極的電壓并向輔助電極提供電流，使參考電極端與工作電極端之間的電壓保持恒定。由于參考電極端沒有電流流進(jìn)或流出，因此流出輔助電極端的電流流進(jìn)工作電極端，該電流與被測量氣體濃度成正比。流過工作電極端電流的極性取決于傳感器中發(fā)生的是氧化還是還原反應(yīng)。對于SO2發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)則輔助電極端電流極性為負(fù)值（即電流流入恒電位運(yùn)算放大器的輸出端）。而負(fù)載通常非常小，因此工作電極端的電壓約等于VREF。

其中：IWE為流入WE端電流；Rf為跨導(dǎo)電阻。

只需通過I2C協(xié)議設(shè)置LMP91000的內(nèi)部寄存器值，同一硬件平臺即可適用于不同氣體的不同傳感器。以Alphasense公司的SO2-AF電化學(xué)傳感器為例，其靈敏度為450～750 nA/ppm。以靈敏度、空氣濃度為最大值，設(shè)置基準(zhǔn)電壓、負(fù)載電阻、增益電阻及工作模式。

則最大輸出電壓為

負(fù)載電阻值需要對2個(gè)因素進(jìn)行權(quán)衡：噪聲增益的幅度以及電化學(xué)傳感器在高濃度下達(dá)到正常輸出的響應(yīng)時(shí)間差，使得跨導(dǎo)放大器的噪聲增益保持在合理水平。對于SO2-AF傳感器匹配負(fù)載電阻為33 Ω，由此可計(jì)算噪聲增益：

跨導(dǎo)放大器輸入噪聲應(yīng)乘以此增益。內(nèi)部TIA運(yùn)算放大器在0.1 Hz～10 Hz頻率內(nèi)的輸入電壓噪聲為 2.95 μV（p-p）則輸出端噪聲為

該噪聲相當(dāng)于0.128 ppm以上的實(shí)際氣體濃度。由于電化學(xué)傳感器響應(yīng)較慢，因此輸出端需設(shè)計(jì)具有0.16 Hz（fp=12πRC）截止頻率的低通濾波器。此濾波器時(shí)間常數(shù)為1 s（τ=RC），與傳感器45 s的響應(yīng)時(shí)間相比可忽略不計(jì)。

基于所選電化學(xué)傳感器參數(shù)并參考以上理論分析，可通過I2C通信協(xié)議設(shè)置LMP91000內(nèi)部寄存器值如下：

（1）LMP91000具有3種工作模式，由于本設(shè)計(jì)只檢測氣體并選用外部P型場效應(yīng)管則MODECN寄存器可全部設(shè)置為0x03；

（2）本設(shè)計(jì)所采用的電化學(xué)傳感器不需要偏置工作電壓，只需考慮AD采樣精度和MCU采樣保護(hù)。采用外部芯片精準(zhǔn)電壓（2500 mV）的20%作為參考基準(zhǔn)電壓則REFCN寄存器可全部設(shè)置為0x80；

（3）TICAN寄存器的設(shè)置則需要根據(jù)不同電化學(xué)傳感器的參數(shù)加上前面的理論推導(dǎo)，本設(shè)計(jì)所采用的設(shè)置為 H2S：0x11；NH3：0x0C；SO2：0x15；CO：0x11。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括基于C語言所開發(fā)的G2553下位機(jī)程序和基于C#語言所開發(fā)的上位PC機(jī)程序。如圖2所示，系統(tǒng)初始化之后，LMP91000根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的值配置可編程電路。系統(tǒng)對有害氣體的檢測采取間歇周期工作模式[6]，以降低系統(tǒng)的功耗。也可以通過上位機(jī)發(fā)送設(shè)置或讀取命令直接讓下位機(jī)退出睡眠模式，并處理上位機(jī)所下達(dá)的系統(tǒng)設(shè)置與數(shù)據(jù)讀取指令。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of system

上位PC機(jī)應(yīng)用程序人機(jī)界面如圖3所示，包含數(shù)據(jù)顯示、命令設(shè)置、底層數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)和歷史曲線等。

圖3 上位機(jī)監(jiān)測GUIFig.3 Host computer monitoring GUI

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

考慮到所檢測有害氣體的多樣性和危險(xiǎn)性，采取先模擬傳感器輸出微電流信號進(jìn)行理論驗(yàn)證和數(shù)據(jù)處理，之后再經(jīng)華南國家計(jì)量測試中心進(jìn)行實(shí)際檢測的模式。為此，選用具有代表性的不易揮發(fā)氣體SO2和易揮發(fā)氣體NH3進(jìn)行系統(tǒng)精度測試，測試結(jié)果（證書編號：HYQ201307680/HYQ201309343）如表2所示，在0～35 ppm（1 ppm即一百萬體積的空氣中所含污染物的1份體積）量程范圍內(nèi)，系統(tǒng)檢測的最大誤差為2%。

表2 華南國家計(jì)量測試中心測試結(jié)果Tab.2 Test results of South China national center of metrology

5 結(jié)語

基于可在線編程的硬件技術(shù)，采用電化學(xué)氣體檢測模式，設(shè)計(jì)了同一硬件平臺適用于多種有害氣體濃度的精確檢測系統(tǒng)。便攜式、低功耗下位機(jī)采用無線（WIFI）模式與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和人機(jī)交互，對有害氣體的檢測更加方便與安全，具有較好的工程應(yīng)用前景。

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