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        低功耗便攜式有害氣體監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2014-09-17 18:35:19白宗文周美麗
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年17期
        關(guān)鍵詞:功耗電化學(xué)氣體

        白宗文 周美麗

        摘 要: 介紹了有毒氣體傳感器的工作原理和特點(diǎn),設(shè)計(jì)出了微功耗式便攜式的有毒氣體監(jiān)測電路,基于VC++平臺開發(fā)了相應(yīng)的軟件。在數(shù)據(jù)處理時(shí)充分考慮環(huán)境因素,對數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該電路具有靈活方便,體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測、國防等領(lǐng)域。

        關(guān)鍵字: 電化學(xué)傳感器; 有毒氣體監(jiān)測; 電路系統(tǒng); 低功耗

        中圖分類號: TN911.7?34;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)17?0151?03

        Abstract: The working principle and characteristics of ADXRS450 is introduced in this paper. The low?power toxic gas monitoring circuit was designed. The corresponding software was develoed based on VC++ platform. The environmental factors was fully considered for data processing. The experimental results show that the circuit has a simple structure, high precision and small size, and can be widely used in the fields of aerospace, industrial production, medical diagnosis, national defense and environment monitoring.

        Keywords: electrochemical sensor; toxic gas monitoring; circuit system; low?power consumption

        0 引 言

        隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,易燃、易爆、有毒氣體的種類和出現(xiàn)概率增加。這些氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中一旦發(fā)生泄漏,將會引發(fā)中毒、火災(zāi)甚至爆炸事故,嚴(yán)重危害人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性,發(fā)生泄漏之后,在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下,氣體會沿地表擴(kuò)散,在事故現(xiàn)場形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū),擴(kuò)大危害區(qū)域。這類事故具有突發(fā)性強(qiáng)、擴(kuò)散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生氣體泄漏事故時(shí)必須盡快采取相應(yīng)措施進(jìn)行處置,才能將事故損失降低到最低水平。同時(shí)探測多種有害氣體氣體的含量,及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救,采取正確的處置方法,減少泄漏引發(fā)的事故,是避免造成重大財(cái)產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監(jiān)測設(shè)備提出了較高的要求,因此氣體探測器的發(fā)展應(yīng)用越來越廣泛。

        目前,有毒氣體檢測大多采用單氣體檢測方式,即每測量一種氣體需要攜帶一種測量儀表。研制能用一種儀器同時(shí)檢測多種不同氣體是氣體檢測儀的發(fā)展趨勢,即進(jìn)行多參數(shù)測量,多種氣體檢測,實(shí)現(xiàn)對多種氣體種類的識別和濃度的判斷,從而更全面地反映被測氣體在特定環(huán)境中所顯示的特性,實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中多種不同有毒氣體。

        2 系統(tǒng)及檢測電路設(shè)計(jì)

        本電路系統(tǒng)主要由微功耗電源、有毒氣體傳感器,MSP430微處理器和鍵盤及顯示電路組成,如圖2所示,其中MSP430是系統(tǒng)控制的核心,主要負(fù)責(zé)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)實(shí)現(xiàn)檢測不同氣體的狀態(tài)切換,及時(shí)向輸出單元輸出信息。電化學(xué)傳感器主要實(shí)現(xiàn)有害氣體濃度和電信號的轉(zhuǎn)換,由于傳感器輸出的信號微弱,信號調(diào)理電路完成信號的放大和去噪,然后輸出到A/D轉(zhuǎn)換器,由微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將結(jié)果輸出到顯示器和聲光報(bào)警系統(tǒng)。

        本設(shè)計(jì)中的所有器件均采用微功耗器件,此外還采用了多項(xiàng)措施降低功耗。電壓源采用精密、低噪聲、微功耗基準(zhǔn)電壓源ADR29,信號調(diào)理部分采用雙通道微功耗放大器ADA4505?2,電化學(xué)傳感器選用CO?AX一氧化碳傳感器,A/D轉(zhuǎn)換器選用AD7798,它是一款16位Σ?Δ低功耗ADC。ADR291是微功耗2.5 V基準(zhǔn)電源,它具有精密度高、噪聲低的特點(diǎn),其功耗僅為12 μA,用于建立2.5 V共?;鶞?zhǔn)電源,以使模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可對此電路的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理;ADA4505?2是微功耗軌到軌I/O雙通道運(yùn)放,用于放大電化學(xué)傳感器送出的微弱電信號,在恒電位配置(U2?A)和跨導(dǎo)配置下使用,其功耗僅為10 μA,室溫下最大偏置電流僅為2 pA,對于該電位部分和跨導(dǎo)部分都是很好的選擇,極低的功耗保證了電池的使用壽命;CO?AX是一氧化碳傳感器,其靈敏度為55~90 μA/ppm,典型值為65 μA/ppm,響應(yīng)時(shí)間小于30 s,具有靈敏度高,響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。AD5271是可編程變阻器,主要作用是擴(kuò)展電路應(yīng)用范圍,提高系統(tǒng)的靈活性。因?yàn)椴煌瑲怏w或不同傳感器的不同的電流輸出范圍,可將AD5271設(shè)置為適當(dāng)?shù)碾娮柚?。AD5271 的溫度系數(shù)為 5 ppm/°C,優(yōu)于大多數(shù)分立電阻;其電源電流為 1 μA,對系統(tǒng)功耗的影響極小。

        5 結(jié) 論

        本文采用電化學(xué)原理多參數(shù)選擇組合的方法設(shè)計(jì)出了能夠同時(shí)檢測氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和可燃?xì)怏w的濃度,解決了目前只能檢測到單一氣體的問題。根據(jù)不同的行業(yè)要求,不同的監(jiān)測點(diǎn),對不同的檢測參數(shù)可以更換不同的傳感器來監(jiān)測不同種類的氣體,對不同氣體可以設(shè)定不同的監(jiān)測濃度和分辨率,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 凌榮耀,歐林林,俞立.便攜式滅弧氣體檢漏儀的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2013(6):572?576.

        [2] 何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1997.

        [3] 夏路易.智能儀表設(shè)計(jì)與接口技術(shù)[M].太原:太原理工大學(xué)出版社,2009.

        [4] 陳雷.點(diǎn)評多國儀器展中的傳感器[J].國外電子測量技術(shù),2012(2):19?23.

        [5] 黃然,呂紫旭,金惠華.基于角速度傳感器與DSP的三維陀螺儀[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(9):53?58.

        [6] 沙占友,王彥鵬,張永昌.單片偏航角速度陀螺儀的原理與應(yīng)用[J].傳感器世界,2004(9):31?34.

        [7] ADI公司.ADI實(shí)驗(yàn)室電路合集(第1冊)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

        [8] Anon. ADXRS450 datasheet EB/OL]. [2014?05?22]. http://www.alldatasheet.com.

        [9] 溫和,王永,滕召勝,等.噪聲影響下的高準(zhǔn)確度介損角測量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013(4):780?785.

        [10] 蘭羽,盧慶林.基于MQ138傳感器的甲醛檢測儀設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù),2013(8):111?114.

        摘 要: 介紹了有毒氣體傳感器的工作原理和特點(diǎn),設(shè)計(jì)出了微功耗式便攜式的有毒氣體監(jiān)測電路,基于VC++平臺開發(fā)了相應(yīng)的軟件。在數(shù)據(jù)處理時(shí)充分考慮環(huán)境因素,對數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該電路具有靈活方便,體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測、國防等領(lǐng)域。

        關(guān)鍵字: 電化學(xué)傳感器; 有毒氣體監(jiān)測; 電路系統(tǒng); 低功耗

        中圖分類號: TN911.7?34;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)17?0151?03

        Abstract: The working principle and characteristics of ADXRS450 is introduced in this paper. The low?power toxic gas monitoring circuit was designed. The corresponding software was develoed based on VC++ platform. The environmental factors was fully considered for data processing. The experimental results show that the circuit has a simple structure, high precision and small size, and can be widely used in the fields of aerospace, industrial production, medical diagnosis, national defense and environment monitoring.

        Keywords: electrochemical sensor; toxic gas monitoring; circuit system; low?power consumption

        0 引 言

        隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,易燃、易爆、有毒氣體的種類和出現(xiàn)概率增加。這些氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中一旦發(fā)生泄漏,將會引發(fā)中毒、火災(zāi)甚至爆炸事故,嚴(yán)重危害人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性,發(fā)生泄漏之后,在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下,氣體會沿地表擴(kuò)散,在事故現(xiàn)場形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū),擴(kuò)大危害區(qū)域。這類事故具有突發(fā)性強(qiáng)、擴(kuò)散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生氣體泄漏事故時(shí)必須盡快采取相應(yīng)措施進(jìn)行處置,才能將事故損失降低到最低水平。同時(shí)探測多種有害氣體氣體的含量,及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救,采取正確的處置方法,減少泄漏引發(fā)的事故,是避免造成重大財(cái)產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監(jiān)測設(shè)備提出了較高的要求,因此氣體探測器的發(fā)展應(yīng)用越來越廣泛。

        目前,有毒氣體檢測大多采用單氣體檢測方式,即每測量一種氣體需要攜帶一種測量儀表。研制能用一種儀器同時(shí)檢測多種不同氣體是氣體檢測儀的發(fā)展趨勢,即進(jìn)行多參數(shù)測量,多種氣體檢測,實(shí)現(xiàn)對多種氣體種類的識別和濃度的判斷,從而更全面地反映被測氣體在特定環(huán)境中所顯示的特性,實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中多種不同有毒氣體。

        2 系統(tǒng)及檢測電路設(shè)計(jì)

        本電路系統(tǒng)主要由微功耗電源、有毒氣體傳感器,MSP430微處理器和鍵盤及顯示電路組成,如圖2所示,其中MSP430是系統(tǒng)控制的核心,主要負(fù)責(zé)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)實(shí)現(xiàn)檢測不同氣體的狀態(tài)切換,及時(shí)向輸出單元輸出信息。電化學(xué)傳感器主要實(shí)現(xiàn)有害氣體濃度和電信號的轉(zhuǎn)換,由于傳感器輸出的信號微弱,信號調(diào)理電路完成信號的放大和去噪,然后輸出到A/D轉(zhuǎn)換器,由微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將結(jié)果輸出到顯示器和聲光報(bào)警系統(tǒng)。

        本設(shè)計(jì)中的所有器件均采用微功耗器件,此外還采用了多項(xiàng)措施降低功耗。電壓源采用精密、低噪聲、微功耗基準(zhǔn)電壓源ADR29,信號調(diào)理部分采用雙通道微功耗放大器ADA4505?2,電化學(xué)傳感器選用CO?AX一氧化碳傳感器,A/D轉(zhuǎn)換器選用AD7798,它是一款16位Σ?Δ低功耗ADC。ADR291是微功耗2.5 V基準(zhǔn)電源,它具有精密度高、噪聲低的特點(diǎn),其功耗僅為12 μA,用于建立2.5 V共模基準(zhǔn)電源,以使模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可對此電路的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理;ADA4505?2是微功耗軌到軌I/O雙通道運(yùn)放,用于放大電化學(xué)傳感器送出的微弱電信號,在恒電位配置(U2?A)和跨導(dǎo)配置下使用,其功耗僅為10 μA,室溫下最大偏置電流僅為2 pA,對于該電位部分和跨導(dǎo)部分都是很好的選擇,極低的功耗保證了電池的使用壽命;CO?AX是一氧化碳傳感器,其靈敏度為55~90 μA/ppm,典型值為65 μA/ppm,響應(yīng)時(shí)間小于30 s,具有靈敏度高,響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。AD5271是可編程變阻器,主要作用是擴(kuò)展電路應(yīng)用范圍,提高系統(tǒng)的靈活性。因?yàn)椴煌瑲怏w或不同傳感器的不同的電流輸出范圍,可將AD5271設(shè)置為適當(dāng)?shù)碾娮柚?。AD5271 的溫度系數(shù)為 5 ppm/°C,優(yōu)于大多數(shù)分立電阻;其電源電流為 1 μA,對系統(tǒng)功耗的影響極小。

        5 結(jié) 論

        本文采用電化學(xué)原理多參數(shù)選擇組合的方法設(shè)計(jì)出了能夠同時(shí)檢測氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和可燃?xì)怏w的濃度,解決了目前只能檢測到單一氣體的問題。根據(jù)不同的行業(yè)要求,不同的監(jiān)測點(diǎn),對不同的檢測參數(shù)可以更換不同的傳感器來監(jiān)測不同種類的氣體,對不同氣體可以設(shè)定不同的監(jiān)測濃度和分辨率,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 凌榮耀,歐林林,俞立.便攜式滅弧氣體檢漏儀的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2013(6):572?576.

        [2] 何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1997.

        [3] 夏路易.智能儀表設(shè)計(jì)與接口技術(shù)[M].太原:太原理工大學(xué)出版社,2009.

        [4] 陳雷.點(diǎn)評多國儀器展中的傳感器[J].國外電子測量技術(shù),2012(2):19?23.

        [5] 黃然,呂紫旭,金惠華.基于角速度傳感器與DSP的三維陀螺儀[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(9):53?58.

        [6] 沙占友,王彥鵬,張永昌.單片偏航角速度陀螺儀的原理與應(yīng)用[J].傳感器世界,2004(9):31?34.

        [7] ADI公司.ADI實(shí)驗(yàn)室電路合集(第1冊)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

        [8] Anon. ADXRS450 datasheet EB/OL]. [2014?05?22]. http://www.alldatasheet.com.

        [9] 溫和,王永,滕召勝,等.噪聲影響下的高準(zhǔn)確度介損角測量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013(4):780?785.

        [10] 蘭羽,盧慶林.基于MQ138傳感器的甲醛檢測儀設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù),2013(8):111?114.

        摘 要: 介紹了有毒氣體傳感器的工作原理和特點(diǎn),設(shè)計(jì)出了微功耗式便攜式的有毒氣體監(jiān)測電路,基于VC++平臺開發(fā)了相應(yīng)的軟件。在數(shù)據(jù)處理時(shí)充分考慮環(huán)境因素,對數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該電路具有靈活方便,體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測、國防等領(lǐng)域。

        關(guān)鍵字: 電化學(xué)傳感器; 有毒氣體監(jiān)測; 電路系統(tǒng); 低功耗

        中圖分類號: TN911.7?34;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)17?0151?03

        Abstract: The working principle and characteristics of ADXRS450 is introduced in this paper. The low?power toxic gas monitoring circuit was designed. The corresponding software was develoed based on VC++ platform. The environmental factors was fully considered for data processing. The experimental results show that the circuit has a simple structure, high precision and small size, and can be widely used in the fields of aerospace, industrial production, medical diagnosis, national defense and environment monitoring.

        Keywords: electrochemical sensor; toxic gas monitoring; circuit system; low?power consumption

        0 引 言

        隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,易燃、易爆、有毒氣體的種類和出現(xiàn)概率增加。這些氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中一旦發(fā)生泄漏,將會引發(fā)中毒、火災(zāi)甚至爆炸事故,嚴(yán)重危害人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性,發(fā)生泄漏之后,在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下,氣體會沿地表擴(kuò)散,在事故現(xiàn)場形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū),擴(kuò)大危害區(qū)域。這類事故具有突發(fā)性強(qiáng)、擴(kuò)散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生氣體泄漏事故時(shí)必須盡快采取相應(yīng)措施進(jìn)行處置,才能將事故損失降低到最低水平。同時(shí)探測多種有害氣體氣體的含量,及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救,采取正確的處置方法,減少泄漏引發(fā)的事故,是避免造成重大財(cái)產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監(jiān)測設(shè)備提出了較高的要求,因此氣體探測器的發(fā)展應(yīng)用越來越廣泛。

        目前,有毒氣體檢測大多采用單氣體檢測方式,即每測量一種氣體需要攜帶一種測量儀表。研制能用一種儀器同時(shí)檢測多種不同氣體是氣體檢測儀的發(fā)展趨勢,即進(jìn)行多參數(shù)測量,多種氣體檢測,實(shí)現(xiàn)對多種氣體種類的識別和濃度的判斷,從而更全面地反映被測氣體在特定環(huán)境中所顯示的特性,實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中多種不同有毒氣體。

        2 系統(tǒng)及檢測電路設(shè)計(jì)

        本電路系統(tǒng)主要由微功耗電源、有毒氣體傳感器,MSP430微處理器和鍵盤及顯示電路組成,如圖2所示,其中MSP430是系統(tǒng)控制的核心,主要負(fù)責(zé)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)實(shí)現(xiàn)檢測不同氣體的狀態(tài)切換,及時(shí)向輸出單元輸出信息。電化學(xué)傳感器主要實(shí)現(xiàn)有害氣體濃度和電信號的轉(zhuǎn)換,由于傳感器輸出的信號微弱,信號調(diào)理電路完成信號的放大和去噪,然后輸出到A/D轉(zhuǎn)換器,由微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將結(jié)果輸出到顯示器和聲光報(bào)警系統(tǒng)。

        本設(shè)計(jì)中的所有器件均采用微功耗器件,此外還采用了多項(xiàng)措施降低功耗。電壓源采用精密、低噪聲、微功耗基準(zhǔn)電壓源ADR29,信號調(diào)理部分采用雙通道微功耗放大器ADA4505?2,電化學(xué)傳感器選用CO?AX一氧化碳傳感器,A/D轉(zhuǎn)換器選用AD7798,它是一款16位Σ?Δ低功耗ADC。ADR291是微功耗2.5 V基準(zhǔn)電源,它具有精密度高、噪聲低的特點(diǎn),其功耗僅為12 μA,用于建立2.5 V共模基準(zhǔn)電源,以使模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可對此電路的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理;ADA4505?2是微功耗軌到軌I/O雙通道運(yùn)放,用于放大電化學(xué)傳感器送出的微弱電信號,在恒電位配置(U2?A)和跨導(dǎo)配置下使用,其功耗僅為10 μA,室溫下最大偏置電流僅為2 pA,對于該電位部分和跨導(dǎo)部分都是很好的選擇,極低的功耗保證了電池的使用壽命;CO?AX是一氧化碳傳感器,其靈敏度為55~90 μA/ppm,典型值為65 μA/ppm,響應(yīng)時(shí)間小于30 s,具有靈敏度高,響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。AD5271是可編程變阻器,主要作用是擴(kuò)展電路應(yīng)用范圍,提高系統(tǒng)的靈活性。因?yàn)椴煌瑲怏w或不同傳感器的不同的電流輸出范圍,可將AD5271設(shè)置為適當(dāng)?shù)碾娮柚怠D5271 的溫度系數(shù)為 5 ppm/°C,優(yōu)于大多數(shù)分立電阻;其電源電流為 1 μA,對系統(tǒng)功耗的影響極小。

        5 結(jié) 論

        本文采用電化學(xué)原理多參數(shù)選擇組合的方法設(shè)計(jì)出了能夠同時(shí)檢測氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和可燃?xì)怏w的濃度,解決了目前只能檢測到單一氣體的問題。根據(jù)不同的行業(yè)要求,不同的監(jiān)測點(diǎn),對不同的檢測參數(shù)可以更換不同的傳感器來監(jiān)測不同種類的氣體,對不同氣體可以設(shè)定不同的監(jiān)測濃度和分辨率,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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