李朋賓,劉東旭,秦　曠（.鄭州光力科技股份有限公司;　.河南省電力公司鄭州供電公司,鄭州　45000）

在線環(huán)境監(jiān)測電化學(xué)CO傳感器設(shè)計(jì)

李朋賓1,劉東旭1,秦曠2
（1.鄭州光力科技股份有限公司;2.河南省電力公司鄭州供電公司,鄭州450001）

摘要：本文介紹了按照電化學(xué)CO傳感器的工作原理，根據(jù)電化學(xué)CO傳感器設(shè)計(jì)了在線環(huán)境監(jiān)測電化學(xué)CO傳感器，。本文，介紹了其硬件電路構(gòu)成和軟件工作流程，通過實(shí)驗(yàn)測試表明該傳感器具有良好的線性和較高的測量精度。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)；CO傳感器；在線環(huán)境監(jiān)測；硬件電路

0　引言

CO屬于有劇毒型氣體，若人所處的環(huán)境中CO的體積比的含量濃度達(dá)到為0.02%，（體積比）則在2～3小時(shí)內(nèi)就能引起人輕微的頭痛，若達(dá)到0.08%，則在40分鐘內(nèi)人就會(huì)頭痛、惡心甚至昏迷。因此在含有CO的高危作業(yè)環(huán)境中作業(yè)，對CO氣體濃度的實(shí)時(shí)檢測變得尤為重要[1]。本文研究了一種基于電化學(xué)式CO氣體測量原理的在線環(huán)境CO傳感器，可實(shí)時(shí)檢測環(huán)境中CO的氣體含量。

1　電化學(xué)式CO傳感器原理

最早的電化學(xué)傳感器最早可以追溯到20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)主要用于氧氣監(jiān)測。到了20世紀(jì)80年代中期，小型電化學(xué)傳感器開始用于檢測ΡEL范圍內(nèi)的CO等多種不同的有毒氣體，并顯示表現(xiàn)出了良好的敏感性與選擇性。

電化學(xué)傳感器的工作原理是通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生電流信號，信號強(qiáng)度與被測氣體濃度成正比的電信號來工作。電流通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)，通過。測量該電流即可確定被測氣體濃度[2,3]。

電化學(xué)傳感器對工作電源的要求很低。實(shí)際上，在可用于氣體監(jiān)測可用的所有所有傳感器類型中，電化學(xué)傳感器對工作電源的要求很低，其功耗是最小低的[4]。

2　在線環(huán)境CO傳感器設(shè)計(jì)

2.1CO傳感器硬件構(gòu)成

圖1　CO傳感器硬件構(gòu)成

CO傳感器硬件組成如圖1，其中MCU是整個(gè)儀器的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、測量數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警控制、顯示處理及測量數(shù)據(jù)的上傳等功能。MCU采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F103系列的M3內(nèi)核的ARM芯片（M3內(nèi)核），其該芯片內(nèi)部集成有的12位高精度的AD轉(zhuǎn)換器可進(jìn)行模擬信號采集可進(jìn)行模擬信號采集的AD轉(zhuǎn)換；。SΡI總線進(jìn)行測量數(shù)據(jù)顯示的通信，通訊異步串口1采用RS485通訊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交互。

顯示部分進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，聲光報(bào)警部分則是在環(huán)境中CO氣體含量超過設(shè)定門限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。紅外按鍵接收電路采用士蘭微的SIR8330紅外遙控接收模塊，實(shí)現(xiàn)紅外遙控信號的拾取、放大和解調(diào)，檢波時(shí)直接用MCU高級定時(shí)器進(jìn)行解碼處理，程序?qū)崿F(xiàn)簡單且成本低廉。

信號處理電路是負(fù)責(zé)把電化學(xué)式CO傳感器的電信號經(jīng)放大、調(diào)理后輸出給MCU。信號處理該電路采用了LMΡ7721，主要是因?yàn)槠浼闪司哂休斎肫孟娐?，可以顯著減小輸入偏置電流，在室溫下的整個(gè)公模電壓范圍內(nèi)的典型值為2fA可并保證整個(gè)處理電路的精度及和分辨率。上位機(jī)通訊電路采用RS485通訊方式把測量結(jié)果和報(bào)警信息上傳給ΡC機(jī)、或是主站等其它終端設(shè)備。

2.2CO傳感器軟件部分的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用前后臺同步運(yùn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，前臺部分完成對實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)的任務(wù)在前臺完成，后臺部分完成對實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)在后臺完成。

前臺服務(wù)部分可快速響應(yīng)外部信號并設(shè)置相應(yīng)的事件標(biāo)志，若事件實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)，則直接進(jìn)行事件處理。否則若實(shí)時(shí)性要求不強(qiáng)，在則后臺程序后臺部分中查詢各事件標(biāo)志并，進(jìn)行事件處理并后清除事件標(biāo)志。軟件設(shè)計(jì)具體流程見圖2。

圖2　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序后臺流程圖

3　CO傳感器實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果量數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中下對本文設(shè)計(jì)的在線環(huán)境監(jiān)測CO傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，并與標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對比，測試數(shù)據(jù)及對比結(jié)果見如表1所示。

表1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)顯示的測量數(shù)據(jù)，本文所設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測CO傳感器在整個(gè)測量范圍內(nèi)，且AD值有良好的線性，其誤差分為兩段表現(xiàn)為：在0～100ppm內(nèi)絕對誤差優(yōu)于4ppm,在100～500ppm內(nèi)相對誤差優(yōu)于真值的5%且AD值具有良好的線性。

4　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款在線環(huán)境CO傳感器。MCU采用了STM32F103系列的ARM芯片，具有集成度高，片上資源豐富的特點(diǎn)；芯片內(nèi)部，采用其內(nèi)部12位的AD做模數(shù)轉(zhuǎn)換，節(jié)省了成本較低、且具有較高的精度較高；程序軟件設(shè)計(jì)上采用前臺任務(wù)與后臺同步處理的多任務(wù)調(diào)度器的思路想理念，節(jié)省了代碼量、提高了MCU內(nèi)核的效率。

通過大量的實(shí)驗(yàn)室測試及現(xiàn)場使用結(jié)果表明：證明在環(huán)境CO濃度含量在100ppm以下時(shí)，絕對誤差優(yōu)于精度4ppm，在100至500ppm以下時(shí)，相對誤差優(yōu)于精度達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值的5%。誤差值，可滿足用于工廠高危環(huán)境及特殊環(huán)境的CO氣體含量的檢測使用要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張洪潤,傅瑾新,呂泉,張亞凡.傳感器技術(shù)大全[M].北京:北京航天大學(xué)出版社,2007.

[4]彭軍.傳感器與監(jiān)測技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.