孔令敏（哈爾濱冠拓電源設(shè)備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

基于LMP91050的一氧化碳濃度探測(cè)器

孔令敏
（哈爾濱冠拓電源設(shè)備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

本設(shè)計(jì)是基于LMP91050的一氧化碳濃度探測(cè)器的研制辦法，本文分析了基于LMP91050的CO濃度探測(cè)器的整體設(shè)計(jì)方案，探討了基于LMP91050的實(shí)現(xiàn)原理。本文介紹了LMP91050的特性、優(yōu)點(diǎn)及內(nèi)部原理。同時(shí)介紹了德州儀器公司出產(chǎn)的LMP91050芯片與非分光紅外傳感器（NDIR）的聯(lián)合應(yīng)用。

LMP91050；一氧化碳；NDIR；傳感器

1　引言

一氧化碳是一種有毒并且易燃易爆的氣體，在生活生產(chǎn)中它既可以使人中毒，同事也可能造成爆炸與火災(zāi)。所以對(duì)一氧化碳濃度的測(cè)量對(duì)現(xiàn)實(shí)生活生產(chǎn)中有著舉足輕重的意義。

2　整體設(shè)計(jì)

2.1 基于LMP91050的CO濃度探測(cè)器的整體設(shè)計(jì)方案

基于LMP91050的CO濃度探測(cè)器的設(shè)計(jì)核心是傳感器，我們已經(jīng)初步選定了非分光紅外氣體傳感器（NDIR），根據(jù)制作一氧化碳濃度探測(cè)器的要求，需要對(duì)一氧化碳濃度進(jìn)行測(cè)量并且通過(guò)微處理器處理最后在LCD屏中得到顯示。

該系統(tǒng)是由調(diào)制紅外光源、紅外探測(cè)器、傳感器模擬前端（LMP91050）、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、微處理器、LCD顯示屏組成。其中調(diào)制紅外光源負(fù)責(zé)調(diào)制發(fā)出紅外光線(xiàn)，氣室中的待測(cè)氣體負(fù)責(zé)吸收特定波長(zhǎng)的紅外光線(xiàn)，紅外探測(cè)器負(fù)責(zé)將一氧化碳經(jīng)過(guò)吸收了的特定波長(zhǎng)的紅外光之后接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。LMP91050芯片負(fù)責(zé)對(duì)傳感器傳過(guò)來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行增益放大，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將LMP91050芯片放大的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)，微控制器主要負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的分析處理，并且對(duì)LMP91050及數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置。最后由LCD顯示屏顯示出被測(cè)結(jié)果。

2.2 調(diào)制光源的選取方案設(shè)計(jì)

調(diào)制光源的理想情況是一種純黑色體，它能吸收各種波長(zhǎng)的輻射，并以相同的速度發(fā)散出各種波長(zhǎng)的輻射能。由于現(xiàn)實(shí)生活中絕對(duì)黑體是不存在的，我們只能選擇盡可能符合絕對(duì)黑體性質(zhì)的調(diào)制光源。在非分光紅外傳感器中，對(duì)于調(diào)制紅外光源最重要的兩種性質(zhì)分別是：

（1）輻射光譜的穩(wěn)定性。因?yàn)闅怏w會(huì)對(duì)紅外光線(xiàn)的波長(zhǎng)具有選擇性吸收。同時(shí)氣對(duì)

紅外光的吸收在不同的波長(zhǎng)下有所不同，而調(diào)制紅外光源所發(fā)出的輻射光譜的成分取決于光源電源的的功率，因此對(duì)光源的供電電流要具有一定的穩(wěn)定性。

（2）氣體吸收的紅外光波長(zhǎng)應(yīng)該在調(diào)制紅外光源輻射的紅外光譜波長(zhǎng)之內(nèi)。由于一氧化碳對(duì)紅外光的吸收波長(zhǎng)在4.6μm，于是需要選擇一個(gè)輻射波長(zhǎng)主要在4.6μm的紅外光源，綜上所述選擇了MIRL17-900。

2.3 氣室方案的設(shè)計(jì)

為了防止氣室壁對(duì)紅外光輻射從而對(duì)一氧化碳濃度探測(cè)器靈敏度造成影響，應(yīng)選擇玻璃鍍金或鋁合金材料。同時(shí)要求紅外光探測(cè)器與調(diào)制紅外光源在同一水平線(xiàn)上。由于一氧化碳分子量略小于空氣平均分子量，所以在氣室下方設(shè)有進(jìn)氣口，在氣室上方設(shè)有出氣口。

由于在實(shí)驗(yàn)室條件下，氣室效果不可能盡如人意，氣室只能盡量符合一氧化碳濃度測(cè)量對(duì)氣室的要求。

2.4 探測(cè)器選取的設(shè)計(jì)方案

紅外探測(cè)器（Infrared Detector）是由熱電偶構(gòu)成的傳感器器件。當(dāng)紅外探測(cè)器接收到照射過(guò)來(lái)的紅外光時(shí)，光敏元件會(huì)立刻提高溫度，致使熱電偶之間產(chǎn)生相應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)，由此將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。

紅外探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)：

由于紅外探測(cè)器是由熱學(xué)原理制成的，因此當(dāng)紅外光照射在探測(cè)器之上的時(shí)候，紅外探測(cè)器的響應(yīng)速度非?？?。

綜上所述，經(jīng)過(guò)對(duì)資料的分析及查找選擇了一種較為理想的紅外探測(cè)器——TPS2534 G1 G20 3195。

TPS2534 G1 G20 3195由PerkinElmer公司生產(chǎn)。其紅外探測(cè)器在內(nèi)部被填充了氮?dú)馇彝耆芊?。窗口上覆蓋著濾波片。由于探測(cè)器輸出電壓頻率與接收到的調(diào)制紅外光頻率一致，可以看做是一個(gè)穩(wěn)定的電壓源。

2.5 LMP91050芯片介紹

LMP91050是德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的一種可編程的模擬前端（AFE），為橋接微處理器與傳感器提供簡(jiǎn)單易用的模塊化解決方案，設(shè)計(jì)工程師可在多個(gè)非色散紅外線(xiàn) （NDIR） 氣體傳感器平臺(tái)中使用單個(gè) AFE，無(wú)需設(shè)計(jì)數(shù)個(gè)復(fù)雜的分立式解決方案，可顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

LMP91050 NDIR 氣體傳感 AFE 的主要特性與優(yōu)勢(shì)：

（1）完整的氣體傳感器整套方案：AFE 具有兩個(gè)可編程放大器 （PGA），并且可以調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，有兩個(gè)放大器可供選擇。擁有SPI接口，可以連接芯片與單片機(jī)，構(gòu)成傳輸以用單片機(jī)控制放大；

（2）可編程增益放大器：有兩個(gè)放大器分高檔位和低檔位。這樣就使選擇傳感器變得更靈活。

（3）優(yōu)異的性能：500ns 的相位延遲量、（0.1 至 10Hz）的低噪聲；

（4）小巧的外形：外形極其小巧3mm×4.9mm的封裝大小，具有便攜性。

結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了本設(shè)計(jì)基于LMP91050的一氧化碳濃度探測(cè)器的核心元件傳感器的選擇及目標(biāo)芯片的簡(jiǎn)介。而對(duì)于核心元件傳感器的幾個(gè)組成部分做了詳細(xì)分析，包括調(diào)制紅外光源、紅外探測(cè)器。從資料查找到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件再到本設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)等因素出發(fā)，細(xì)致的闡述了所選元器件和所選元器件的原因與好處。同時(shí)說(shuō)明了各部分元器件的使用原理，從而大致確定了本設(shè)計(jì)得整體方案。

在確定整體方案的前提下，查找資料了解一些需要選擇與未曾使用過(guò)得元器件，了解參數(shù)，查看說(shuō)明書(shū)，學(xué)會(huì)使用方法。同時(shí)對(duì)基于LMP91050的一氧化碳濃度探測(cè)器的整體外觀及大致思路做了一個(gè)設(shè)想。

[1]谷有臣.傳感器技術(shù)的發(fā)展和趨勢(shì)綜述[J].物理實(shí)驗(yàn)，2002，22（12）： 41-43.

[2]胥京宇.LMP91050/91200：模擬前端[J].世界電子元器件，2012（05）：35.

[3]王芹生.意法半導(dǎo)體MEMS芯片出貨量破20億大關(guān)[J].中國(guó)集成電路，2012 （04）：11.

[4]胥京宇.REM0.64：端子[J].世界電子元器件，2012（05）：35.

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