孫曉東（煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧沈陽，110000）

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孫曉東
（煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧沈陽，110000）

摘要：一款好的產(chǎn)品的更注重于客戶體驗(yàn)和實(shí)用。本文以SUSA公司生產(chǎn)的4CO-SF系列電化學(xué)傳感器為設(shè)計(jì)一次元件，通過對(duì)探頭溫度特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)合溫度傳感器進(jìn)行溫度校正，從而實(shí)現(xiàn)高精度一氧化碳測定器的設(shè)計(jì)。在傳感器功耗方面采用超低功耗16位的TI公司5系列進(jìn)行測定器嵌入式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在溫度變化為-30~55℃范圍內(nèi)，溫度誤差在2%的范圍內(nèi)，提高了儀表的精度，延長了儀表的使用時(shí)間，更加實(shí)用、可靠。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)；嵌入式；溫度校正；實(shí)用

0　引言

電化學(xué)做為傳感器的一次元件是目前行業(yè)內(nèi)檢測有毒有害氣體大規(guī)模使用的一種。對(duì)于一氧化碳?xì)怏w含量的測定在礦山及相關(guān)爆破行業(yè)等特殊場合成了一項(xiàng)硬性的規(guī)定，對(duì)保證人身安全，安全生產(chǎn)時(shí)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

市場上大部分產(chǎn)品多只做了簡單的硬件溫度補(bǔ)償或者未做補(bǔ)償，這樣在溫度變化比較大的時(shí)候，探頭的檢測精度得不到很好的保證，大部分產(chǎn)品也只有在行業(yè)要求的檢測點(diǎn)比較精準(zhǔn)。為了使得探頭在全溫度范圍內(nèi)得到很好地補(bǔ)償本文設(shè)計(jì)了基于溫度傳感器的低功耗一氧化碳測定器設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)信號(hào)采集、放大、濾波及結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、MCU進(jìn)行溫度補(bǔ)償及顯示，實(shí)現(xiàn)了滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的便攜式單探頭一氧化碳測定器。

1　整體功能方案設(shè)計(jì)

三電極電化探頭主要由工作電極、參比電極和源電極組成。當(dāng)氣體擴(kuò)散到電極上時(shí)，工作電極將感應(yīng)到的一氧化碳與水氧化反應(yīng)生成二氧化碳、氫離子與電子。這些離子和電子在電解液里移動(dòng)到源電極發(fā)生還原反應(yīng)生成水。通過氧化還原反應(yīng)維持工作電極和源電極之間的電勢差。參比電極為一恒電位，當(dāng)電極隨著探頭濃度高低變化時(shí)，相對(duì)恒電位也是隨之變化。從而實(shí)現(xiàn)不同濃度一氧化碳?xì)怏w的采集。

如圖1所示為測定器的整體結(jié)構(gòu)。MCU選用TI公司的超微功耗單片機(jī)MSP430F5438為作為信號(hào)AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理。溫度采集采用DALLAS公司的DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器。一次電化學(xué)元件將感應(yīng)到的一氧化碳?xì)怏w濃度值轉(zhuǎn)換成微弱的電流信號(hào)，經(jīng)I/V變換、信號(hào)放大、濾波等環(huán)節(jié)將數(shù)據(jù)送入MCU的AD引腳進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。經(jīng)標(biāo)定、數(shù)據(jù)溫度補(bǔ)償處理后完成對(duì)一氧化碳濃度值的精確測量。

圖1　測定器整體結(jié)構(gòu)

2　關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

如圖所示為SUSA公司電化學(xué)一次元件4CO-SF的信號(hào)采集調(diào)理電路。電路中一次元件的靈敏度為75Na/PPM，當(dāng)有一氧化碳?xì)怏w存在時(shí)，探頭輸出微弱的nA級(jí)信號(hào)，經(jīng)過U2運(yùn)放的I/V變換及放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，從而將隨濃度變化的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為430單片機(jī)12位AD可以識(shí)別的信號(hào)。

電路中參考電壓Vr為電路提供恒電位。電路中R5的選取可在10Ω-40Ω之間。R1的值越大，則系統(tǒng)的噪聲越小，但相應(yīng)的電路響應(yīng)變慢，為保證響應(yīng)時(shí)間小于25s且能保證電路噪聲合理的情況下，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)R1的值。盡量保證R1兩端的電壓不高于10mV。

電路中運(yùn)放必須選擇一個(gè)偏置電壓較小的運(yùn)放，若偏置電壓較大則會(huì)在上電開啟時(shí)經(jīng)過較長時(shí)間才能穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)才有OP2177大增益、低失調(diào)運(yùn)放來對(duì)調(diào)理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2　信號(hào)采集及處理電路

3　溫度數(shù)據(jù)采集及校正

如圖所示為對(duì)探頭更好的進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)采用每隔10度對(duì)氣體進(jìn)行一次恒溫實(shí)驗(yàn)。測試溫度范圍為-30℃-55℃，溫度測試結(jié)果如下。通過圖中可以看出，當(dāng)溫度在-30℃-55℃范圍變化時(shí)，溫度漂移達(dá)到50%以上，為了提高儀表精度，需進(jìn)行溫度校正。

對(duì)溫度實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析，通過單片機(jī)及存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，主要包含標(biāo)定時(shí)的溫度數(shù)據(jù)、氣體濃度數(shù)據(jù)。每次標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，MCU根據(jù)現(xiàn)場溫度與標(biāo)定溫度對(duì)比，自動(dòng)完成溫度的漂移補(bǔ)償。因探頭量程為0-1000ppm，所以標(biāo)定氣體選擇500ppm附近的氣樣。

4　效果測試

在測定器開機(jī)后，用500ppm的氣對(duì)測定器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定后分別選擇不同溫度通入350ppm的氣體進(jìn)行試驗(yàn)，測試結(jié)果如表所示。

表1　高低溫?cái)?shù)據(jù)測試

通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，溫度補(bǔ)償效果非常明顯。便于更多領(lǐng)域的應(yīng)用。通過整機(jī)待機(jī)電流測試，待機(jī)耗電20mA，對(duì)于一節(jié)1800mAh電池理論可用90小時(shí)，相比于傳統(tǒng)8小時(shí)充電，大大增加了使用時(shí)間。

5　結(jié)論

本文本著實(shí)用、精準(zhǔn)的原則對(duì)一氧化碳測定器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過實(shí)時(shí)溫度信息對(duì)電化學(xué)探頭進(jìn)行溫度補(bǔ)償，通過實(shí)驗(yàn)測試可用看出探頭受溫度影響很小，實(shí)現(xiàn)了較好測補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)

［1］ 劉麗靜.礦用電化學(xué)CO傳感器設(shè)計(jì)［J］. 工礦自動(dòng)化. 2010（11）

［2］ Kobayashi T，Imade Y，Shihara D， et al.All solid-state battery with sulfurelectrode and thio-LISICON electrolyte. Journal of Power Sources . 2008

圖3　一氧化碳溫度曲線

Design of low power carbon monoxide detector with temperature compensation

Sun Xiaodong
（Shenyang Research Institute of Coal Group Co.，Ltd.Shenyang Liaoning，110000）

Abstract：A good product is more focused on the customer experience and practical. This paper to Susa company production 4CO-SF series of electrochemical sensor as the primary elements of design，through test analysis of temperature characteristics of the probe with temperature sensor for temperature correction，in order to achieve high accuracy carbon monoxide detector design. The power consumption of the sensor，using ultra low power 16 bit of TI company 5 series were determination of embedded device design，the changes in temperature -30~55 temperature range，the temperature error in the range of 2% and improve the accuracy of the instrument，prolong the using time of instrument，more practical， reliable.

Keywords：Electrochemistry；embedded；temperature calibration；practical