王強(qiáng)

摘 要：以ADuCM362微控制器為核心，結(jié)合電化學(xué)傳感器Alphasense CO-AX，設(shè)計了一種有毒氣體檢測器。對硬件和軟件設(shè)計進(jìn)行了說明，實現(xiàn)了對環(huán)境中有毒氣體CO濃度的檢測，能夠清晰地讀出氣體濃度、峰值和高、低濃度報警水平。該裝置具有功耗低、交叉靈敏度低、穩(wěn)定性高等特點，適合電池供電的便攜式應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)；有毒氣體檢測；ADuCM362

中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0092-02

1 概述

有毒氣體存在于日常生活和許多工業(yè)環(huán)境之中，比如農(nóng)村用煤爐生火取暖、工業(yè)生產(chǎn)中的塑料加工、造紙等。隨著國家對安全生產(chǎn)要求的重視以及個人安全意識的提高，對有毒氣體檢測器的需求日益增加。電化學(xué)傳感器多應(yīng)用于有毒氣體檢測器中，電化學(xué)傳感器能夠檢測工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的多數(shù)氣體，例如一氧化碳、二氧化硫、硫化氫以及二氧化氮。采用電化學(xué)傳感器檢測有毒氣體與其他檢測方法相比，該方法具有功耗低、靈敏度高、穩(wěn)定性高等特點，更適合于對功耗要求比較低的場合應(yīng)用[1]。

本文設(shè)計的有毒氣體檢測器，微控制器采用ADuCM362，信號測量模塊采用電化學(xué)傳感器 Alphasense CO-AX。傳感器接觸到一氧化碳?xì)怏w會產(chǎn)生電流信號，信號轉(zhuǎn)換電路將傳感器產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，ADuCM360通過內(nèi)部的ADC采集轉(zhuǎn)換出的電壓信號，并根據(jù)該電壓信號計算得到所測得到一氧化碳?xì)怏w濃度，最后在LCD上顯示出采集到的電壓值和一氧化碳?xì)怏w濃度。

2 硬件設(shè)計

有毒氣體檢測器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)采集部分和控制管理部分。

數(shù)據(jù)采集部分：

數(shù)據(jù)采集部分采用Alphasense CO-AX一氧化碳傳感器，該傳感器屬于三電極電化學(xué)傳感器。電化學(xué)傳感器應(yīng)用于有毒氣體檢測器具有諸多優(yōu)勢，比如具有良好的選擇性和敏感性。電化學(xué)傳感器在工作時會將被測物與敏感材料之間發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行測量。電化學(xué)傳感器的一個重要特性是響應(yīng)緩慢：首次上電后，傳感器可能需要數(shù)分鐘時間才能建立至最終輸出值；暴露于中間量程的氣體濃度時，傳感器可能需要25到40秒時間才能達(dá)到最終輸出值的90%。

圖2為電化學(xué)傳感器測量電路。電化學(xué)傳感器的工作原理是氣體通過薄膜自由擴(kuò)散到傳感器的氣室，并與工作電極WE產(chǎn)生作用。傳感器參比電極RE提供相應(yīng)的反饋，以便通過改變輔助電極CE上的電壓維持工作電極WE的恒定電位。工作電極WE上的電流信號與發(fā)生電極氧化或還原的氣體濃度有關(guān)，當(dāng)被測氣體為一氧化碳時，發(fā)生的是氧化反應(yīng)，因此，電流在這種情況下會流入工作電極，并且反電極相對于工作電極應(yīng)處于負(fù)電壓狀態(tài)[2]。

ADuCM362最大的優(yōu)勢在于通過軟件編程可將其配置為低功耗工作模式，如將其配置為休眠模式時，功耗可將至4uA，如需喚醒處理器，可通過外部中斷和內(nèi)部喚醒定時器喚醒。低功耗模式大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行功耗并且不影響系統(tǒng)處理外部異步或周期事件。

其他硬件模塊比如顯示模塊、報警模塊等都是常見的，通用型的設(shè)計，在此不再重復(fù)。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作，之后啟動ADC采集，根據(jù)ADC采集到的信號計算CO濃度并將計算結(jié)果顯示至LCD，系統(tǒng)根據(jù)CO濃度閾值，在不同等級控制蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音進(jìn)行報警，濃度越高，頻率越高。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

本文采用高性能微控制器ADuCM362和電化學(xué)傳感器Alphasense CO-AX設(shè)計的有毒氣體檢測器，實現(xiàn)了對環(huán)境中有毒氣體的檢測，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，具有一定的應(yīng)用和推廣價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鶴橋，陳士學(xué).常見氣體傳感器主要特性介紹及表面溫度分析[J].電氣防爆，2015，12（4）.

[2]杜黎.電化學(xué)傳感器測試電路設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[3]姚思嫻，顧敏明，何黎明，等.基于ADuCM360的無線低功耗有毒氣體探測器[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，10.

[4]周欽河.淺談光電傳感器在自動控制中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（28）：24.

[5]宋睿，易禎華.光電傳感器的應(yīng)用和發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（18）：40.endprint