智能CO探測器設計

高國強, 黃國梁

(1.南京工業(yè)大學 材料化學工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210009；2.無錫高頓傳感技術有限公司 無錫(濱湖)國家傳感信息中心，江蘇 無錫 214131)

0 引 言

CO是一種無色、無嗅、有毒且易燃易爆的氣體,它的存在給人們的生命和財產安全帶來了極大的威脅。工業(yè)生產煤氣、煉鋼、煉焦、燒窯、礦井作業(yè)、礦山爆破以及化工等行業(yè)的從業(yè)者均有機會接觸到CO。日常生活中，煤爐、煙囪堵塞、煤氣紅外線取暖器、煤氣灶及家用天然氣灶漏氣等均有可能產生CO[1]。

傳統(tǒng)的半導體式CO探測器利用半導體材料表面吸附、脫附氣體分子會引起半導體電導的變化的原理來檢測氣體的濃度。長期以來，半導體式CO氣體探測器以其靈敏度高、響應時間短、經濟可靠等特點而得到迅猛發(fā)展。但是，由于其對氣體的選擇性差，穩(wěn)定性差，導致其誤報的概率大，且如果長時間沒有遇到CO將會因為氧化而對CO變得不靈敏[2]。除此之外，這類儀器的輸出信號是非線性的，對于儀器的標定有一定的困難。

本文研制的電化學式CO探測器以低功耗、超高速的微處理器C8051F120為采集、運算和控制核心，結合使用無錫高頓傳感技術有限公司生產的CO—7G燃料電池型電化學CO傳感器，實現(xiàn)對CO濃度的實時檢測和顯示。同時，探測器還具有三路繼電器輸出，可以在發(fā)現(xiàn)CO氣體的時候采取相應的報警和控制措施；同時一路4～20 mA模擬輸出，可以實現(xiàn)遠距離監(jiān)測CO濃度。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 硬件電路框圖

CO探測器的基本硬件結構如圖1所示，主要有信號調理模塊、按鍵和顯示模塊、數(shù)據(jù)采集和控制模塊、4～20 mA輸出模塊、光報警模塊。該系統(tǒng)的主要原理是：CO傳感器CO—7G產生與CO濃度呈線性關系的電流，經信號調理電路轉換成電壓，使用單片機C8051F120的12位A/D轉換模塊采集調理電路輸出的電壓，并計算成濃度顯示在數(shù)碼管上；同時，通過單片機本身自帶的12位D/A轉換模塊將濃度信息轉換為電壓，并輸入到4～20 mA電路，產生4～20 mA電流；在整個檢測過程中，如果濃度達到限定值，則開啟相應的繼電器，并啟動光報警電路。

圖1 硬件電路框圖

1.2 硬件選擇

1.2.1 CO—7GCO電化學傳感器

無錫高頓傳感技術有限公司制造的CO—7G電化學氣體傳感器用于準確檢測體積分數(shù)為1×10-6CO氣體。CO—7G在適用溫度范圍內漂移很小，對濕度和氣壓變化不敏感，響應時間短，呈穩(wěn)定的平臺形響應，具有優(yōu)越的準確性和長期穩(wěn)定性。

電化學CO氣體傳感器采用密閉結構設計，其結構是由電極、過濾器、透氣膜、電解液、電極引出線(管腳)、殼體等部分組成。CO氣體傳感器與報警器配套使用，是報警器中的核心檢測元件。當CO擴散到氣體傳感器時，通過電極上的電化學氧化還原反應，建立電化學平衡，反應產生的電流與CO氣體的濃度呈正比，化學反應方程式如下

CO+H2O=CO2+2H++2e-(工作電極),

O2+4H++4e-=2H2O(對電極)[3].

當氣體濃度發(fā)生變化時，氣體傳感器的輸出電流也隨之呈正比變化，經報警器的中間電路轉換放大輸出，以驅動不同的執(zhí)行裝置，完成聲、光和電等檢測與報警功能，與相應的控制裝置一同構成了環(huán)境檢測或監(jiān)測報警系統(tǒng)。

1.2.2 核心單片機C8051F120

CO電化學傳感器的輸出電流是微安級的，為了能夠實現(xiàn)對微安級電流的精確采集，A/D轉換的精度至少要達到10位以上。該CO探測器主要應用在煤礦、石油、化工等領域，這些領域對系統(tǒng)的性能有很高的要求。介于以上兩點，本系統(tǒng)使用的單片機必須是一種高速、低功耗并且具有高精度A/D轉換模塊的單片機。C8051F120完全符合以上要求，它具有一個高速8051微控制器內核，最高執(zhí)行速率可以達到100 MIPS，128 kB的分區(qū)FLASH，256 bytes數(shù)據(jù)RAM，8 k的外部數(shù)據(jù)存儲地址空間和外部存儲接口；同時它還擁有一個12位的逐次逼近型A/D轉換模塊；整個單片機采用3.3V供電，功耗低于一般5 V供電的單片機[4]。

2 系統(tǒng)主要硬件部分

2.1 CO—7G信號調理電路

圖2為CO—7G信號調理電路[5]，當有CO擴散到傳感器時，傳感器便有電流輸出，其強度與CO的濃度呈正比，方向如圖中i所示。電流經過R2和U2組成的電流電壓轉換電路轉換成電壓，電壓大小與電流強度呈正比，即與CO濃度呈正比。經過R2和U2輸出的電壓再經過U1，R1，R6組成的反相放大電路放大10倍，這樣在輸出端便得到了適合單片機采集的模擬電壓。假設輸出電壓為Vout(單位V)，傳感器產生的電流強度為i(單位μA)，方向如圖所示，則輸出電壓與傳感器產生的電流的關系為

Vout=2.5-0.1i(μA).

CO—7G傳感器的標稱靈敏度為85.911 μA·L/mg，由此可以推斷出：若探測器量程為0～0.117 mg/L，則信號調理電路輸出的電壓范圍為2.5～1.5 V，而單片機ADC的參考電壓為3.3 V，完全能夠采集該范圍的電壓。

圖2 CO—7G信號調理電路

電路中的運算放大器OP295和LT1635均為高精密、低功耗、軌對軌輸出運算放大器，且增益帶寬窄，非常適合低頻直流小信號的放大。2個運放均可使用單電源供電，這也為電源電路的設計減小了負擔。

2.2 按鍵和顯示電路

圖3為按鍵和顯示電路。

圖3 按鍵和顯示電路

數(shù)碼管采用PNP型三極管S8550控制，8個段碼接到單片機的P3口，3個位碼接到單片機的P20～P22口，設置單片機P3口和P2口為推挽輸出，當某位位碼輸出低電平，同時P3口送出相應段碼，便可以在某一位上顯示相應的段碼。

按鍵使用常開式磁性開關，當磁鐵靠近按鍵時，按鍵閉合，當磁鐵遠離按鍵時，按鍵斷開。按鍵接到單片機的P10口，配置P10口為數(shù)字輸入，并將外部中斷0配置到P10腳，當按鍵按下時，便會觸發(fā)外部中斷0，在中斷服務程序中判斷有無按鍵按下。

2.3 4～20 mA輸出電路

圖4為4～20 mA輸出電路。

圖4 4～20 mA輸出電路

探測器使用4～20 mA遠距離傳輸氣體濃度信息，4 mA代表0 mg/L，20 mA代表滿量程濃度。采用電流傳輸信號的原因是：信號傳輸不容易受干擾，且電流源內阻無窮大，導線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米遠。本系統(tǒng)使用集成芯片AD694實現(xiàn)4～20 mA。AD694是一種單片電壓—電流轉換器，能夠將輸入電壓信號轉換成標準的4～20 mA信號。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境為Keil C51，整個系統(tǒng)采用模塊化思想編程，主要有顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、溫度校正模塊、繼電器控制模塊、按鍵模塊等。其中，最重要的是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)采集模塊通過過采樣的方法提高ADC的精度，數(shù)據(jù)處理模塊采用均值濾波法提高探測器的準確性。由于傳感器對氣體的響應會受溫度的影響，所以,本系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度信息，并配合軟件對溫度的影響進行校正[7]。

4 實驗結果

4.1 準確性實驗

為了檢測探測器的準確性，進行了以下實驗：取4臺探測器(依次編號1#，2#，3#，4#)，在20 ℃，標準大氣壓的環(huán)境下，分別通入0.058,0.117 mg/L的CO氣體(流量1 L/min )，探測器的讀數(shù)如表1所示。

表1 探測器準確性實驗數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可以看出：對于給定的CO氣體，4臺探測器所測得的氣體濃度的誤差均沒有超過0.001 16 mg/L，所以，探測器的準確性是很好的。

4.2 探測器長期穩(wěn)定性實驗

為了檢測探測器的長期穩(wěn)定性，進行了以下實驗：取4臺探測器(依次編號1#,2#,3#,4#)，在20 ℃，標準大氣壓的環(huán)境下，分別通0.058 2 mg/L的CO氣體(流量1 L/min)，探測器的讀數(shù)如表2所示。

表2 探測器長期穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)1

1個月后(27 天)，再次通0.058 2 mg/L的CO氣體(流量1 L/min),探測器的讀數(shù)如表3所示。

表3 探測器長期穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)2

綜合表2和表3的數(shù)據(jù)可以得出結論：在1個月的時間內4臺探測器對0.058 2 mg/L的CO響應偏差均沒有超過全量程(0.116 4 mg/L)的5 %(即0.005 82 mg/L)，所以,探測器具有較好的長期穩(wěn)定性。

5 結束語

本文設計的CO探測器采用高靈敏度、高可靠性以及響應迅速的電化學CO傳感器CO—7G，低功耗、高性能單片機C8051F120，實現(xiàn)了對CO濃度的準確測定與快速報警。

4～20 mA模塊用于遠程監(jiān)測CO氣體濃度，繼電器模塊用于對報警信息做出相應動作。實驗數(shù)據(jù)表明：這種CO探測器的誤差小于0.001 16 mg/L,在長期連續(xù)使用的過程中，其誤差小于0.005 82 mg/L,與傳統(tǒng)CO探測器相比具有響應速度快、穩(wěn)定性好、測量精度高等優(yōu)勢，具有很高的實用價值。

參考文獻:

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[4] 潘琢金，施國君.C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

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[7] 朱前偉，孫小進，趙小兵，等.基于單片機的一氧化碳傳感器的設計[J].計算機測量與控制，2009,17(7):1445-1446.