基于AT89C2051 的CO2 检测仪的设计

马国瀚，李景丽

(黄河水利职业技术学院，开封 河南 475004)

0 引言

随着工业的发展，CO2的排放量不断增加。 CO2的大量产生可以引起全球性气候变暖，即产生温室效应。 CO2气体还与细生物、植物、动物的呼吸和生长密切相关，直接影响农业等国民经济的发展。 所以，对CO2产生源的及时检测显得尤为重要。

基于AT89C2051 的CO2检测仪运用气体传感器检测CO2，采用了MAX187 串行A/D 转换器、PG A204 可编程增益放大器和MAX7219 等主流芯片。其性能稳定、成本低廉、精度高，具有广泛的应用前景和良好的拓展空间。

1 气敏传感器的基本概念及发展动向

1.1 气敏传感器的基本概念

气敏传感器是指将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。 对气体检测方法的有电化学方法、光学方法、电子学方法等十几种。

1.2 气敏传感器的发展动向

目前， 气敏传感器的发展有以下几个方面的动向[2]：（1）确保传感器的可靠性和使用寿命。 传感器工作的可靠性直接关系到电子设备的抗干扰和防止误动作要求， 还体现在对其应具有较长的使用寿命上。 （2）提高传感器集成化的程度。 传感器集成化是实现传感器小型化、智能化的重要保证。（3）传感器微型化。 微机电系统（又称MEMS）是一种轮廓尺寸在毫米量级、 组成元件尺寸在微米量级的可运动的微型机电装置。 （4）新型功能材料的开发。 传感器技术的发展是与新材料的研究开发密切结合的，如:纳米气敏传感器具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度，并且体积很小。

本设计的传感器采用阻压转换传感器气敏元件，具有结构简单、测试方便、灵敏度高等优点。

2 检测仪的硬件设计

硬件设计以简便实用、技术成熟可靠为基础，以检测仪为信息采集、处理的核心，精心选择芯片、稳妥连接电路。 尽量做到方便易行、可靠耐用。

2.1 硬件框图及其工作原理

CO2检测仪的硬件框图如图1 所示。 其工作原理为：阻压转换传感器将气体浓度量转换成与其成比例的电信号，经PGA204 进程量程转换和放大。然后，经采样电路和A/D 转换电路，转换为数字信号，送入AT89C2051 单片机处理。 单片机处理后传送给显示电路。

图1 硬件结构图Fig.1 Hardware structure

2.2 硬件电路所选芯片

PGA204 是美国Burr-Brown 公司生产的低价、多用途的可编程增益放大器， 可用2 位TTL 或CMOS逻辑信号A1、A0 对其增益到4 位。电路芯片经激光校正， 最大失调电压只有50 μV， 失调温漂为0.25 μV/℃，增益G=1 000 时的共模抑制比为115 dB。

MAX187 是MAXIM 公司生产的12 位数据采集A/D 转换器，转换时间为85 μs（逐次比较式）、独立的采样保持 （T/H） 电路为每个通道提供同时采样，内置4.096V 参考电压源，以串行方式输出，几乎不需要任何外围器件就能构成一个完整的高速数据采集系统。

AT89C2051 是美国ATMEL 公司生产的与MCS-51 系列完全兼容的内置闪存单片机，也是AT 89C51 系列中结构最紧凑、体积最小的单片机。它的片内有2 K 字节闪烁存储器，片内多一个模接口是电压比较器。

MAX7219 是MAXIM 公司专门为LED 显示驱动而设计生产的COMOS 串行接口LED 显示驱动芯片。

3 电路原理分析

3.1 出电阻电压转换电路

图2 为CO2检测仪原理图。

图2 CO2 检测仪原理图Fig.2 CO2 detector principle

从图2 可以看到，一个5V 的交流电压源和芯片电压等效电阻，加上一个1kΩ 的分压电阻，组成了图2 中的电阻电压转换电路。 需要说明的是，此电路在100 Hz 的交流电压下工作线性最好。 因为这时选用的气敏传感芯片会产生1～3 000 kΩ 的电阻变化。 1kΩ 的电阻起分压作用，且把它分到的电压输出到后面的PGA204 输入端中。

此电压的有效值随着传感芯片电阻的变化而变化，其变化式为

式中： V1K为1kΩ 的分压电阻分得的电压，R1为传感芯片的电阻，R1K为分压用的1kΩ 的电阻，Vi为交流电压源输入的电压。

对式（1）进行一下变形，可得

由式（2）可以看出，如果传感芯片电阻R1取很大的值时，R1K的值固定为1kΩ 不变，式（2）可简化为

这样，1kΩ 的分压电阻上分得的电压值的变化就只与传感芯片电阻值的变化有关，且成反比关系。

3.2 程控放大

PGA204 芯片的输入阻抗很大，用做程控放大的取样端。 由式（1）可以看出：传感芯片的电阻是在1～3 000 kΩ 之间变化的， 这就存在着阻抗电压档级转换的问题。 当传感芯片的电阻值取两端的极限值时：

（1）当传感芯片电阻值R1=1 kΩ 时，可得：

也就是说，当Vi在0～5 V 之间变化时，V1K在0～2.5V 之间变化，而这一变化的幅度比较大，完全可以很精确地被元器件反映出来。 所以，AT89C2051就对PGA204 的A0、A1 进行控制，使PGA204 的放大倍数选在1 倍，即×1 的档级上。

（2）当传感芯片电阻值R1=3 000 kΩ 时，可得：

当VI在0～5 V 之间变化时，VIK在0～1.667mV之间变化,而这个变化太微弱了，不容易被精确地感知，所以要将其放大，并且放大到比较理想的范围内（最 好 是 几V 的 变 化）。 因 此，AT89C2051 就 对PGA204 的A0、A1 进行控制，使PGA204 的放大倍数选在1 倍，或×1000 的档级上。 这样，Vik 的变化就在0～1.667 V 之间了。

4 控制程序设计

本系统中单片机采用中断方式对MAX7219 进行控制，传送16 位数据的地址位和数据位。 在主程序中，包括串行方式的设置、显示缓冲单元和各控制寄存器的地址码及数据单元的分配、对MAX7219 的初始化等。 在以下程序中， 显示缓冲区为RAM 的30H～37H 单元， 控制寄存器地址码及数据单元为40H～47H 单元。 要显示的数据是程序执行的运算结果，以BCD 码数形式存放在显示缓冲单元的数据字节中，用转换子程序BSHIFT 倒序后存回原处。单片机串行发送数据的启动在主程序中进行，每发送两个字节后， 在中断子程序中控制MAX7219 的一引脚产生正跳变，把数据锁存入相应的寄存器中。 该中断子程序既可发送一个16 位数据，也可连续发送多个16 位数据，非常方便。 由于MAX7219 易受干扰和影响，因此，在程序执行过程中，应经常对显示进行更新。

5 结语

随着环境保护的主体意识日益增强，空气质量已成为人们关注最多的话题。 CO2气敏检测仪正在成为智能家居环保舞台的重要成员。 该检测仪遵循“价格低廉、简便易行”的目标，完成了CO2气敏检测仪硬件、软件的设计，其中包括传感芯片、信号采集及电子线路3 个方面工作。

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