基于可编程电路的有害气体检测系统研制

高军礼，朱慧华，李龙昌，陈 玮

（广东工业大学 自动化学院，广州 510006）

基于电化学传感器的有害气体检测已在环境污染监控、家居安全、食品卫生、机械制造等方面得到了广泛的应用。电化学传感器具有交叉灵敏度低、长期稳定性、功耗低、且针对特定气体设计等特点，特别适合低浓度混合有害气体的检测[1]。文献[2-3]使用电化学法对有害气体检测和处理的电路是分立式的且仅针对特定传感器而设计的，可扩展性有限。本课题基于可编程逻辑电路通过串行通讯协议设置检测电路，实现同一硬件平台对多种有害气体浓度的检测。具有体积小、精度高、稳定性好、维护成本低及测量速度快等特点。

1 系统方案

系统方案如图1所示，由有害气体信号检测、微处理器G2553、上位PC机3大模块组成，其中：

（1）信号检测模块包含电化学传感器和可编程电路。

（2）G2553下位机包含I2C设置可编程电路、与上位机通信（RS485、WIFI）[4-5]、AD 采样以及隔离IO。

（3）上位机包含人机交互、系统数据库、实时监控等功能。

图1 系统框图Fig.1 Block diagram of system

信号检测模块的有害气体电化学传感器输出的电流信号经可编程电路处理输出电压信号，之后基于G2553的10位A/D转换得到与之相对应的有害气体浓度数字量，该数据通过WIFI或RS485传输给上位机，上位机将检测数据存储到数据库，并进行实时数据、历史曲线显示。同时G2553下位机接收上位机的命令对信号检测模块和现场设备进行设置和控制。

2 系统硬件设计

系统所采用的前端传感器是电化学传感器。通过表1可知，常见电化学传感器的输出电流通常是nA或亚μA级。如何处理传感器输出的微信号成为整个系统的关键，并将直接影响到后续数据的处理精度。常见的恒电位传感器处理电路都是针对特定气体的特定传感器的规格所设计的[2-3]，若更换新的传感器就要重新设计相对应的电路，为后续的使用和维护带来不便。

表1 常见的电化学传感器Tab.1 Common electrochemical gas sensors

本系统前端信号处理部分采用TI公司的LMP91000芯片。该芯片集成了恒电位电路和信号处理电路，只需根据前端传感器的规格参数设置LMP91000的内部寄存器即可设置实际的参考基准电压、负载电阻、增益电阻及工作模式。

（1）恒电位电路是LMP91000的核心，是因为工作电极与参考电极之间阻值的任何变化都将引起辅助电极上的电压变化，产生的误差信号都将通过内部A1放大器放大并作用于辅助电极导致性能变差。所以，必须将传感器的工作电极与参考电极之间保持在恒电位。

（2）互阻抗增益电阻、负载电阻的阻值可分别通过I2C串口设置2.75 kΩ～350 kΩ之间7个档次（或采用外置的互阻抗增益电阻）、10 Ω～100 Ω 之间4个档次，从而轻松实现电化学传感器满量程电流（5 μA～750 μA）转换成电压输出。

（3）内部参考零点VREF可以通过程序配置，使用芯片内部提供的或者外部电源的67%、50%或20%作为零点电压。使得辅助电极有充裕的电压取值范围，以便适用于其他类型的气体传感器，并更好地利用MCU的A/D满量程转换。其中，内部零点是经过一个内部电压除法器而得到的。

对于常用的三电极电化学气体传感器，其工作原理是待测气体扩散到传感器，通过一层薄膜后作用于工作电极。恒电位电路通过检测参考电极的电压并向辅助电极提供电流，使参考电极端与工作电极端之间的电压保持恒定。由于参考电极端没有电流流进或流出，因此流出辅助电极端的电流流进工作电极端，该电流与被测量气体浓度成正比。流过工作电极端电流的极性取决于传感器中发生的是氧化还是还原反应。对于SO2发生氧化反应时则辅助电极端电流极性为负值（即电流流入恒电位运算放大器的输出端）。而负载通常非常小，因此工作电极端的电压约等于VREF。

其中：IWE为流入WE端电流；Rf为跨导电阻。

只需通过I2C协议设置LMP91000的内部寄存器值，同一硬件平台即可适用于不同气体的不同传感器。以Alphasense公司的SO2-AF电化学传感器为例，其灵敏度为450～750 nA/ppm。以灵敏度、空气浓度为最大值，设置基准电压、负载电阻、增益电阻及工作模式。

则最大输出电压为

负载电阻值需要对2个因素进行权衡：噪声增益的幅度以及电化学传感器在高浓度下达到正常输出的响应时间差，使得跨导放大器的噪声增益保持在合理水平。对于SO2-AF传感器匹配负载电阻为33 Ω，由此可计算噪声增益：

跨导放大器输入噪声应乘以此增益。内部TIA运算放大器在0.1 Hz～10 Hz频率内的输入电压噪声为 2.95 μV（p-p）则输出端噪声为

该噪声相当于0.128 ppm以上的实际气体浓度。由于电化学传感器响应较慢，因此输出端需设计具有0.16 Hz（fp=12πRC）截止频率的低通滤波器。此滤波器时间常数为1 s（τ=RC），与传感器45 s的响应时间相比可忽略不计。

基于所选电化学传感器参数并参考以上理论分析，可通过I2C通信协议设置LMP91000内部寄存器值如下：

（1）LMP91000具有3种工作模式，由于本设计只检测气体并选用外部P型场效应管则MODECN寄存器可全部设置为0x03；

（2）本设计所采用的电化学传感器不需要偏置工作电压，只需考虑AD采样精度和MCU采样保护。采用外部芯片精准电压（2500 mV）的20%作为参考基准电压则REFCN寄存器可全部设置为0x80；

（3）TICAN寄存器的设置则需要根据不同电化学传感器的参数加上前面的理论推导，本设计所采用的设置为 H2S：0x11；NH3：0x0C；SO2：0x15；CO：0x11。

3 系统软件设计

系统软件包括基于C语言所开发的G2553下位机程序和基于C#语言所开发的上位PC机程序。如图2所示，系统初始化之后，LMP91000根据内部预先设定的值配置可编程电路。系统对有害气体的检测采取间歇周期工作模式[6]，以降低系统的功耗。也可以通过上位机发送设置或读取命令直接让下位机退出睡眠模式，并处理上位机所下达的系统设置与数据读取指令。

图2 系统流程图Fig.2 Flow chart of system

上位PC机应用程序人机界面如图3所示，包含数据显示、命令设置、底层数据库、实时和历史曲线等。

图3 上位机监测GUIFig.3 Host computer monitoring GUI

4 系统验证

考虑到所检测有害气体的多样性和危险性，采取先模拟传感器输出微电流信号进行理论验证和数据处理，之后再经华南国家计量测试中心进行实际检测的模式。为此，选用具有代表性的不易挥发气体SO2和易挥发气体NH3进行系统精度测试，测试结果（证书编号：HYQ201307680/HYQ201309343）如表2所示，在0～35 ppm（1 ppm即一百万体积的空气中所含污染物的1份体积）量程范围内，系统检测的最大误差为2%。

表2 华南国家计量测试中心测试结果Tab.2 Test results of South China national center of metrology

5 结语

基于可在线编程的硬件技术，采用电化学气体检测模式，设计了同一硬件平台适用于多种有害气体浓度的精确检测系统。便携式、低功耗下位机采用无线（WIFI）模式与上位机进行实时数据传输和人机交互，对有害气体的检测更加方便与安全，具有较好的工程应用前景。

[1] Depari A，Flammini A，Sisinni E，et al.Fast，versatile and lowcostinterface circuitforelectrochemicaland resistive gas sensor[J].Sensors Journal，IEEE，2014，14（2）：315-323.

[2] 周鹏辉，汪献忠，薛妤.基于MSP430的便携式四合一气体检测仪[J].仪表技术与传感器，2012（11）：77-79.

[3] 李勋涛，余晓芬，胡佳文，等.有毒气体无线监测网络设计[J].传感技术学报，2010，23（6）：888-892.

[4] Hallil H，Chebila F，Menini P，et al.Feasibility of wireless gas detection with an FMCW RADAR interrogation of passive RF gas sensor[C]//Kona，HI，2010.

[5] 卢超，李鹏辉.基于虚拟仪器的有害气体报警仪[J].电子器件，2013，36（4）：559-563.

[6] 李莲，金晶晶.一种可移动有害气体检测装置的软件设计[J].自动化与仪表，2011，26（6）：47-49. ■