智能CO探测器设计

2014-09-25高国强黄国梁

传感器与微系统 2014年3期

高国强, 黄国梁

(1.南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，江苏南京 210009；2.无锡高顿传感技术有限公司无锡(滨湖)国家传感信息中心，江苏无锡 214131)

0 引言

CO是一种无色、无嗅、有毒且易燃易爆的气体,它的存在给人们的生命和财产安全带来了极大的威胁。工业生产煤气、炼钢、炼焦、烧窑、矿井作业、矿山爆破以及化工等行业的从业者均有机会接触到CO。日常生活中，煤炉、烟囱堵塞、煤气红外线取暖器、煤气灶及家用天然气灶漏气等均有可能产生CO[1]。

传统的半导体式CO探测器利用半导体材料表面吸附、脱附气体分子会引起半导体电导的变化的原理来检测气体的浓度。长期以来，半导体式CO气体探测器以其灵敏度高、响应时间短、经济可靠等特点而得到迅猛发展。但是，由于其对气体的选择性差，稳定性差，导致其误报的概率大，且如果长时间没有遇到CO将会因为氧化而对CO变得不灵敏[2]。除此之外，这类仪器的输出信号是非线性的，对于仪器的标定有一定的困难。

本文研制的电化学式CO探测器以低功耗、超高速的微处理器C8051F120为采集、运算和控制核心，结合使用无锡高顿传感技术有限公司生产的CO—7G燃料电池型电化学CO传感器，实现对CO浓度的实时检测和显示。同时，探测器还具有三路继电器输出，可以在发现CO气体的时候采取相应的报警和控制措施；同时一路4～20 mA模拟输出，可以实现远距离监测CO浓度。

1 系统硬件设计

1.1 硬件电路框图

CO探测器的基本硬件结构如图1所示，主要有信号调理模块、按键和显示模块、数据采集和控制模块、4～20 mA输出模块、光报警模块。该系统的主要原理是：CO传感器CO—7G产生与CO浓度呈线性关系的电流，经信号调理电路转换成电压，使用单片机C8051F120的12位A/D转换模块采集调理电路输出的电压，并计算成浓度显示在数码管上；同时，通过单片机本身自带的12位D/A转换模块将浓度信息转换为电压，并输入到4～20 mA电路，产生4～20 mA电流；在整个检测过程中，如果浓度达到限定值，则开启相应的继电器，并启动光报警电路。

图1 硬件电路框图

1.2 硬件选择

1.2.1 CO—7GCO电化学传感器

无锡高顿传感技术有限公司制造的CO—7G电化学气体传感器用于准确检测体积分数为1×10-6CO气体。CO—7G在适用温度范围内漂移很小，对湿度和气压变化不敏感，响应时间短，呈稳定的平台形响应，具有优越的准确性和长期稳定性。

电化学CO气体传感器采用密闭结构设计，其结构是由电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线(管脚)、壳体等部分组成。CO气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检测元件。当CO扩散到气体传感器时，通过电极上的电化学氧化还原反应，建立电化学平衡，反应产生的电流与CO气体的浓度呈正比，化学反应方程式如下

CO+H2O=CO2+2H++2e-(工作电极),

O2+4H++4e-=2H2O(对电极)[3].

当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之呈正比变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。

1.2.2 核心单片机C8051F120

CO电化学传感器的输出电流是微安级的，为了能够实现对微安级电流的精确采集，A/D转换的精度至少要达到10位以上。该CO探测器主要应用在煤矿、石油、化工等领域，这些领域对系统的性能有很高的要求。介于以上两点，本系统使用的单片机必须是一种高速、低功耗并且具有高精度A/D转换模块的单片机。C8051F120完全符合以上要求，它具有一个高速8051微控制器内核，最高执行速率可以达到100 MIPS，128 kB的分区FLASH，256 bytes数据RAM，8 k的外部数据存储地址空间和外部存储接口；同时它还拥有一个12位的逐次逼近型A/D转换模块；整个单片机采用3.3V供电，功耗低于一般5 V供电的单片机[4]。

2 系统主要硬件部分

2.1 CO—7G信号调理电路

图2为CO—7G信号调理电路[5]，当有CO扩散到传感器时，传感器便有电流输出，其强度与CO的浓度呈正比，方向如图中i所示。电流经过R2和U2组成的电流电压转换电路转换成电压，电压大小与电流强度呈正比，即与CO浓度呈正比。经过R2和U2输出的电压再经过U1，R1，R6组成的反相放大电路放大10倍，这样在输出端便得到了适合单片机采集的模拟电压。假设输出电压为Vout(单位V)，传感器产生的电流强度为i(单位μA)，方向如图所示，则输出电压与传感器产生的电流的关系为

Vout=2.5-0.1i(μA).

CO—7G传感器的标称灵敏度为85.911 μA·L/mg，由此可以推断出：若探测器量程为0～0.117 mg/L，则信号调理电路输出的电压范围为2.5～1.5 V，而单片机ADC的参考电压为3.3 V，完全能够采集该范围的电压。

图2 CO—7G信号调理电路

电路中的运算放大器OP295和LT1635均为高精密、低功耗、轨对轨输出运算放大器，且增益带宽窄，非常适合低频直流小信号的放大。2个运放均可使用单电源供电，这也为电源电路的设计减小了负担。

2.2 按键和显示电路

图3为按键和显示电路。

图3 按键和显示电路

数码管采用PNP型三极管S8550控制，8个段码接到单片机的P3口，3个位码接到单片机的P20～P22口，设置单片机P3口和P2口为推挽输出，当某位位码输出低电平，同时P3口送出相应段码，便可以在某一位上显示相应的段码。

按键使用常开式磁性开关，当磁铁靠近按键时，按键闭合，当磁铁远离按键时，按键断开。按键接到单片机的P10口，配置P10口为数字输入，并将外部中断0配置到P10脚，当按键按下时，便会触发外部中断0，在中断服务程序中判断有无按键按下。

2.3 4～20 mA输出电路

图4为4～20 mA输出电路。

图4 4～20 mA输出电路

探测器使用4～20 mA远距离传输气体浓度信息，4 mA代表0 mg/L，20 mA代表满量程浓度。采用电流传输信号的原因是：信号传输不容易受干扰，且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米远。本系统使用集成芯片AD694实现4～20 mA。AD694是一种单片电压—电流转换器，能够将输入电压信号转换成标准的4～20 mA信号。

3 系统软件设计

本系统的软件开发环境为Keil C51，整个系统采用模块化思想编程，主要有显示模块、数据采集模块、数据处理模块、温度校正模块、继电器控制模块、按键模块等。其中，最重要的是数据采集和数据处理模块。数据采集模块通过过采样的方法提高ADC的精度，数据处理模块采用均值滤波法提高探测器的准确性。由于传感器对气体的响应会受温度的影响，所以,本系统采用数字温度传感器DS18B20采集温度信息，并配合软件对温度的影响进行校正[7]。