基于电化学传感器的有毒气体检测器设计

王强

摘 要：以ADuCM362微控制器为核心，结合电化学传感器Alphasense CO-AX，设计了一种有毒气体检测器。对硬件和软件设计进行了说明，实现了对环境中有毒气体CO浓度的检测，能够清晰地读出气体浓度、峰值和高、低浓度报警水平。该装置具有功耗低、交叉灵敏度低、稳定性高等特点，适合电池供电的便携式应用。

关键词：电化学；有毒气体检测；ADuCM362

中图分类号：TP216 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0092-02

1 概述

有毒气体存在于日常生活和许多工业环境之中，比如农村用煤炉生火取暖、工业生产中的塑料加工、造纸等。随着国家对安全生产要求的重视以及个人安全意识的提高，对有毒气体检测器的需求日益增加。电化学传感器多应用于有毒气体检测器中，电化学传感器能够检测工业生产环境中的多数气体，例如一氧化碳、二氧化硫、硫化氢以及二氧化氮。采用电化學传感器检测有毒气体与其他检测方法相比，该方法具有功耗低、灵敏度高、稳定性高等特点，更适合于对功耗要求比较低的场合应用[1]。

本文设计的有毒气体检测器，微控制器采用ADuCM362，信号测量模块采用电化学传感器 Alphasense CO-AX。传感器接触到一氧化碳气体会产生电流信号，信号转换电路将传感器产生的电流信号转换为电压信号，ADuCM360通过内部的ADC采集转换出的电压信号，并根据该电压信号计算得到所测得到一氧化碳气体浓度，最后在LCD上显示出采集到的电压值和一氧化碳气体浓度。

2 硬件设计

有毒气体检测器的硬件结构如图1所示，主要包括数据采集部分和控制管理部分。

数据采集部分：

数据采集部分采用Alphasense CO-AX一氧化碳传感器，该传感器属于三电极电化学传感器。电化学传感器应用于有毒气体检测器具有诸多优势，比如具有良好的选择性和敏感性。电化学传感器在工作时会将被测物与敏感材料之间发生反应产生的化学信息转换为电信号进行测量。电化学传感器的一个重要特性是响应缓慢：首次上电后，传感器可能需要数分钟时间才能建立至最终输出值；暴露于中间量程的气体浓度时，传感器可能需要25到40秒时间才能达到最终输出值的90%。

图2为电化学传感器测量电路。电化学传感器的工作原理是气体通过薄膜自由扩散到传感器的气室，并与工作电极WE产生作用。传感器参比电极RE提供相应的反馈，以便通过改变辅助电极CE上的电压维持工作电极WE的恒定电位。工作电极WE上的电流信号与发生电极氧化或还原的气体浓度有关，当被测气体为一氧化碳时，发生的是氧化反应，因此，电流在这种情况下会流入工作电极，并且反电极相对于工作电极应处于负电压状态[2]。

ADuCM362最大的优势在于通过软件编程可将其配置为低功耗工作模式，如将其配置为休眠模式时，功耗可将至4uA，如需唤醒处理器，可通过外部中断和内部唤醒定时器唤醒。低功耗模式大大降低了系统运行功耗并且不影响系统处理外部异步或周期事件。

其他硬件模块比如显示模块、报警模块等都是常见的，通用型的设计，在此不再重复。

3 软件设计

系统上电后，首先进行系统初始化工作，之后启动ADC采集，根据ADC采集到的信号计算CO浓度并将计算结果显示至LCD，系统根据CO浓度阈值，在不同等级控制蜂鸣器发出不同频率的声音进行报警，浓度越高，频率越高。系统软件结构图如图3所示。

4 结束语

本文采用高性能微控制器ADuCM362和电化学传感器Alphasense CO-AX设计的有毒气体检测器，实现了对环境中有毒气体的检测，系统运行稳定、可靠，具有一定的应用和推广价值。

参考文献：

[1]王鹤桥，陈士学.常见气体传感器主要特性介绍及表面温度分析[J].电气防爆，2015，12（4）.

[2]杜黎.电化学传感器测试电路设计与实现[D].大连：大连理工大学，2009.

[3]姚思娴，顾敏明，何黎明，等.基于ADuCM360的无线低功耗有毒气体探测器[J].物联网技术，2016，10.

[4]周钦河.浅谈光电传感器在自动控制中的应用[J].科技创新与应用，2013（28）：24.

[5]宋睿，易祯华.光电传感器的应用和发展[J].科技创新与应用，2015（18）：40.endprint