高國(guó)強(qiáng), 黃國(guó)梁

(1.南京工業(yè)大學(xué) 材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009；2.無(wú)錫高頓傳感技術(shù)有限公司 無(wú)錫(濱湖)國(guó)家傳感信息中心，江蘇 無(wú)錫 214131)

0 引 言

CO是一種無(wú)色、無(wú)嗅、有毒且易燃易爆的氣體,它的存在給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了極大的威脅。工業(yè)生產(chǎn)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(jī)會(huì)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(chǎn)生CO[1]。

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體式CO探測(cè)器利用半導(dǎo)體材料表面吸附、脫附氣體分子會(huì)引起半導(dǎo)體電導(dǎo)的變化的原理來(lái)檢測(cè)氣體的濃度。長(zhǎng)期以來(lái)，半導(dǎo)體式CO氣體探測(cè)器以其靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、經(jīng)濟(jì)可靠等特點(diǎn)而得到迅猛發(fā)展。但是，由于其對(duì)氣體的選擇性差，穩(wěn)定性差，導(dǎo)致其誤報(bào)的概率大，且如果長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有遇到CO將會(huì)因?yàn)檠趸鴮?duì)CO變得不靈敏[2]。除此之外，這類(lèi)儀器的輸出信號(hào)是非線性的，對(duì)于儀器的標(biāo)定有一定的困難。

本文研制的電化學(xué)式CO探測(cè)器以低功耗、超高速的微處理器C8051F120為采集、運(yùn)算和控制核心，結(jié)合使用無(wú)錫高頓傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CO—7G燃料電池型電化學(xué)CO傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示。同時(shí)，探測(cè)器還具有三路繼電器輸出，可以在發(fā)現(xiàn)CO氣體的時(shí)候采取相應(yīng)的報(bào)警和控制措施；同時(shí)一路4～20 mA模擬輸出，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)CO濃度。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路框圖

CO探測(cè)器的基本硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有信號(hào)調(diào)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(bào)警模塊。該系統(tǒng)的主要原理是：CO傳感器CO—7G產(chǎn)生與CO濃度呈線性關(guān)系的電流，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓，使用單片機(jī)C8051F120的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊采集調(diào)理電路輸出的電壓，并計(jì)算成濃度顯示在數(shù)碼管上；同時(shí)，通過(guò)單片機(jī)本身自帶的12位D/A轉(zhuǎn)換模塊將濃度信息轉(zhuǎn)換為電壓，并輸入到4～20 mA電路，產(chǎn)生4～20 mA電流；在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，如果濃度達(dá)到限定值，則開(kāi)啟相應(yīng)的繼電器，并啟動(dòng)光報(bào)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(xué)傳感器

無(wú)錫高頓傳感技術(shù)有限公司制造的CO—7G電化學(xué)氣體傳感器用于準(zhǔn)確檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)為1×10-6CO氣體。CO—7G在適用溫度范圍內(nèi)漂移很小，對(duì)濕度和氣壓變化不敏感，響應(yīng)時(shí)間短，呈穩(wěn)定的平臺(tái)形響應(yīng)，具有優(yōu)越的準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

電化學(xué)CO氣體傳感器采用密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)是由電極、過(guò)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(bào)警器配套使用，是報(bào)警器中的核心檢測(cè)元件。當(dāng)CO擴(kuò)散到氣體傳感器時(shí)，通過(guò)電極上的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)，建立電化學(xué)平衡，反應(yīng)產(chǎn)生的電流與CO氣體的濃度呈正比，化學(xué)反應(yīng)方程式如下

CO+H2O=CO2+2H++2e-(工作電極),

O2+4H++4e-=2H2O(對(duì)電極)[3].

當(dāng)氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，氣體傳感器的輸出電流也隨之呈正比變化，經(jīng)報(bào)警器的中間電路轉(zhuǎn)換放大輸出，以驅(qū)動(dòng)不同的執(zhí)行裝置，完成聲、光和電等檢測(cè)與報(bào)警功能，與相應(yīng)的控制裝置一同構(gòu)成了環(huán)境檢測(cè)或監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

1.2.2 核心單片機(jī)C8051F120

CO電化學(xué)傳感器的輸出電流是微安級(jí)的，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微安級(jí)電流的精確采集，A/D轉(zhuǎn)換的精度至少要達(dá)到10位以上。該CO探測(cè)器主要應(yīng)用在煤礦、石油、化工等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)的性能有很高的要求。介于以上兩點(diǎn)，本系統(tǒng)使用的單片機(jī)必須是一種高速、低功耗并且具有高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊的單片機(jī)。C8051F120完全符合以上要求，它具有一個(gè)高速8051微控制器內(nèi)核，最高執(zhí)行速率可以達(dá)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(chǔ)地址空間和外部存儲(chǔ)接口；同時(shí)它還擁有一個(gè)12位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換模塊；整個(gè)單片機(jī)采用3.3V供電，功耗低于一般5 V供電的單片機(jī)[4]。

2 系統(tǒng)主要硬件部分

2.1 CO—7G信號(hào)調(diào)理電路

圖2為CO—7G信號(hào)調(diào)理電路[5]，當(dāng)有CO擴(kuò)散到傳感器時(shí)，傳感器便有電流輸出，其強(qiáng)度與CO的濃度呈正比，方向如圖中i所示。電流經(jīng)過(guò)R2和U2組成的電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓，電壓大小與電流強(qiáng)度呈正比，即與CO濃度呈正比。經(jīng)過(guò)R2和U2輸出的電壓再經(jīng)過(guò)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(jī)采集的模擬電壓。假設(shè)輸出電壓為Vout(單位V)，傳感器產(chǎn)生的電流強(qiáng)度為i(單位μA)，方向如圖所示，則輸出電壓與傳感器產(chǎn)生的電流的關(guān)系為

Vout=2.5-0.1i(μA).

CO—7G傳感器的標(biāo)稱靈敏度為85.911 μA·L/mg，由此可以推斷出：若探測(cè)器量程為0～0.117 mg/L，則信號(hào)調(diào)理電路輸出的電壓范圍為2.5～1.5 V，而單片機(jī)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(hào)調(diào)理電路

電路中的運(yùn)算放大器OP295和LT1635均為高精密、低功耗、軌對(duì)軌輸出運(yùn)算放大器，且增益帶寬窄，非常適合低頻直流小信號(hào)的放大。2個(gè)運(yùn)放均可使用單電源供電，這也為電源電路的設(shè)計(jì)減小了負(fù)擔(dān)。

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(gè)段碼接到單片機(jī)的P3口，3個(gè)位碼接到單片機(jī)的P20～P22口，設(shè)置單片機(jī)P3口和P2口為推挽輸出，當(dāng)某位位碼輸出低電平，同時(shí)P3口送出相應(yīng)段碼，便可以在某一位上顯示相應(yīng)的段碼。

按鍵使用常開(kāi)式磁性開(kāi)關(guān)，當(dāng)磁鐵靠近按鍵時(shí)，按鍵閉合，當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離按鍵時(shí)，按鍵斷開(kāi)。按鍵接到單片機(jī)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(dāng)按鍵按下時(shí)，便會(huì)觸發(fā)外部中斷0，在中斷服務(wù)程序中判斷有無(wú)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(cè)器使用4～20 mA遠(yuǎn)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(hào)的原因是：信號(hào)傳輸不容易受干擾，且電流源內(nèi)阻無(wú)窮大，導(dǎo)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(yuǎn)。本系統(tǒng)使用集成芯片AD694實(shí)現(xiàn)4～20 mA。AD694是一種單片電壓—電流轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⑤斎腚妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil C51，整個(gè)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(guò)過(guò)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(cè)器的準(zhǔn)確性。由于傳感器對(duì)氣體的響應(yīng)會(huì)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(duì)溫度的影響進(jìn)行校正[7]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

為了檢測(cè)探測(cè)器的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：取4臺(tái)探測(cè)器(依次編號(hào)1#，2#，3#，4#)，在20 ℃，標(biāo)準(zhǔn)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(cè)器的讀數(shù)如表1所示。

表1 探測(cè)器準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可以看出：對(duì)于給定的CO氣體，4臺(tái)探測(cè)器所測(cè)得的氣體濃度的誤差均沒(méi)有超過(guò)0.001 16 mg/L，所以，探測(cè)器的準(zhǔn)確性是很好的。

4.2 探測(cè)器長(zhǎng)期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為了檢測(cè)探測(cè)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：取4臺(tái)探測(cè)器(依次編號(hào)1#,2#,3#,4#)，在20 ℃，標(biāo)準(zhǔn)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(cè)器的讀數(shù)如表2所示。

表2 探測(cè)器長(zhǎng)期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1

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

表3 探測(cè)器長(zhǎng)期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2

綜合表2和表3的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：在1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)4臺(tái)探測(cè)器對(duì)0.058 2 mg/L的CO響應(yīng)偏差均沒(méi)有超過(guò)全量程(0.116 4 mg/L)的5 %(即0.005 82 mg/L)，所以,探測(cè)器具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的CO探測(cè)器采用高靈敏度、高可靠性以及響應(yīng)迅速的電化學(xué)CO傳感器CO—7G，低功耗、高性能單片機(jī)C8051F120，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO濃度的準(zhǔn)確測(cè)定與快速報(bào)警。

4～20 mA模塊用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)CO氣體濃度，繼電器模塊用于對(duì)報(bào)警信息做出相應(yīng)動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：這種CO探測(cè)器的誤差小于0.001 16 mg/L,在長(zhǎng)期連續(xù)使用的過(guò)程中，其誤差小于0.005 82 mg/L,與傳統(tǒng)CO探測(cè)器相比具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高等優(yōu)勢(shì)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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