李朋賓,劉東旭,秦　曠（.鄭州光力科技股份有限公司;　.河南省電力公司鄭州供電公司,鄭州　45000）

在線環(huán)境監(jiān)測電化學CO傳感器設計

李朋賓1,劉東旭1,秦曠2
（1.鄭州光力科技股份有限公司;2.河南省電力公司鄭州供電公司,鄭州450001）

摘要：本文介紹了按照電化學CO傳感器的工作原理，根據(jù)電化學CO傳感器設計了在線環(huán)境監(jiān)測電化學CO傳感器，。本文，介紹了其硬件電路構成和軟件工作流程，通過實驗測試表明該傳感器具有良好的線性和較高的測量精度。

關鍵詞：電化學；CO傳感器；在線環(huán)境監(jiān)測；硬件電路

0　引言

CO屬于有劇毒型氣體，若人所處的環(huán)境中CO的體積比的含量濃度達到為0.02%，（體積比）則在2～3小時內(nèi)就能引起人輕微的頭痛，若達到0.08%，則在40分鐘內(nèi)人就會頭痛、惡心甚至昏迷。因此在含有CO的高危作業(yè)環(huán)境中作業(yè)，對CO氣體濃度的實時檢測變得尤為重要[1]。本文研究了一種基于電化學式CO氣體測量原理的在線環(huán)境CO傳感器，可實時檢測環(huán)境中CO的氣體含量。

1　電化學式CO傳感器原理

最早的電化學傳感器最早可以追溯到20世紀50年代，當時主要用于氧氣監(jiān)測。到了20世紀80年代中期，小型電化學傳感器開始用于檢測ΡEL范圍內(nèi)的CO等多種不同的有毒氣體，并顯示表現(xiàn)出了良好的敏感性與選擇性。

電化學傳感器的工作原理是通過與被測氣體發(fā)生反應并產(chǎn)生電流信號，信號強度與被測氣體濃度成正比的電信號來工作。電流通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動，通過。測量該電流即可確定被測氣體濃度[2,3]。

電化學傳感器對工作電源的要求很低。實際上，在可用于氣體監(jiān)測可用的所有所有傳感器類型中，電化學傳感器對工作電源的要求很低，其功耗是最小低的[4]。

2　在線環(huán)境CO傳感器設計

2.1CO傳感器硬件構成

圖1　CO傳感器硬件構成

CO傳感器硬件組成如圖1，其中MCU是整個儀器的核心，負責數(shù)據(jù)采集轉換、測量數(shù)據(jù)處理、聲光報警控制、顯示處理及測量數(shù)據(jù)的上傳等功能。MCU采用意法半導體生產(chǎn)的STM32F103系列的M3內(nèi)核的ARM芯片（M3內(nèi)核），其該芯片內(nèi)部集成有的12位高精度的AD轉換器可進行模擬信號采集可進行模擬信號采集的AD轉換；。SΡI總線進行測量數(shù)據(jù)顯示的通信，通訊異步串口1采用RS485通訊實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)實現(xiàn)交互。

顯示部分進行數(shù)據(jù)顯示，聲光報警部分則是在環(huán)境中CO氣體含量超過設定門限時進行聲光報警。紅外按鍵接收電路采用士蘭微的SIR8330紅外遙控接收模塊，實現(xiàn)紅外遙控信號的拾取、放大和解調(diào)，檢波時直接用MCU高級定時器進行解碼處理，程序實現(xiàn)簡單且成本低廉。

信號處理電路是負責把電化學式CO傳感器的電信號經(jīng)放大、調(diào)理后輸出給MCU。信號處理該電路采用了LMΡ7721，主要是因為其集成了具有輸入偏置消除電路，可以顯著減小輸入偏置電流，在室溫下的整個公模電壓范圍內(nèi)的典型值為2fA可并保證整個處理電路的精度及和分辨率。上位機通訊電路采用RS485通訊方式把測量結果和報警信息上傳給ΡC機、或是主站等其它終端設備。

2.2CO傳感器軟件部分的設計

軟件系統(tǒng)采用前后臺同步運行的系統(tǒng)設計模式，前臺部分完成對實時性要求較強的任務在前臺完成，后臺部分完成對實時性要求不高的任務在后臺完成。

前臺服務部分可快速響應外部信號并設置相應的事件標志，若事件實時性要求較強，則直接進行事件處理。否則若實時性要求不強，在則后臺程序后臺部分中查詢各事件標志并，進行事件處理并后清除事件標志。軟件設計具體流程見圖2。

圖2　軟件系統(tǒng)設計程序后臺流程圖

3　CO傳感器實驗測試結果量數(shù)據(jù)分析

在實驗室環(huán)境中下對本文設計的在線環(huán)境監(jiān)測CO傳感器進行了標定，并與標準表進行對比，測試數(shù)據(jù)及對比結果見如表1所示。

表1　試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)顯示的測量數(shù)據(jù)，本文所設計的環(huán)境監(jiān)測CO傳感器在整個測量范圍內(nèi)，且AD值有良好的線性，其誤差分為兩段表現(xiàn)為：在0～100ppm內(nèi)絕對誤差優(yōu)于4ppm,在100～500ppm內(nèi)相對誤差優(yōu)于真值的5%且AD值具有良好的線性。

4　結語

本文設計了一款在線環(huán)境CO傳感器。MCU采用了STM32F103系列的ARM芯片，具有集成度高，片上資源豐富的特點；芯片內(nèi)部，采用其內(nèi)部12位的AD做模數(shù)轉換，節(jié)省了成本較低、且具有較高的精度較高；程序軟件設計上采用前臺任務與后臺同步處理的多任務調(diào)度器的思路想理念，節(jié)省了代碼量、提高了MCU內(nèi)核的效率。

通過大量的實驗室測試及現(xiàn)場使用結果表明：證明在環(huán)境CO濃度含量在100ppm以下時，絕對誤差優(yōu)于精度4ppm，在100至500ppm以下時，相對誤差優(yōu)于精度達標準值的5%。誤差值，可滿足用于工廠高危環(huán)境及特殊環(huán)境的CO氣體含量的檢測使用要求，達到了預期的設計目的。

參考文獻：

[1]張國樞.通風安全學[M].北京:中國礦業(yè)大學出版社,2007.

[2]寧新寶,黃得配.物理化學生物傳感器[M].南京:南京大學出版社,1991.

[3]張洪潤,傅瑾新,呂泉,張亞凡.傳感器技術大全[M].北京:北京航天大學出版社,2007.

[4]彭軍.傳感器與監(jiān)測技術[M].西安:西安電子科技大學出版社，2007.