便攜式多氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

陳文禮

（唐山開誠電控設(shè)備集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，唐山063020）

引 言

氣體檢測(cè)儀是安全生產(chǎn)領(lǐng)域必不可少的設(shè)備，對(duì)于保障生命、財(cái)產(chǎn)的安全起著重要作用。本文設(shè)計(jì)的是一種多傳感器、單電源、低功耗、電池供電、便攜式氣體檢測(cè)儀，它可以連續(xù)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示現(xiàn)場(chǎng)的氧氣、一氧化碳、硫化氫、甲烷氣體的濃度。在工作車間或井下巷道隨身佩戴，當(dāng)環(huán)境中檢測(cè)到目標(biāo)氣體的濃度達(dá)到或超過預(yù)置報(bào)警值時(shí)，檢測(cè)儀立即發(fā)出聲光報(bào)警，以提醒人們及時(shí)采取安全措施。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案如圖1所示，以 Microchip 公司的PIC18LF6620為主控芯片。該單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：10 MIPS工作速度、16位寬指令和8位寬數(shù)據(jù)、可分配的中斷優(yōu)先級(jí)、8×8單周期硬件乘法器、2～5.5V 的超寬工作電壓。PIC18LF6620含有12通道10位A／D轉(zhuǎn)換器、5個(gè)定時(shí)器、4個(gè)外部中斷引腳、內(nèi)部EEPROM 存儲(chǔ)器、雙路UART 異步串行口等功能模塊。其寬電壓、低功耗、高速度、高集成度的特點(diǎn)非常適合本設(shè)計(jì)的需要。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

外圍電路包括：電源穩(wěn)壓電路、聲光報(bào)警電路、按鍵操作電路、LCD顯示屏、4個(gè)氣體傳感器及其信號(hào)處理電路。氣體傳感的輸出經(jīng)信號(hào)放大、A／D轉(zhuǎn)換后由PIC18LF6620進(jìn)行處理，計(jì)算出的濃度值由LCD 顯示屏顯示出來。PIC18LF6620在正常檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，同時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓、報(bào)警狀態(tài)以及鍵盤輸入并作出相應(yīng)的處理。氣體傳感器選用英國(guó)CITY 公司的元件，型號(hào)分別為4OXV、4CO、4HS＋、4P-90。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 氧氣傳感器信號(hào)處理電路

4OXV 是最簡(jiǎn)單的電化學(xué)原理傳感器，其包括兩個(gè)電極——感應(yīng)電極和負(fù)電極。氧氣在感應(yīng)電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部電流，電流值與氧氣濃度成正比。在兩電極間接入一個(gè)負(fù)載電阻，電流在負(fù)載電阻上產(chǎn)生一個(gè)電壓，經(jīng)運(yùn)放放大后接到單片機(jī)A／D 端口。氧氣傳感器類似一個(gè)電池，所以氧氣傳感器又被稱作氧電池。氧氣傳感器信號(hào)處理電路如圖2所示。

圖2 氧氣傳感器信號(hào)處理電路

2.2 一氧化碳、硫化氫傳感器信號(hào)處理電路

4CO、4HS＋屬于三電極電化學(xué)傳感器，三電極分別是工作電極（WE）、參考電極（RE）和負(fù)電極（CE）。其工作原理是氣體與工作電極（WE）相互作用，參考電極（RE）提供反饋，通過改變負(fù)電極（CE）上的電壓保持WE 引腳的恒定電位。電路如圖3所示。

運(yùn)放U1B吸收CE 端的輸出電流以保證WE 和RE引腳間等電位，RE端沒有電流流入／流出，意味著電流從WE端流入，流入WE 端的電流與目標(biāo)氣體濃度成正比。參考電壓源REF25的輸出經(jīng)電阻分壓后為運(yùn)放提供偏置電壓。在沒有目標(biāo)氣體的環(huán)境中，WE端只有極微弱的電流，由于R1 阻值很小，其分壓可以忽略不計(jì)，所以運(yùn)放U1C輸出電壓等于REF25經(jīng)R2，R3分壓后的電壓。

圖3 一氧化碳、硫化氫傳感器信號(hào)處理電路

2.3 甲烷氣體傳感器信號(hào)處理電路

4P-90是一種催化燃燒型的可燃?xì)怏w傳感器，對(duì)于可燃?xì)怏w都會(huì)有輸出響應(yīng)，本檢測(cè)儀4P-90 是以甲烷校準(zhǔn)的。4P-90有3個(gè)引線端，分別是補(bǔ)償端、檢測(cè)端和電壓信號(hào)輸出端。催化燃燒型可燃?xì)怏w傳感器由一個(gè)表面涂有催化劑的測(cè)量元件和一個(gè)物理特性相同的參比元件（俗稱黑白元件）組成。黑白元件和兩個(gè)阻值相等的電阻（R1，R2）組成平衡電橋。加電時(shí)黑白元件用鉑絲加熱到400℃以上。當(dāng)環(huán)境中有可燃?xì)怏w時(shí)，測(cè)量元件在催化劑的作用下表面發(fā)生催化反應(yīng)，溫度升高，而參比元件不含催化劑，溫度不變。測(cè)量元件溫度升高，電阻增大，參比元件電阻不變。橋電阻平衡發(fā)生改變，導(dǎo)致運(yùn)放U3A 輸入端的電壓差發(fā)生改變，經(jīng)差分放大后輸出與可燃?xì)怏w濃度成正比的電壓信號(hào)。甲烷氣體傳感器信號(hào)處理電路如圖4所示。

圖4 甲烷傳感器信號(hào)處理電路

2.4 電源及一鍵開關(guān)機(jī)電路

為降低儀器關(guān)機(jī)狀態(tài)下的電流損耗，系統(tǒng)利用穩(wěn)壓器LP2989的休眠模式來給系統(tǒng)斷電。這樣關(guān)機(jī)狀態(tài)下電流損耗在1μA 以下。LP2989最大能提供500mA 的輸出電流，且壓降低至0.1V，非常適合用于電池供電的手持設(shè)備。

電源及一鍵開關(guān)機(jī)電路如圖5所示。一鍵開關(guān)機(jī)原理如下：儀器關(guān)機(jī)狀態(tài)按下開關(guān)機(jī)鍵K1或充電器插入P1 口，Q2 導(dǎo)通，LP2989 使能，單片機(jī)上電后檢測(cè)IO口，若RB0為低電平則儀器處于工作狀態(tài)，RCO 引腳輸出高電平，LP2989一直保持使能狀態(tài)。若RB1為低電平，則儀器處于充電狀態(tài)。在儀器工作狀態(tài)，若按下K1，單片機(jī)檢測(cè)到引腳RB0為低電平且大于3s，RC0輸出低電平；若放開按鍵K1，則Q2截止，LP2989停止輸出，系統(tǒng)斷電。

圖5 電源及一鍵開關(guān)機(jī)電路

3 檢測(cè)儀程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)由信號(hào)采集、氣體濃度計(jì)算、LCD 顯示、鍵盤輸入、報(bào)警輸出幾部分構(gòu)成，主要涉及到對(duì)定時(shí)器、A／D轉(zhuǎn)換器、I／O 口的操作。程序較簡(jiǎn)單不再詳細(xì)介紹，主程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 儀器標(biāo)校

為保證氣體傳感器的計(jì)算精度，傳感器需要被定期標(biāo)校。一般廠商建議的標(biāo)校間隔時(shí)間為30天。通常傳感器需要標(biāo)校零點(diǎn)和量程中間點(diǎn)，檢測(cè)儀工作時(shí)就是根據(jù)兩點(diǎn)的線性關(guān)系計(jì)算氣體濃度。檢測(cè)儀使用清新空氣和標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行標(biāo)校。

清新空氣用來標(biāo)校一氧化碳、硫化氫、甲烷的零點(diǎn)和氧氣的20.9%濃度點(diǎn)。一氧化碳、硫化氫、甲烷的量程中間點(diǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)氣標(biāo)校，氧氣的零點(diǎn)使用高純度氮?dú)鈽?biāo)校。

注意：一氧化碳和硫化氫是有毒氣體，在進(jìn)行標(biāo)校和測(cè)試時(shí)應(yīng)格外小心。

5 測(cè)量范圍及測(cè)量基本誤差

測(cè)量范圍及測(cè)量基本誤差如表1所列。

表1 測(cè)量范圍及測(cè)量基本誤差

結(jié) 語

此檢測(cè)儀完全符合煤礦井下氣體檢測(cè)儀的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在煤礦井下推廣使用，且以其便攜性、準(zhǔn)確性好，深得客戶好評(píng)。

［1］Microchip.PIC18LF6620DataSheet［EB／OL］.［2013-05］.http：／／www.microchip.com.

［2］城市技術(shù)氣體傳感器技術(shù)手冊(cè)［EB／OL］.［2013-05］.http：／／www.citytech.com.

［3］基于電化學(xué)傳感器的ADI微功耗有毒氣體檢測(cè)解決方案［EB／OL］.［2013-05］.http：／／www.analog.com.

［4］使用電化學(xué)傳感器的單電源、微功耗有毒氣體探測(cè)器［EB／OL］.［2013-05］.http：／／www.analog.com.