低功耗便攜式有害氣體監測儀的設計與實現

白宗文　周美麗

摘 要： 介紹了有毒氣體傳感器的工作原理和特點，設計出了微功耗式便攜式的有毒氣體監測電路，基于VC++平臺開發了相應的軟件。在數據處理時充分考慮環境因素，對數據進行了合理處理，實驗結果表明，該電路具有靈活方便，體積小、功耗低等優點，可廣泛應用于工業生產、醫學診斷、環境監測、國防等領域。

關鍵字： 電化學傳感器； 有毒氣體監測； 電路系統； 低功耗

中圖分類號： TN911.7?34；TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0151?03

Abstract： The working principle and characteristics of ADXRS450 is introduced in this paper. The low?power toxic gas monitoring circuit was designed. The corresponding software was develoed based on VC++ platform. The environmental factors was fully considered for data processing. The experimental results show that the circuit has a simple structure， high precision and small size， and can be widely used in the fields of aerospace， industrial production， medical diagnosis， national defense and environment monitoring.

Keywords： electrochemical sensor； toxic gas monitoring； circuit system； low?power consumption

0 引 言

隨著石油化學工業的發展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和出現概率增加。這些氣體在生產、運輸、使用過程中一旦發生泄漏，將會引發中毒、火災甚至爆炸事故，嚴重危害人民的生命和財產安全。由于氣體本身存在的擴散性，發生泄漏之后，在外部風力和內部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表擴散，在事故現場形成燃燒爆炸或毒害危險區，擴大危害區域。這類事故具有突發性強、擴散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點。當發生氣體泄漏事故時必須盡快采取相應措施進行處置，才能將事故損失降低到最低水平。同時探測多種有害氣體氣體的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發的事故，是避免造成重大財產和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監測設備提出了較高的要求，因此氣體探測器的發展應用越來越廣泛。

目前，有毒氣體檢測大多采用單氣體檢測方式，即每測量一種氣體需要攜帶一種測量儀表。研制能用一種儀器同時檢測多種不同氣體是氣體檢測儀的發展趨勢，即進行多參數測量，多種氣體檢測，實現對多種氣體種類的識別和濃度的判斷，從而更全面地反映被測氣體在特定環境中所顯示的特性，實時監測環境中多種不同有毒氣體。

2 系統及檢測電路設計

本電路系統主要由微功耗電源、有毒氣體傳感器，MSP430微處理器和鍵盤及顯示電路組成，如圖2所示，其中MSP430是系統控制的核心，主要負責對傳感器采集的數據進行處理，并根據當前狀態實現檢測不同氣體的狀態切換，及時向輸出單元輸出信息。電化學傳感器主要實現有害氣體濃度和電信號的轉換，由于傳感器輸出的信號微弱，信號調理電路完成信號的放大和去噪，然后輸出到A/D轉換器，由微控制器進行數據處理并將結果輸出到顯示器和聲光報警系統。

本設計中的所有器件均采用微功耗器件，此外還采用了多項措施降低功耗。電壓源采用精密、低噪聲、微功耗基準電壓源ADR29，信號調理部分采用雙通道微功耗放大器ADA4505?2，電化學傳感器選用CO?AX一氧化碳傳感器，A/D轉換器選用AD7798，它是一款16位Σ?Δ低功耗ADC。ADR291是微功耗2.5 V基準電源，它具有精密度高、噪聲低的特點，其功耗僅為12 μA，用于建立2.5 V共模基準電源，以使模/數轉換器可對此電路的輸出進行數字化處理；ADA4505?2是微功耗軌到軌I/O雙通道運放，用于放大電化學傳感器送出的微弱電信號，在恒電位配置（U2?A）和跨導配置下使用，其功耗僅為10 μA，室溫下最大偏置電流僅為2 pA，對于該電位部分和跨導部分都是很好的選擇，極低的功耗保證了電池的使用壽命；CO?AX是一氧化碳傳感器，其靈敏度為55～90 μA/ppm，典型值為65 μA/ppm，響應時間小于30 s，具有靈敏度高，響應速度快的特點。AD5271是可編程變阻器，主要作用是擴展電路應用范圍，提高系統的靈活性。因為不同氣體或不同傳感器的不同的電流輸出范圍，可將AD5271設置為適當的電阻值。AD5271 的溫度系數為 5 ppm/°C，優于大多數分立電阻；其電源電流為 1 μA，對系統功耗的影響極小。

5 結 論

本文采用電化學原理多參數選擇組合的方法設計出了能夠同時檢測氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和可燃氣體的濃度，解決了目前只能檢測到單一氣體的問題。根據不同的行業要求，不同的監測點，對不同的檢測參數可以更換不同的傳感器來監測不同種類的氣體，對不同氣體可以設定不同的監測濃度和分辨率，具有較高的應用價值。

參考文獻

[1] 凌榮耀，歐林林，俞立.便攜式滅弧氣體檢漏儀的設計及實現[J].電子測量與儀器學報，2013（6）：572?576.

[2] 何立民.單片機應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1997.

[3] 夏路易.智能儀表設計與接口技術[M].太原：太原理工大學出版社，2009.

[4] 陳雷.點評多國儀器展中的傳感器[J].國外電子測量技術，2012（2）：19?23.

[5] 黃然，呂紫旭，金惠華.基于角速度傳感器與DSP的三維陀螺儀[J].單片機與嵌入式系統應用，2006（9）：53?58.

[6] 沙占友，王彥鵬，張永昌.單片偏航角速度陀螺儀的原理與應用[J].傳感器世界，2004（9）：31?34.

[7] ADI公司.ADI實驗室電路合集（第1冊）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[8] Anon. ADXRS450 datasheet EB/OL]. [2014?05?22]. http：//www.alldatasheet.com.

[9] 溫和，王永，滕召勝，等.噪聲影響下的高準確度介損角測量方法研究[J].儀器儀表學報，2013（4）：780?785.

[10] 蘭羽，盧慶林.基于MQ138傳感器的甲醛檢測儀設計[J].電子測量技術，2013（8）：111?114.

摘 要： 介紹了有毒氣體傳感器的工作原理和特點，設計出了微功耗式便攜式的有毒氣體監測電路，基于VC++平臺開發了相應的軟件。在數據處理時充分考慮環境因素，對數據進行了合理處理，實驗結果表明，該電路具有靈活方便，體積小、功耗低等優點，可廣泛應用于工業生產、醫學診斷、環境監測、國防等領域。

關鍵字： 電化學傳感器； 有毒氣體監測； 電路系統； 低功耗

中圖分類號： TN911.7?34；TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0151?03

Abstract： The working principle and characteristics of ADXRS450 is introduced in this paper. The low?power toxic gas monitoring circuit was designed. The corresponding software was develoed based on VC++ platform. The environmental factors was fully considered for data processing. The experimental results show that the circuit has a simple structure， high precision and small size， and can be widely used in the fields of aerospace， industrial production， medical diagnosis， national defense and environment monitoring.

Keywords： electrochemical sensor； toxic gas monitoring； circuit system； low?power consumption

0 引 言

隨著石油化學工業的發展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和出現概率增加。這些氣體在生產、運輸、使用過程中一旦發生泄漏，將會引發中毒、火災甚至爆炸事故，嚴重危害人民的生命和財產安全。由于氣體本身存在的擴散性，發生泄漏之后，在外部風力和內部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表擴散，在事故現場形成燃燒爆炸或毒害危險區，擴大危害區域。這類事故具有突發性強、擴散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點。當發生氣體泄漏事故時必須盡快采取相應措施進行處置，才能將事故損失降低到最低水平。同時探測多種有害氣體氣體的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發的事故，是避免造成重大財產和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監測設備提出了較高的要求，因此氣體探測器的發展應用越來越廣泛。

目前，有毒氣體檢測大多采用單氣體檢測方式，即每測量一種氣體需要攜帶一種測量儀表。研制能用一種儀器同時檢測多種不同氣體是氣體檢測儀的發展趨勢，即進行多參數測量，多種氣體檢測，實現對多種氣體種類的識別和濃度的判斷，從而更全面地反映被測氣體在特定環境中所顯示的特性，實時監測環境中多種不同有毒氣體。

2 系統及檢測電路設計

本電路系統主要由微功耗電源、有毒氣體傳感器，MSP430微處理器和鍵盤及顯示電路組成，如圖2所示，其中MSP430是系統控制的核心，主要負責對傳感器采集的數據進行處理，并根據當前狀態實現檢測不同氣體的狀態切換，及時向輸出單元輸出信息。電化學傳感器主要實現有害氣體濃度和電信號的轉換，由于傳感器輸出的信號微弱，信號調理電路完成信號的放大和去噪，然后輸出到A/D轉換器，由微控制器進行數據處理并將結果輸出到顯示器和聲光報警系統。

本設計中的所有器件均采用微功耗器件，此外還采用了多項措施降低功耗。電壓源采用精密、低噪聲、微功耗基準電壓源ADR29，信號調理部分采用雙通道微功耗放大器ADA4505?2，電化學傳感器選用CO?AX一氧化碳傳感器，A/D轉換器選用AD7798，它是一款16位Σ?Δ低功耗ADC。ADR291是微功耗2.5 V基準電源，它具有精密度高、噪聲低的特點，其功耗僅為12 μA，用于建立2.5 V共模基準電源，以使模/數轉換器可對此電路的輸出進行數字化處理；ADA4505?2是微功耗軌到軌I/O雙通道運放，用于放大電化學傳感器送出的微弱電信號，在恒電位配置（U2?A）和跨導配置下使用，其功耗僅為10 μA，室溫下最大偏置電流僅為2 pA，對于該電位部分和跨導部分都是很好的選擇，極低的功耗保證了電池的使用壽命；CO?AX是一氧化碳傳感器，其靈敏度為55～90 μA/ppm，典型值為65 μA/ppm，響應時間小于30 s，具有靈敏度高，響應速度快的特點。AD5271是可編程變阻器，主要作用是擴展電路應用范圍，提高系統的靈活性。因為不同氣體或不同傳感器的不同的電流輸出范圍，可將AD5271設置為適當的電阻值。AD5271 的溫度系數為 5 ppm/°C，優于大多數分立電阻；其電源電流為 1 μA，對系統功耗的影響極小。

5 結 論

本文采用電化學原理多參數選擇組合的方法設計出了能夠同時檢測氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和可燃氣體的濃度，解決了目前只能檢測到單一氣體的問題。根據不同的行業要求，不同的監測點，對不同的檢測參數可以更換不同的傳感器來監測不同種類的氣體，對不同氣體可以設定不同的監測濃度和分辨率，具有較高的應用價值。

參考文獻

[1] 凌榮耀，歐林林，俞立.便攜式滅弧氣體檢漏儀的設計及實現[J].電子測量與儀器學報，2013（6）：572?576.

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[3] 夏路易.智能儀表設計與接口技術[M].太原：太原理工大學出版社，2009.

[4] 陳雷.點評多國儀器展中的傳感器[J].國外電子測量技術，2012（2）：19?23.

[5] 黃然，呂紫旭，金惠華.基于角速度傳感器與DSP的三維陀螺儀[J].單片機與嵌入式系統應用，2006（9）：53?58.

[6] 沙占友，王彥鵬，張永昌.單片偏航角速度陀螺儀的原理與應用[J].傳感器世界，2004（9）：31?34.

[7] ADI公司.ADI實驗室電路合集（第1冊）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[8] Anon. ADXRS450 datasheet EB/OL]. [2014?05?22]. http：//www.alldatasheet.com.

[9] 溫和，王永，滕召勝，等.噪聲影響下的高準確度介損角測量方法研究[J].儀器儀表學報，2013（4）：780?785.

[10] 蘭羽，盧慶林.基于MQ138傳感器的甲醛檢測儀設計[J].電子測量技術，2013（8）：111?114.

摘 要： 介紹了有毒氣體傳感器的工作原理和特點，設計出了微功耗式便攜式的有毒氣體監測電路，基于VC++平臺開發了相應的軟件。在數據處理時充分考慮環境因素，對數據進行了合理處理，實驗結果表明，該電路具有靈活方便，體積小、功耗低等優點，可廣泛應用于工業生產、醫學診斷、環境監測、國防等領域。

關鍵字： 電化學傳感器； 有毒氣體監測； 電路系統； 低功耗

中圖分類號： TN911.7?34；TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0151?03

Abstract： The working principle and characteristics of ADXRS450 is introduced in this paper. The low?power toxic gas monitoring circuit was designed. The corresponding software was develoed based on VC++ platform. The environmental factors was fully considered for data processing. The experimental results show that the circuit has a simple structure， high precision and small size， and can be widely used in the fields of aerospace， industrial production， medical diagnosis， national defense and environment monitoring.

Keywords： electrochemical sensor； toxic gas monitoring； circuit system； low?power consumption

0 引 言

隨著石油化學工業的發展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和出現概率增加。這些氣體在生產、運輸、使用過程中一旦發生泄漏，將會引發中毒、火災甚至爆炸事故，嚴重危害人民的生命和財產安全。由于氣體本身存在的擴散性，發生泄漏之后，在外部風力和內部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表擴散，在事故現場形成燃燒爆炸或毒害危險區，擴大危害區域。這類事故具有突發性強、擴散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點。當發生氣體泄漏事故時必須盡快采取相應措施進行處置，才能將事故損失降低到最低水平。同時探測多種有害氣體氣體的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發的事故，是避免造成重大財產和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監測設備提出了較高的要求，因此氣體探測器的發展應用越來越廣泛。

目前，有毒氣體檢測大多采用單氣體檢測方式，即每測量一種氣體需要攜帶一種測量儀表。研制能用一種儀器同時檢測多種不同氣體是氣體檢測儀的發展趨勢，即進行多參數測量，多種氣體檢測，實現對多種氣體種類的識別和濃度的判斷，從而更全面地反映被測氣體在特定環境中所顯示的特性，實時監測環境中多種不同有毒氣體。

2 系統及檢測電路設計

本電路系統主要由微功耗電源、有毒氣體傳感器，MSP430微處理器和鍵盤及顯示電路組成，如圖2所示，其中MSP430是系統控制的核心，主要負責對傳感器采集的數據進行處理，并根據當前狀態實現檢測不同氣體的狀態切換，及時向輸出單元輸出信息。電化學傳感器主要實現有害氣體濃度和電信號的轉換，由于傳感器輸出的信號微弱，信號調理電路完成信號的放大和去噪，然后輸出到A/D轉換器，由微控制器進行數據處理并將結果輸出到顯示器和聲光報警系統。

本設計中的所有器件均采用微功耗器件，此外還采用了多項措施降低功耗。電壓源采用精密、低噪聲、微功耗基準電壓源ADR29，信號調理部分采用雙通道微功耗放大器ADA4505?2，電化學傳感器選用CO?AX一氧化碳傳感器，A/D轉換器選用AD7798，它是一款16位Σ?Δ低功耗ADC。ADR291是微功耗2.5 V基準電源，它具有精密度高、噪聲低的特點，其功耗僅為12 μA，用于建立2.5 V共模基準電源，以使模/數轉換器可對此電路的輸出進行數字化處理；ADA4505?2是微功耗軌到軌I/O雙通道運放，用于放大電化學傳感器送出的微弱電信號，在恒電位配置（U2?A）和跨導配置下使用，其功耗僅為10 μA，室溫下最大偏置電流僅為2 pA，對于該電位部分和跨導部分都是很好的選擇，極低的功耗保證了電池的使用壽命；CO?AX是一氧化碳傳感器，其靈敏度為55～90 μA/ppm，典型值為65 μA/ppm，響應時間小于30 s，具有靈敏度高，響應速度快的特點。AD5271是可編程變阻器，主要作用是擴展電路應用范圍，提高系統的靈活性。因為不同氣體或不同傳感器的不同的電流輸出范圍，可將AD5271設置為適當的電阻值。AD5271 的溫度系數為 5 ppm/°C，優于大多數分立電阻；其電源電流為 1 μA，對系統功耗的影響極小。

5 結 論

本文采用電化學原理多參數選擇組合的方法設計出了能夠同時檢測氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和可燃氣體的濃度，解決了目前只能檢測到單一氣體的問題。根據不同的行業要求，不同的監測點，對不同的檢測參數可以更換不同的傳感器來監測不同種類的氣體，對不同氣體可以設定不同的監測濃度和分辨率，具有較高的應用價值。

參考文獻

[1] 凌榮耀，歐林林，俞立.便攜式滅弧氣體檢漏儀的設計及實現[J].電子測量與儀器學報，2013（6）：572?576.

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[3] 夏路易.智能儀表設計與接口技術[M].太原：太原理工大學出版社，2009.

[4] 陳雷.點評多國儀器展中的傳感器[J].國外電子測量技術，2012（2）：19?23.

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[6] 沙占友，王彥鵬，張永昌.單片偏航角速度陀螺儀的原理與應用[J].傳感器世界，2004（9）：31?34.

[7] ADI公司.ADI實驗室電路合集（第1冊）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[8] Anon. ADXRS450 datasheet EB/OL]. [2014?05?22]. http：//www.alldatasheet.com.

[9] 溫和，王永，滕召勝，等.噪聲影響下的高準確度介損角測量方法研究[J].儀器儀表學報，2013（4）：780?785.

[10] 蘭羽，盧慶林.基于MQ138傳感器的甲醛檢測儀設計[J].電子測量技術，2013（8）：111?114.