在線環境監測電化學CO傳感器設計

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）

在線環境監測電化學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，根據電化學CO傳感器設計了在線環境監測電化學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；在線環境監測；硬件電路

0　引言

CO屬于有劇毒型氣體，若人所處的環境中CO的體積比的含量濃度達到為0.02%，（體積比）則在2～3小時內就能引起人輕微的頭痛，若達到0.08%，則在40分鐘內人就會頭痛、惡心甚至昏迷。因此在含有CO的高危作業環境中作業，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境CO傳感器，可實時檢測環境中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范圍內的CO等多種不同的有毒氣體，并顯示表現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生反應并產生電流信號，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，負責數據采集轉換、測量數據處理、聲光報警控制、顯示處理及測量數據的上傳等功能。MCU采用意法半導體生產的STM32F103系列的M3內核的ARM芯片（M3內核），其該芯片內部集成有的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總線進行測量數據顯示的通信，通訊異步串口1采用RS485通訊實現與上位機的數據實現交互。

顯示部分進行數據顯示，聲光報警部分則是在環境中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，實現紅外遙控信號的拾取、放大和解調，檢波時直接用MCU高級定時器進行解碼處理，程序實現簡單且成本低廉。

信號處理電路是負責把電化學式CO傳感器的電信號經放大、調理后輸出給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

軟件系統采用前后臺同步運行的系統設計模式，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　軟件系統設計程序后臺流程圖

3　CO傳感器實驗測試結果量數據分析

在實驗室環境中下對本文設計的在線環境監測CO傳感器進行了標定，并與標準表進行對比，測試數據及對比結果見如表1所示。

表1　試驗數據

根據表1數據顯示的測量數據，本文所設計的環境監測CO傳感器在整個測量范圍內，且AD值有良好的線性，其誤差分為兩段表現為：在0～100ppm內絕對誤差優于4ppm,在100～500ppm內相對誤差優于真值的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；芯片內部，采用其內部12位的AD做模數轉換，節省了成本較低、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度器的思路想理念，節省了代碼量、提高了MCU內核的效率。

通過大量的實驗室測試及現場使用結果表明：證明在環境CO濃度含量在100ppm以下時，絕對誤差優于精度4ppm，在100至500ppm以下時，相對誤差優于精度達標準值的5%。誤差值，可滿足用于工廠高危環境及特殊環境的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.傳感器與監測技術[M].西安:西安電子科技大學出版社，2007.