一氧化碳濃度測監測系統設計*

張少華， 肖金球， 李長才

(1.蘇州科技學院 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州215009； 2.蘇州市智能測控工程技術研究中心，江蘇 蘇州215009)

一氧化碳濃度測監測系統設計*

張少華1,2， 肖金球1,2， 李長才1,2

(1.蘇州科技學院 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州215009； 2.蘇州市智能測控工程技術研究中心，江蘇 蘇州215009)

為了提高空氣質量監測水平，實時監測空氣中的一氧化碳濃度，設計了以ARM處理器S3C2410為硬件核心的監測系統，實現對一氧化碳濃度的智能采集與處理，并通過GPRS模塊將數據傳輸到遠程監測中心。測試結果表明，本監測系統數據準確，運行穩定，能實現對空氣中一氧化碳濃度的實時監測，具有較高的實用性，可用于日常性和突發性的空氣污染監測。

ARM ；一氧化碳；實時監測；GPRS

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，汽車數量呈現井噴式增長，伴隨著汽車數量飛速增長的同時，汽車排放出的大量尾氣成為環保面臨的一大問題。汽車尾氣中含有多種有害物質，其中一氧化碳(carbon monoxide, CO)是一種無嗅、無味的氣體，一旦被吸入人體后迅速與血紅蛋白結合生成碳氧血紅蛋白，使血液向身體各組織器官輸送氧的能力減弱，造成缺氧，對血液循環系統造成損害，甚至危害生命。在冶金廠、發電廠、化工廠等工業場所，甚至是普通居民家中都會發生CO濃度超標的情況，因此有必要設計一個能對空氣中的CO進行實時監測[1-2]，采集各地區空氣中CO的濃度并將所采集的數據進行傳輸匯總的系統，及時了解不同地區空氣中CO濃度的情況，超標時進行報警提醒[3]，以便環保部門及時進行污染處理。

1 監測系統總體方案設計

本監測系統由氣體檢測模塊、核心處理模塊以及報警和通信模塊組成。系統使用化學傳感器中的CO傳感器對空氣中CO濃度進行測量獲取，采集到的電流信號傳送至調理電路，調理電路對傳感器進行自動調零和智能校準，提高測量精度。通過A/D轉換模塊后將采集的數據送至ARM處理器S3C2410進行處理分析，最后將處理結果通過GPRS模塊傳輸到遠程監測中心[4]，對信息進行處理，若濃度超過設定的閾值便及時發出警報。

2 硬件電路設計

2.1 氣體檢測模塊

在常見的氣體監測系統中，氣體檢測通常使用對應的氣體傳感器[5]，其中定電位電解式方法是對于檢測無機氣體時使用最多、技術最完善、檢測性能最好的方法，通常稱為電化學傳感器，本系統采用電化學CO傳感器。檢測過程如圖1所示。

圖1 氣體檢測過程

2.1.1 CO傳感器結構與工作原理

本系統采用的是泵吸式CO傳感器，傳感器使用Pt作為催化觸媒電極，以Nafion為固體電解質[6]，當CO通過外殼上的氣孔經透氣膜擴散到工作電極表面時，在催化劑作用下，CO發生氧化還原反應。

陽極：CO+H2O→CO2+2H++2e-

陰極：O2+4H++4e-→2H2O

其總的化學方程式為：

2CO+O2→2CO2

兩個電極之間一直發生著上述氧化還原反應，電極間形成電位差。通過測量產生的電流便能計算出CO濃度。

選取的傳感器應具有良好的分辨率、檢測精度等檢測參數，傳感器的主要技術指標如表1所示。

表1 傳感器主要技術參數

2.1.2 調理電路

為保證系統采集數據的準確性，使用電化學傳感器時，需每隔一段時間對其進行校準調零，否則由于傳感器結構的特點，其輸出的電流信號必會受到制作工藝和環境溫度等因素的影響，產生失真，影響數據準確性。因此系統選用TI公司生產的新型可編程電化學模擬前端芯片LMP91000[7]，能夠簡化傳統的電化學調理電路，其結構框圖如圖2所示，內部含有恒電位放大器和溫度傳感器。

圖2 LMP91000結構框圖

LMP91000芯片通過可編程的增益控制和溫度補償，能夠完成傳感器的自動調零和智能校準，能很大程度上提高測量結果的精度。調理電路具體如圖3所示。

圖3 電化學傳感器調理電路

2.2 核心處理模塊

本系統的核心處理模塊完成對從調理電路傳來的電信號進行的A/D轉換、數據處理、終端顯示、數據存儲等任務，并將處理所得的數據傳輸給通信模塊進行傳輸。核心處理模塊的系統框圖如圖4所示。

圖4 核心處理電路的系統框圖

2.2.1 A/D轉換電路

本系統A/D轉換器采用TI公司生產的TLC2543。S3C2410和TLC2543工作電壓分別為3.3 V和5 V，工作電壓并不一樣，因此需要在S3C2410與TLC2543之間接電壓轉換芯片[8]74LVC4245。74LVC4245是一種雙電源供電的雙向收發器，能同時為5 V和3.3 V兩個不同的系統之間提供雙向接口，以實現A/D轉換電路的供電。

2.2.2 供電電路

電源作為驅動整個系統的基礎，對系統的安全性、可靠性、正常運行起關鍵作用，需要電池容量大且工作穩定、可靠，才能滿足系統的供電。本系統要將氣體檢測模塊放置在不同的監測地點，監測地點大都是在戶外，因此系統選用可充電的膠體太陽能蓄電池。膠體太陽能蓄電池有比較好的深循環能力，有著很好的過充和過放能力，并且電池壽命長，能適應不同的環境要求，適合作為本系統的供電。

2.3 報警與通信模塊

本模塊負責將ARM處理器處理過的數據進行傳輸，測得氣體濃度超過設定的閾值就發出警報，以便工作人員發現并及時處理,方便環保部門對空氣污染的治理。

無線通信模塊采用的是GPRS模塊，負責將采集并處理好的信息發送到監測中心，數據的發送和接收均通過GPRS模塊完成。系統采用西門子公司生產的MC55i模塊實現無線通信，通過RS232連接S3C2410處理器，收發數據，無需編程，抗干擾能力強。

3 軟件設計

軟件需要實現對傳感器的數據采集、ARM系統的數據處理和無線通信的數據傳輸。軟件設計主要分為濃度采集與處理模塊和無線通信模塊。

3.1 濃度采集與處理模塊

圖5 濃度的采集與處理流程圖

由嵌入式操作系統和嵌入式應用程序構成的軟件部分是整個CO濃度監測的控制核心。軟件包括監測程序、中斷處理程序以及實現各種算法的功能模塊。PC安裝操作系統Redhat Linux 9.0作為主機開發環境，使用arm-linux-gcc-3.4.1進行編譯，通過Minicom進行程序調試[9]。軟件設計流程如圖5所示。

3.2 無線通信模塊

無線通信模塊負責傳輸數據到監測中心，當系統啟動后，先對模塊各部件進行初始化，啟動定時器，將GPRS模塊接入移動公司的網絡，連接監測中心的服務器。系統可設定采集和傳輸的時間間隔，將采集的數據進行處理并保存，當達到設定的時間就向監測中心發送，主要流程如圖6所示。

圖6 GPRS傳輸流程圖

4 系統測試與結果

為了對本系統的測量結果進行測試，選擇在蘇州市高新區濱河路附近某小區對系統進行反復測試，選取5次測量結果如表2所示。

表2 測試結果

從表2中數據可以看出，由于傳感器靈敏度只有0.1 ppm，也就是說能測到的最小量程為0.125 mg·m-3，對于測量一般空氣中的CO濃度的精確度還是有限的。再次選取濱河路和獅山路交界處的十字路口進行測試，結果如表3所示。

表3 測試結果

結果顯示在汽車啟動時會排放出大量的CO，使空氣中的CO濃度升高，并且在設定閾值為20 mg·m-3時，第二次和第五次測試時系統都及時發出了警報，說明系統設計符合要求。

5 結論

本系統以ARM處理器S3C2410為控制核心，結合嵌入式Linux操作系統構建嵌入式監測平臺，實現對空氣中CO濃度數據的采集、存儲與傳輸。系統可對空氣中CO濃度進行實時動態監測，且體積小、功耗低、成本少，采用太陽能電池供電具有低功耗、綠色環保的優點。系統監測穩定、實時測量準確，數據遠程傳輸，不但能對城市環境中的CO進行監測，還可用在發電廠、冶金廠和化工廠等CO排放多的場所，甚至是普通居民家中也可用它來防止CO中毒，具有很好的市場應用前景和較高的環保推廣價值。

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[9] 荀艷麗.Linux內核在S3C2410上移植的研究[J].現代電子技術,2012,35(12):13-15.

Design of carbon monoxide concentrationmeasuring system

Zhang Shaohua1,2， Xiao Jinqiu1,2， Li Changcai1,2

(1.School of Electronic & Information Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;2.Suzhou Intelligence Control Engineering Technology Center, Suzhou 215009,China)

In order to improve the level of air quality monitoring and monitor the concentration of carbon monoxide in the air in real time, this paper designed a measuring system using the ARM processor S3C2410 as the hardware core, achieving the goal of intelligent acquisition and transmission of carbon monoxide concentration. Through the GPRS module it transmit data to the remote monitoring center. Test results shows that the measuring system’s data is accurate, operation is stable. It can realize the monitoring of carbon monoxide concentration in the air, has high practicability, and can also be used for daily and sudden air pollution monitoring.

ARM; carbon monoxide; real-time monitoring; GPRS

住房和城鄉建設部科學技術項目(2014-k8-050)；江蘇省住房和城鄉建設廳科技項目(2013JH11,2014JH12)；蘇州科技學院科研基金項目(XKZ201412)

TP368.1

A

1674-7720(2016)02-0020-03

張少華， 肖金球， 李長才. 一氧化碳濃度測監測系統設計[J] .微型機與應用，2016,35(2)：20-22.

2015-09-29)

張少華(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：智能測控技術。E-mail：496077834@qq.com。

肖金球(1963-)，男，碩士，教授，碩士生導師，主要研究方向：智能測控技術。