基于電化學傳感器的有毒氣體檢測器設計

王強

摘 要：以ADuCM362微控制器為核心，結合電化學傳感器Alphasense CO-AX，設計了一種有毒氣體檢測器。對硬件和軟件設計進行了說明，實現了對環境中有毒氣體CO濃度的檢測，能夠清晰地讀出氣體濃度、峰值和高、低濃度報警水平。該裝置具有功耗低、交叉靈敏度低、穩定性高等特點，適合電池供電的便攜式應用。

關鍵詞：電化學；有毒氣體檢測；ADuCM362

中圖分類號：TP216 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0092-02

1 概述

有毒氣體存在于日常生活和許多工業環境之中，比如農村用煤爐生火取暖、工業生產中的塑料加工、造紙等。隨著國家對安全生產要求的重視以及個人安全意識的提高，對有毒氣體檢測器的需求日益增加。電化學傳感器多應用于有毒氣體檢測器中，電化學傳感器能夠檢測工業生產環境中的多數氣體，例如一氧化碳、二氧化硫、硫化氫以及二氧化氮。采用電化學傳感器檢測有毒氣體與其他檢測方法相比，該方法具有功耗低、靈敏度高、穩定性高等特點，更適合于對功耗要求比較低的場合應用[1]。

本文設計的有毒氣體檢測器，微控制器采用ADuCM362，信號測量模塊采用電化學傳感器 Alphasense CO-AX。傳感器接觸到一氧化碳氣體會產生電流信號，信號轉換電路將傳感器產生的電流信號轉換為電壓信號，ADuCM360通過內部的ADC采集轉換出的電壓信號，并根據該電壓信號計算得到所測得到一氧化碳氣體濃度，最后在LCD上顯示出采集到的電壓值和一氧化碳氣體濃度。

2 硬件設計

有毒氣體檢測器的硬件結構如圖1所示，主要包括數據采集部分和控制管理部分。

數據采集部分：

數據采集部分采用Alphasense CO-AX一氧化碳傳感器，該傳感器屬于三電極電化學傳感器。電化學傳感器應用于有毒氣體檢測器具有諸多優勢，比如具有良好的選擇性和敏感性。電化學傳感器在工作時會將被測物與敏感材料之間發生反應產生的化學信息轉換為電信號進行測量。電化學傳感器的一個重要特性是響應緩慢：首次上電后，傳感器可能需要數分鐘時間才能建立至最終輸出值；暴露于中間量程的氣體濃度時，傳感器可能需要25到40秒時間才能達到最終輸出值的90%。

圖2為電化學傳感器測量電路。電化學傳感器的工作原理是氣體通過薄膜自由擴散到傳感器的氣室，并與工作電極WE產生作用。傳感器參比電極RE提供相應的反饋，以便通過改變輔助電極CE上的電壓維持工作電極WE的恒定電位。工作電極WE上的電流信號與發生電極氧化或還原的氣體濃度有關，當被測氣體為一氧化碳時，發生的是氧化反應，因此，電流在這種情況下會流入工作電極，并且反電極相對于工作電極應處于負電壓狀態[2]。

ADuCM362最大的優勢在于通過軟件編程可將其配置為低功耗工作模式，如將其配置為休眠模式時，功耗可將至4uA，如需喚醒處理器，可通過外部中斷和內部喚醒定時器喚醒。低功耗模式大大降低了系統運行功耗并且不影響系統處理外部異步或周期事件。

其他硬件模塊比如顯示模塊、報警模塊等都是常見的，通用型的設計，在此不再重復。

3 軟件設計

系統上電后，首先進行系統初始化工作，之后啟動ADC采集，根據ADC采集到的信號計算CO濃度并將計算結果顯示至LCD，系統根據CO濃度閾值，在不同等級控制蜂鳴器發出不同頻率的聲音進行報警，濃度越高，頻率越高。系統軟件結構圖如圖3所示。

4 結束語

本文采用高性能微控制器ADuCM362和電化學傳感器Alphasense CO-AX設計的有毒氣體檢測器，實現了對環境中有毒氣體的檢測，系統運行穩定、可靠，具有一定的應用和推廣價值。

參考文獻：

[1]王鶴橋，陳士學.常見氣體傳感器主要特性介紹及表面溫度分析[J].電氣防爆，2015，12（4）.

[2]杜黎.電化學傳感器測試電路設計與實現[D].大連：大連理工大學，2009.

[3]姚思嫻，顧敏明，何黎明，等.基于ADuCM360的無線低功耗有毒氣體探測器[J].物聯網技術，2016，10.

[4]周欽河.淺談光電傳感器在自動控制中的應用[J].科技創新與應用，2013（28）：24.

[5]宋睿，易禎華.光電傳感器的應用和發展[J].科技創新與應用，2015（18）：40.endprint