基于 AVR 單片機(jī)的C O濃度在線檢測(cè)儀與設(shè)計(jì)

虞益龍

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國(guó)鈞分院，江蘇 常州 213025)

一氧化碳是無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味的氣體，故易于忽略而致中毒。一氧化碳中毒的原因是因?yàn)橐谎趸歼M(jìn)入人體之后會(huì)和血液中的血紅蛋白結(jié)合，進(jìn)而排擠血紅蛋白與氧氣的結(jié)合，從而出現(xiàn)缺氧，這就是一氧中毒。常見(jiàn)于家庭居室通風(fēng)差的情況下，煤爐產(chǎn)生的煤氣或液化氣管道漏氣或工業(yè)生產(chǎn)煤氣以及礦井中的一氧化碳吸入而致中毒。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件總體框圖設(shè)計(jì)

一氧化碳檢測(cè)儀是一種用于公共場(chǎng)所及室內(nèi)具有檢測(cè)及超限報(bào)警功能的儀器。其設(shè)計(jì)方案基于AVR單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘芯片、顯示模塊、聲光振報(bào)警、無(wú)線通訊、繼電器模塊、外圍擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、ME3-CO 型電化學(xué)傳感器；硬件結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 一氧化碳檢測(cè)儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 ME 3 型電化學(xué)傳感器實(shí)物圖

1.2 一氧化碳?xì)怏w傳感器

一氧化碳電化學(xué)傳感器，采用煒盛電子科技公司生產(chǎn)的ME3-CO型電化學(xué)傳感器如圖2所示。ME3 型電化學(xué)氣體傳感器一般均有三個(gè)引腳，分別為工作電極、對(duì)電極和參考電極。

1.3 一氧化碳?xì)怏w傳感器電路設(shè)計(jì)

一氧化碳電化學(xué)傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖 3所示，從圖中可以看出U10B運(yùn)算放大AD5552構(gòu)成電流—電壓轉(zhuǎn)換電路，U10A運(yùn)算放大器AD5552構(gòu)成一個(gè)差分輸入放大器，用于工作電極和參比電極之間電位與所需工作偏執(zhí)電位的比較建立恒壓電路。

圖 3 一氧化碳電化學(xué)傳感器信號(hào)調(diào)理電路

2 一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

2.2 數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)

氣體傳感器在對(duì)氣體濃度采樣時(shí)會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，具體的方式為：先對(duì) N個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下 N-2 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，最后將算術(shù)平均值送至寄存器。該檢測(cè)儀 N 取 10，即調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行10 次采樣。

3 系統(tǒng)調(diào)試

一氧化碳電化學(xué)傳感器是三極型傳感器，一氧化碳?xì)怏w從透氣孔擴(kuò)散進(jìn)入傳感器內(nèi)部，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器和透氣膜到工作電極，在工作電極表面催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中釋放了 H+和e-，通過(guò)電解液轉(zhuǎn)移到同在電解液中的對(duì)電極上，在對(duì)電極上，H+和 e-又與電解液中的氧氣分子結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)。整個(gè)過(guò)程反應(yīng)方程式如式（1）、（2）所示。

整理得到式（3）

圖4 主程序流程圖

單純從反應(yīng)方式中可以看出，一氧化碳在傳感器內(nèi)進(jìn)行了一系列氧化還原反應(yīng)，傳感器內(nèi)部并無(wú)資源消耗，但是電解液的儲(chǔ)存期限和催化劑的活性是有期限的，因此電化學(xué)傳感器壽命也是有限的，一般為 2～3 年。因?yàn)樵诠ぷ麟姌O和對(duì)電極上進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，一定會(huì)造成電極極化，促使電極間電位不穩(wěn)定，從而造成對(duì)一氧化碳可測(cè)量范圍的誤差，因此引入?yún)⒖茧姌O不參加氧化還原反應(yīng)，從而使電極間電位恒定。

4 檢測(cè)儀性能實(shí)驗(yàn)

4.1 誤差實(shí)驗(yàn)

分別用三種不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行誤差的實(shí)驗(yàn)，數(shù)值穩(wěn)定后記錄，數(shù)據(jù)表明誤差均在合理范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 一氧化碳?xì)怏w（p p m）誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4.2 響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)之前要用純氮?dú)獯狄谎趸細(xì)怏w傳感器進(jìn)氣孔，持續(xù)一段時(shí)間，以保證其不受環(huán)境因素影響。待數(shù)值穩(wěn)定后，通入一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣氣，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，待數(shù)值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)樣氣濃度的 90%，記錄所需時(shí)間，即為響應(yīng)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，設(shè)計(jì)的一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)儀的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，通過(guò)表1可以看出一氧化碳相對(duì)誤差均在 5%以下，符合設(shè)計(jì)要求和國(guó)家標(biāo)注。由表2可以看出檢測(cè)儀對(duì)一氧化碳的響應(yīng)時(shí)間均小于 30 秒，符合設(shè)計(jì)要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。檢測(cè)儀在控制誤差和響應(yīng)時(shí)間上得到了提高。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)一氧化碳檢測(cè)儀樣機(jī)進(jìn)行了誤差實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，并得出了誤差和響應(yīng)時(shí)間等相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析證明了一氧化碳檢測(cè)儀各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

[1]S Y 6503-2000 可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警使用規(guī)范[S].

[2]胡會(huì)利.李寧.電化學(xué)測(cè)量 [M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007

[3]Yang L., Zhang R., Staiculescu D., et al.. A novel conformal RFIDenabled module utilizing inkjet-printed antennas and carbon nanotubes for gas-detection applications[J]. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 2009, 8: 653-656.