1、基于 ADuC816 的一氧化碳气体监测仪设计摘要 详细讨论了 ADI 公司的数据采集芯片 ADuC816 单片机的原理特性和一氧化碳气体传感器的选择，论述了一氧化碳气体监测报警仪的软件设计及其标定方法，设计完成了一种灵敏度高、性能可靠、操作简单的一氧化碳监测报警仪，对于生活环境中的一氧化碳气体的监测及其带来的社会、人身安全等问题具有十分重要的意义。引 言一氧化碳(CO)是一种无色无臭的气体。当 CO 进入人体血液循环系统后，就会与血红蛋白迅速结合形成碳氧血红蛋白，占据了结合氧的位置，从而使血红蛋白丧失运输氧的功能，导致人因供氧不足而发生C0 中毒。C0 最重要的危害是污染大气，影响人体健康。
2、人即使处于低浓度的 CO 环境中也会产生头痛、耳鸣、疲劳等症状。如果 CO 中毒严重，轻者可损害思维和感觉，减弱身体运动能力，重者则会导致脑部受损甚至发生死亡。因此，设计一种灵敏度高、性能可靠、操作简单的 CO 监测报警仪，及时准确并有效地对生活坏境以及工业生产过程中的 CO 进行检测，是与人的生命安全相关的重要问题。1 系统设计方案11 系统组成C0 气体监测报警仪是由 CO 气体传感器、调理电路、单片机、显示电路、按键、信号输出电路和应用系统软件等组成。CO 气体监测报警仪系统设计框图如图 1 所示。12 单片机的选择ADuC816 单片机是美国 ADI 公司推出的一种新型单片机，它是 A
3、DI 公司多年生产 AD、DA 转换器的经验与成熟的 8051 单片机技术相结合的高性能微转换器，功能非常强大。ADuC816 集成了 2 通道 16 位ADC、12 位 DAC、3 个定时计数器、10 个中断源2 级优先中断级、双传感器激励电流源、8 KB Flash EEPROM 程序存储器、256 字节片上 RAM 和 640 字节数据 Flash EEPROM。外部数据存储器分组寻址，地址空间达 16 MB。因此，选用 ADuC816 单片机不仅可以满足 CO 气体监测报警仪高精度的要求，而且不需要外接 AD、DA 转换器和外部存储器。这对简化整个系统的外围电路设计，以及提高系统的抗干
4、扰能力等具有重要意义。13 CO 气体传感器的选择CO 气体传感器有多种类型。半导体 CO 气体传感器主要是以氧化物半导体作为基本材料，使气体吸附于半导体表面，利用由此产生的电导率变化来判断 CO 气体浓度的大小。与其他气体传感器相比，半导体CO 气体传感器具有快速、简便、灵敏等优点，但是它的气体选择性较差，在工作时容易受到其他气体的干扰。电化学电位型 CO 气体传感器能够将待测气体通过电化学反应变换成电信号，进行直接检测。其中，为了提高测量精度，消除测量环境中一些不确定因素的影响，可以利用第三电极、参考电极和一个外部的恒电位工作电路。此类型传感器用稀硫酸溶液作为液态电解质，不仅可以在室温条件
5、下与其他测控设备协同工作，而且输出信号幅值大，灵敏度高，使用方便，价格低，同时还可以避免因 CO 与氧气直接接触而发生爆炸的危险。其结构示意图如图 2 所示。7EF 型 CO 气体传感器就是电化学电位型。它检测的是与待测气体体积分数或分压相关的电极电位，其影响机制是基于电极上发生的电化学氧化还原反应而建立起来的电化学平衡。半电池化学反应方程式表示如下：上述反应所产生的电流与 CO 气体的浓度成正比。测量电流用一个标准电阻转换为电压信号，经放大、AD 转换后，在数码管上以 CO 的体积分数值直接显示。此外，7EF 型 CO 传感器的测量范围可以达到 02 00010-6，气体选择性非常好。当含有
6、 CO 和H2 的混合气体通入传感器时，敏感电极会产生一个与两种气体浓度成比例的信号，而辅助电极产生的信号则主要由于氢离子的存在。加上内置过滤器可以除去 N0、NO2、H2S 和 SO2 的干扰，即使有一两种干扰气体存在，也可以得到非常准确的测量结果，其测量误差、响应时间、重复性等都满足本文 CO 监测报警仪设计的要求。14 信号放大电路方案的选择由于选用的气体传感器是感应 CO 气体浓度的变化，将浓度信息转化为电流信号。所以，必须采用专用的信号放大电路，并且对电路的要求非常严格。基于此要求，所用的三个电极分别是：工作电极(S)、对电极(C)、参考电极(R)。CO 传感器信号放大电路如图 3
7、所示。 2 硬件电路设计硬件电路设计包括：电源电路设计、程序下载电路设计、显示和按键电路设计、报警电路设计和其他电路(复位电路、时钟电路)设计。21 电源部分电路设计电源的主要任务是先将 220 V 的交流电通过整流滤波等措施转换到直流+9 V，再将+9 V 的电压通过三端稳压 78M05 稳定到+5 V 供给 ADuC816 单片机及其外围所连接的各芯片使用，电路如图 4 所示。22 程序下载电路设计ADuC816 单片机片内含有一个全双工的串行接口，在串行通信中采用 RS-232C 标准。在通信时，必须用 MAX232 芯片进行电平转换。电路如图 5 所示。此电路与 8051 读取程序内存
8、专用控制线 PSEN 的 J4 接线柱配合，即可完成将程序从计算机下载到 ADuC816 片内的 8 KB Flash EEPROM 程序存储器中。当下载程序时需将单片机系统的电源关闭，将 J4 的短路块插上，再给单片机系统上电，ADuC816 即进入程序下载状态。运行计算机软件就可将 HEX 文 RXD 件下载到 ADuC816 TXD 内。这正是本测控系统的方便之处，在修改程序时，既不需要昂贵的编程器，也不需打开机壳插拔芯片。23 显示和按键电路设计CO 气体监测报警仪必须有显示待测气体中 CO 浓度的电路。显示电路采用串并转换芯片 74LSl64 与数码管 LED.按键电路是由按键和上拉
9、电阻构成的，主要功能是对报警点值进行设置，电路如图 6 所示。24 报警功能电路设计当 CO 气体浓度达到报警点时，通过两个红色的 LED 发光二极管和一个蜂鸣器进行报警。其中两个红色 LED 分别代表一级报警和二级报警。输出报警电路是通过对继电器的控制来控制蜂鸣器进行报警。要求继电器的控制电压为 5 V，被控制电压为 220 V。3 软件设计软件设计包括 AD 转换、显示、按键设置等。其主流程如图 7 所示。按键共包含三个键，分别是设置键、加键和减键。通过不同的键来控制仪器进行不同功能的设置。其流程如图 8 所示。 4 标 定41 标 零CO 气体监测报警仪没有开始工作或置于不含 CO 的空
10、气中时，经过 AD 转换后所显示的浓度值并不一定为零。这时无论值是多少都视其为零，并将此值作为仪器的“零点”。实际的测量值是通图 8 按键、显示、标定模块流程图过(当前的 AD 值-零点值)系数求得。42 标定标定工作线可用直线方程 y=Kx+b 来表示，由于设计中所用的气体传感器 7EF 和放大电路的影响，将 25 V 电压作为测量 CO 气体浓度的一个基准，相应的标定拟合直线为：y=K(25-x)+b其中，x 的取值范围是 025 V，y 的取值范围是 O2 00010-6。用标准的 CO 气体标定后测出几组数据，便可以用待定系数法求得 K 和 6 的值。结 语CO 作为一种剧毒性气体，污
11、染大气，影响人体健康。通过对本文设计的报警仪调试使用，整个仪器运行稳定，所要求功能已基本实现。当仪器运行时，用含有 CO 的混合气体进行测试，可以显示出气体中CO 的浓度，并进行一级和二级报警。英国凯恩的 AUTO5-1 手持式五组分汽车尾气分析仪KANE 推出的世界上首个内置电池驱动的手持式汽车尾气监测仪，为与汽车尾气监测有关的各领域工作的人员提供了简便、高效和低成本的检测手段。低功耗红外传感器内置充电电池可供连续工作 6 小时反应时间小于 12 秒可存储 250 组测试结果带背光的显示屏可同时显示所有参数钳夹式探头可固定在排气管上, 便于行驶中的工况排放检测高效、耐用的过滤器红外遥控打印方
12、式220v 交流充电器和 12v 车载充电器体积 220 x 55 x 120mm, 重量 1kg技术性能测量 范围 分辨率精度 CO 5% , 过量程 20% 0.01%读数的+5%, HC 0 2,000ppm, 过量程 10,000ppm 1ppm 读数的 +5%, O2 0 21%, 过量程 0 25% 0.01% 读数的+5%, NO 0 5,000ppm1ppm读数的+5% CO2 0 16%,过量程 0 20%0.01%读数的+5%, 机油温度 0 150 1.0+2 发动机转速200 4,000rpm1rpm50rpm 计算 LAMBDA 空/燃 等多种参数打印 KMIRP 红
13、外遥控打印机 通讯 RS232主要应用环境监测部门的路检和抽检由于现有仪器体积大、重量沉、需要外接交流电源, 很难做到路上抽查检测，只能设立固定检测点，缺乏随机和即时性。由于 KANE 仪器的特点，检测人员可以随车在任何地方对路上行驶车辆进行抽检，不受天气等客观条件的影响。检测人员的劳动强度也可得到改善。尾气净化装置的快速检验尾气净化装置的检测必须在工况状态下进行，但现在的工况测试需要进行台架试验，试验设备价格少则五、六十万，多则几百、上千万，做一次尾气净化装置的检测花费也很大。很多生产、研究单位没有能力经常性对产品进行测试。由于 KANE 手持式仪器的轻便特点，可用于汽车实际道路行驶状况的检
14、测，简单方便地反映出汽车在不同负荷、不同道路中的尾气基本排放情况。而花费只是几万元仪器的一次性投资。有关汽车尾气的研究工作利用 AUTO 便于随车测试的特点，研究人员可以方便地得到汽车在城市不同交通状况下的尾气排放的基本数据，为政府决策机关提供参考信息，利于城市道路规划、交通管理等政府决策。汽车修理厂KANE 仪器的操作非常简单，维修工只需要几小时的培训就可掌握。KANE 齐全的功能不仅可以用于尾气检测也可用于汽车燃烧系统故障的检查，为尾气调整提供快速、可靠的参考。对其他现场仪器的参考校准由于 KANE 仪器的轻便特点，管理人员可以随身携带刚在实验室内标定好的仪器对一些如年检厂、修理厂、尾气治理厂等单位进行在用仪器运行状况的检查。
