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引言 一氧化碳(CO)是一種無色無臭的氣體。當CO進入人體血液循環(huán)系統(tǒng)后，就會與血紅蛋白迅速結合形成碳氧血紅蛋白，占據(jù)了結合氧的位置，從而使血紅蛋白喪失運輸氧的功能，導致人因供氧不足而發(fā)生C0中毒。C0最重要的危害是污染大氣，影響人體健康。人即使處于低濃度的CO環(huán)境中也會產(chǎn)生頭痛、耳鳴、疲勞等癥狀。如果CO中毒嚴重，輕者可損害思維和感覺，減弱身體運動能力，重者則會導致腦部受損甚至發(fā)生死亡。因此，設計一種靈敏度高、性能可靠、操作簡單的 CO監(jiān)測報警儀，及時準確并有效地對生活壞境以及工業(yè)生產(chǎn)過程中的CO進行檢測，是與人的生命安全相關的重要問題。 1 系統(tǒng)設計方案 1．1 系統(tǒng)組成 C0氣體監(jiān)測報警儀是由CO氣體傳感器、調理電路、單片機、顯示電路、按鍵、信號輸出電路和應用系統(tǒng)軟件等組成。CO氣體監(jiān)測報警儀系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。 
1．2 單片機的選擇 ADuC816單片機是美國ADI公司推出的一種新型單片機，它是ADI公司多年生產(chǎn)A／D、D／A轉換器的經(jīng)驗與成熟的8051單片機技術相結合的高性能微轉換器，功能非常強大。ADuC816集成了2通道16位ADC、12位DAC、3個定時／計數(shù)器、10個中斷源／2級優(yōu)先中斷級、雙傳感器激勵電流源、8 KB Flash EEPROM程序存儲器、256字節(jié)片上RAM和640字節(jié)數(shù)據(jù)Flash EEPROM。外部數(shù)據(jù)存儲器分組尋址，地址空間達16 MB。因此，選用ADuC816單片機不僅可以滿足CO氣體監(jiān)測報警儀高精度的要求，而且不需要外接A／D、D／A轉換器和外部存儲器。這對簡化整個系統(tǒng)的外圍電路設計，以及提高系統(tǒng)的抗干擾能力等具有重要意義。 1．3 CO氣體傳感器的選擇 CO氣體傳感器有多種類型。半導體CO氣體傳感器主要是以氧化物半導體作為基本材料，使氣體吸附于半導體表面，利用由此產(chǎn)生的電導率變化來判斷CO氣體濃度的大小。與其他氣體傳感器相比，半導體CO氣體傳感器具有快速、簡便、靈敏等優(yōu)點，但是它的氣體選擇性較差，在工作時容易受到其他氣體的干擾。電化學電位型CO氣體傳感器能夠將待測氣體通過電化學反應變換成電信號，進行直接檢測。其中，為了提高測量精度，消除測量環(huán)境中一些不確定因素的影響，可以利用第三電極、參考電極和一個外部的恒電位工作電路。此類型傳感器用稀硫酸溶液作為液態(tài)電解質，不僅可以在室溫條件下與其他測控設備協(xié)同工作，而且輸出信號幅值大，靈敏度高，使用方便，價格低，同時還可以避免因CO與氧氣直接接觸而發(fā)生爆炸的危險。其結構示意圖如圖2所示。
7E／F型CO氣體傳感器就是電化學電位型。它檢測的是與待測氣體體積分數(shù)或分壓相關的電極電位，其影響機制是基于電極上發(fā)生的電化學氧化還原反應而建立起來的電化學平衡。半電池化學反應方程式表示如下：
上述反應所產(chǎn)生的電流與CO氣體的濃度成正比。測量電流用一個標準電阻轉換為電壓信號，經(jīng)放大、A／D轉換后，在數(shù)碼管上以CO的體積分數(shù)值直接顯示。 此外，7E／F型CO傳感器的測量范圍可以達到0～2 000×10-6，氣體選擇性非常好。當含有CO和H2的混合氣體通入傳感器時，敏感電極會產(chǎn)生一個與兩種氣體濃度成比例的信號，而輔助電極產(chǎn)生的信號則主要由于氫離子的存在。加上內(nèi)置過濾器可以除去N0、NO2、H2S和SO2的干擾，即使有一兩種干擾氣體存在，也可以得到非常準確的測量結果，其測量誤差、響應時間、重復性等都滿足本文CO監(jiān)測報警儀設計的要求。 1．4 信號放大電路方案的選擇 由于選用的氣體傳感器是感應CO氣體濃度的變化，將濃度信息轉化為電流信號。所以，必須采用專用的信號放大電路，并且對電路的要求非常嚴格。基于此要求，所用的三個電極分別是：工作電極(S)、對電極(C)、參考電極(R)。CO傳感器信號放大電路如圖3所示。
2 硬件電路設計 硬件電路設計包括：電源電路設計、程序下載電路設計、顯示和按鍵電路設計、報警電路設計和其他電路(復位電路、時鐘電路)設計。 2．1 電源部分電路設計 電源的主要任務是先將220 V的交流電通過整流濾波等措施轉換到直流+9 V，再將+9 V的電壓通過三端穩(wěn)壓78M05穩(wěn)定到+5 V供給ADuC816單片機及其外圍所連接的各芯片使用，電路如圖4所示。
2．2 程序下載電路設計 ADuC816單片機片內(nèi)含有一個全雙工的串行接口，在串行通信中采用RS-232C標準。在通信時，必須用MAX232芯片進行電平轉換。電路如圖5所示。此電路與8051讀取程序內(nèi)存專用控制線PSEN的J4接線柱配合，即可完成將程序從計算機下載到ADuC816片內(nèi)的8 KB Flash EEPROM程序存儲器中。當下載程序時需將單片機系統(tǒng)的電源關閉，將J4的短路塊插上，再給單片機系統(tǒng)上電，ADuC816即進入程序下載狀態(tài)。運行計算機軟件就可將HEX 文 RXD件下載到ADuC816 TXD內(nèi)。這正是本測控系統(tǒng)的方便之處，在修改程序時，既不需要昂貴的編程器，也不需打開機殼插拔芯片。
2．3 顯示和按鍵電路設計 CO氣體監(jiān)測報警儀必須有顯示待測氣體中CO濃度的電路。顯示電路采用串并轉換芯片74LSl64與數(shù)碼管LED.按鍵電路是由按鍵和上拉電阻構成的，主要功能是對報警點值進行設置，電路如圖6所示。
2．4 報警功能電路設計 當CO氣體濃度達到報警點時，通過兩個紅色的LED發(fā)光二極管和一個蜂鳴器進行報警。其中兩個紅色LED分別代表一級報警和二級報警。輸出報警電路是通過對繼電器的控制來控制蜂鳴器進行報警。要求繼電器的控制電壓為5 V，被控制電壓為220 V。 3 軟件設計 軟件設計包括A／D轉換、顯示、按鍵設置等。其主流程如圖7所示。按鍵共包含三個鍵，分別是設置鍵、加鍵和減鍵。通過不同的鍵來控制儀器進行不同功能的設置。其流程如圖8所示。
4 標 定 4．1 標 零 CO氣體監(jiān)測報警儀沒有開始工作或置于不含CO的空氣中時，經(jīng)過A／D轉換后所顯示的濃度值并不一定為零。這時無論值是多少都視其為零，并將此值作為儀器的“零點”。實際的測量值是通圖8按鍵、顯示、標定模塊流程圖過[(當前的A／D值-零點值)／系數(shù)]求得。 4．2 標定 標定工作線可用直線方程y=Kx+b來表示，由于設計中所用的氣體傳感器7E／F和放大電路的影響，將2．5 V電壓作為測量CO氣體濃度的一個基準，相應的標定擬合直線為： y=K(2．5-x)+b 其中，x的取值范圍是0～2．5 V，y的取值范圍是O～2 000×10-6。用標準的CO氣體標定后測出幾組數(shù)據(jù)，便可以用待定系數(shù)法求得K和6的值。 結語 CO作為一種劇毒性氣體，污染大氣，影響人體健康。通過對本文設計的報警儀調試使用，整個儀器運行穩(wěn)定，所要求功能已基本實現(xiàn)。當儀器運行時，用含有CO 的混合氣體進行測試，可以顯示出氣體中CO的濃度，并進行一級和二級報警。 參考文獻 1. 王勇.冷劍青.徐健健 基于單片機的室內(nèi)一氧化碳安全監(jiān)控系統(tǒng)設計 [期刊論文] -工業(yè)儀表與自動化裝置2001(4) 2. 張洪潤.張亞凡 傳感技術與實驗 2005 3. 單成祥 傳感器的理論與設計基礎及應用 1999 4. 王玲生.賈仲春 XCOY-1 型三電極一氧化碳檢測報警儀的研制 [期刊論文] -新產(chǎn)品技術1995(1) 5. City Technology Limited.Toxic Gas CiTiceLs 1999(2) 6. 谷葵 一氧化碳報警儀的標定與使用 [期刊論文] -冶金動力2002(4) 作者：南昌大學 楊輝 李鳴 楊大勇 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應用 2009（5） |
