一种矿用一氧化碳检测仪的设计

程 辉，杨克立

(1．河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191；2.中原工学院 工业训练中心，河南 郑州 450007)

一种矿用一氧化碳检测仪的设计

程 辉1，杨克立2

(1．河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191；2.中原工学院 工业训练中心，河南 郑州 450007)

为了快速准确地检测煤矿井下一氧化碳的含量，提出了一种新型的基于飞思卡尔56F8346的矿用一氧化碳检测仪的设计方法.在对一氧化碳传感器中气敏元件工作原理分析的基础上，运用高性能的DSP控制器，研究并设计其软硬件系统，能够实现对煤矿井下作业环境中一氧化碳气体浓度的实时检测并显示以及超标声光报警和上位机通信等功能.通过实验可知，所设计的传感器性能稳定、可靠，精度和灵敏度完全能满足生产需求.

56F8346；一氧化碳；检测仪；煤矿井

一氧化碳伴随着煤炭开采而产生，由于其无色无味却有毒，作业人员很难察觉，一旦吸入过量极易发生昏迷甚至更严重的情况.另外,一氧化碳易燃易爆，一旦井下含量超标，危险性极高，是作业人员和煤矿井的重要危害源之一[1-3].针对矿井下作业特殊复杂的环境，设计了一种一氧化碳检测仪器，在满足国家相关的防范技术规范和安全标准要求的基础上，不仅能够对井下一氧化碳的含量进行实时检测与显示，而且要与上位机进行实时通讯及数据传送，一旦超标就立即声光报警，该设计具有很好的应用前景.

随着DSP(Digital Signal Processor)性价比的不断提高，其高速度、高精度性能作为控制处理器也广泛应用于数据采集及实时处理系统中[4].飞思卡尔56F8346具有5 V 的兼容I/O 接口，增强型的片内仿真 (EOnCE) 也为其提供了低成本的实时调试功能，使其性能更加优越.本研究以飞思卡尔56F8346作为核心处理器,设计了能够满足上述功能的一氧化碳检测仪，通过实验证明了其性能稳定、可靠，精度和误差能够满足生产需求.

1 一氧化碳气敏元件工作原理

一氧化碳检测仪中气敏元件的工作基于恒电位电解法原理，其结构包含3个电极：工作电极W、对电极R和参比电极C.当一氧化碳气体扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，气体发生氧化，其化学反应式为

(1)

在工作电极上发生氧化反应产生的H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，并与水中的氧发生还原反应.其化学反应式为

(2)

这个氧化-还原反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在两个电极间产生正比于CO浓度的电子，将其由电极引出后进行运算放大处理即可对矿井下一氧化碳气体及浓度进行检测和监控.但由于极间电位难以维持恒定，为此引入不参与氧化或还原反应的参比电极，给工作电极提供稳定的不随电化学反应而变化的恒定电位，以保证最佳的工作电极电位与最大反应电流的线性关系.

2 系统硬件设计

图1 系统设计框图Fig.1 Digram of the system design

该系统采用模块化设计，包括模拟信号处理系统和外围数字处理设备系统，两者都由核心控制器56F8346来完成信号的运算传输，系统设计如图1所示.一氧化碳气敏元件输出信号由恒电位电路控制，其检测到的微弱信号经放大电路转化成可供DSP识别的数据，后经运算处理程序进行浓度分析，并驱动外围数字处理设备系统实时显示，当浓度高于设定值时进行声光报警、频率输出等.

2.1恒电位和信号放大电路设计

采用零点偏置的恒电位电路如图2所示.微功耗放大器U1采用低漂移Teledyne公司的7650.U1的反相端检测参考电极(RE)的电压，经过积分运算向辅助电极(CE)提供电流，RE端没有电流流进或流出，所以流出CE端的电流流进WE端，使得RE端与WE端之间的电压保持恒定,电流很小但是与目标气体浓度成正比.Q1为P沟道JFET，电路启动时，栅极电压为5 V，晶体管断开； 电路关断时，栅极电压降至0 V，JFET开启，使RE端和WE端保持相同的电位，这样可以使得每次启动电路时传感器的开启建立时间大大缩短.

图2 恒电位电路图Fig.2 Constant voltage circuit

图3 信号放大电路图Fig.3 Signal amplification circuit

信号放大电路如图3所示.恒电位控制气敏元件检测目标气体浓度，产生对应的电流信号由WE端经R5后流入微功耗放大器U2的反相端进行比例积分放大，经过R6降压，C4滤波后即可经ANA0口送入处理器.

2.2无线遥控电路设计

电化学传感器的灵敏度会随时间而飘移，为了更好地在应用中调校，本研究所设计的一氧化碳传感器采用红外遥控方式来进行.调校的设计只用4个按键，并在按键上面用中文字符分别表示为“模式”“增加”“减少”和“确认”.设计中按键有背景灯，以便更好地识别确认与调校.红外遥控发射接收电路的设计中采用PT2262和PT2272芯片进行编解码，所搭建的电路简单实用，最终解码后的数据通过控制器的PB0-3脚进行控制.

图4 MAX7219接线图Fig.4 MAX7219 and DSP connection diagram

2.3数字显示电路设计

56F8346有一个非常适合数字处理微型化的串行外设接口SPI，最低只需要3根线便可与外设完成连接.MAX7219是MAXIM 公司生产的典型三线串行接口，非常适合与SPI连接构成显示接口电路，能够实现多达8位LED 数码管的显示控制和驱动且数码管的亮度可调、控制简单方便，电路如图4所示.其中，R9为一峰值限流电阻，是芯片唯一的外接器件.

DIG0-3驱动4位数码管，SEGA-G为共阴极接点.本设计中数码管选择了发光柔和、颜色为红色的4位共阴极LED数码管作为显示器件，非常适用于矿井下的环境，它不但防潮、温度特性好，而且还有很好的远距离视觉效果.数码管中的低三位是用来实时显示所检测到的一氧化碳浓度，最高位为遥控控制位.

图5 声光报警电路Fig.5 Sound and light alarm circuit

2.4频率输出和声光报警电路设计

频率输出电路的作用是输出与一氧化碳浓度相对应的标准频率信号，并将所测值及时地传输给井上较远的监控系统.为此，电路中采用集电极开漏输出，以利于减少导线的阻抗线间电容所造成的频率信号的衰减.可在PC3引脚输出与一氧化碳质量分数0～0.1%相对应的频率为200～1 000 Hz，在此范围可保证为线性关系.

声光报警电路与56F8346的PC1引脚连接，当浓度超限时，启动相应的中断程序控制；当引脚输出高电平时，实现蜂鸣器鸣声与发光二极管闪烁报警，低电平时不报警，电路图如图5所示.

3 系统软件设计

本设计运用飞思卡尔公司专为56800E系列DSP开发的一套完整、便利的Code Warrior IDE作为软件开发平台，运用C语言，采用模块化、结构化的设计思想，完成系统初始化模块、数据采集模块、数据处理模块和控制功能模块程序的编写和调试.

图6 主程序流程Fig.6 The main program flow chart

软件主要完成三大功能，一是完成A/D转换后数据的运算与处理，二是实时显示数据及超标报警，三是红外遥控调校和数据传输.本系统以电化学一氧化碳传感器生产行业标准要求的性能来设计，系统上电复位，运行初始化程序，包括设置中断禁止及优先级，设置各个定时器及工作方式等，之后A/D初始化，开始检测各种数据.系统软件的主程序流程如图6所示.

4 实验结果

依据国家标准AQ 6505—2006《煤矿用电化学式一氧化碳传感器》和实际生产的要求，在温度25 ℃、相对湿度55%、大气压力90 kPa的条件下进行断电保护措施、显示值稳定性和基本误差测试.按规定流量，用清洁空气和量程50%的标准气样对仪表进行3次校准，使输出频率值与测量值完全对应后，随机抽取标准气体浓度样品做测试，实验结果如表1所示.

表1 实验结果Tab.1 The experiment result

由表1可以看出，一氧化碳传感器在对不同标准气体浓度检测时，其测量误差都在要求的相对误差范围(±4%)内，输出频率与标准气体浓度之间基本保持线性关系，符合相关的安全标准与实际需求.但是，同时也存在测量较小浓度标准气体时相对误差大于测量较高浓度标准气体时相对误差的情况，这主要是因为实际设计电路并不能保证仪器发生复杂电化学反应时产生的电流与标准气体浓度形成完全线性对应关系，另外也可能是调校操作时仪器出现的测量误差造成的.实验中的平均响应时间为21 s(国家标准为35 s)，动态特性很好.

5 结束语

本研究所设计的电化学式一氧化碳传感器采用飞思卡尔56F8346作为系统的核心，数据采样与运算速度快、可靠性高，模块化的软硬件设计结构简单，便于功能的拓展，实现了对一氧化碳气体浓度的实时检测与显示、超标声光报警和频率输出等功能.针对该仪器特殊的使用环境，进行了稳定性与可靠性的实验，测试结果表明该仪器的各项性能指标满足相关安全标准，可应用于矿井下复杂的环境之中.

[1] 陈长伦,何建波.电化学式气体传感器的研究进展[J].传感器世界，2004(4):11-15.

[2] 孙宇峰,黄行九.电化学式CO气体传感器及其敏感特性[J].传感器技术，2004,23(7):14-17.

[3] 毛会琼，任子晖.基于MSP430的便携式一氧化碳检测仪的设计[J].工矿自动化，2007,2(4):72-74.

[4] 冬雷.DSP原理及电机控制系统应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

Designofcarbon-monoxidegassensorforcoalandmineexploitation

CHENG Hui1, YANG Ke-li2

(1.CollegeofElectricalInformationEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China; 2.IndustrialTrainingCentre,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)

This paper presented a new design for the carbon monoxide gas sensor based on 56F8346, which is used in coal and mine exploitation to detect the concentration of carbon monoxide gas. The hardware and software of carbon monoxide gas sensor was researched and realized using high performance DSP controller after analyzed the working principle of gas sensitive element in Carbon monoxide sensor. It can not only detect the concentration of carbon monoxide and display, sound and light alarm at the same time, but also communicate with computer. By experiments, the performance of the sensor designed is stable and reliable. The conclusion shows that its precision and sensitivity could meet sufficiently the demand.

56F8346; carbon monoxide; sensor; coal and mine exploitation

2013-10-20

程辉(1979-)，女，河南南阳人，讲师，主要从事检测技术与自动化研究.

TD711.4；TP368.2

A

1674-330X(2014)01-0058-04