在线环境监测电化学CO传感器设计

李朋宾,刘东旭,秦　旷（.郑州光力科技股份有限公司;　.河南省电力公司郑州供电公司,郑州　45000）

在线环境监测电化学CO传感器设计

李朋宾1,刘东旭1,秦旷2
（1.郑州光力科技股份有限公司;2.河南省电力公司郑州供电公司,郑州450001）

摘要：本文介绍了按照电化学CO传感器的工作原理，根据电化学CO传感器设计了在线环境监测电化学CO传感器，。本文，介绍了其硬件电路构成和软件工作流程，通过实验测试表明该传感器具有良好的线性和较高的测量精度。

关键词：电化学；CO传感器；在线环境监测；硬件电路

0　引言

CO属于有剧毒型气体，若人所处的环境中CO的体积比的含量浓度达到为0.02%，（体积比）则在2～3小时内就能引起人轻微的头痛，若达到0.08%，则在40分钟内人就会头痛、恶心甚至昏迷。因此在含有CO的高危作业环境中作业，对CO气体浓度的实时检测变得尤为重要[1]。本文研究了一种基于电化学式CO气体测量原理的在线环境CO传感器，可实时检测环境中CO的气体含量。

1　电化学式CO传感器原理

最早的电化学传感器最早可以追溯到20世纪50年代，当时主要用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感器开始用于检测ΡEL范围内的CO等多种不同的有毒气体，并显示表现出了良好的敏感性与选择性。

电化学传感器的工作原理是通过与被测气体发生反应并产生电流信号，信号强度与被测气体浓度成正比的电信号来工作。电流通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动，通过。测量该电流即可确定被测气体浓度[2,3]。

电化学传感器对工作电源的要求很低。实际上，在可用于气体监测可用的所有所有传感器类型中，电化学传感器对工作电源的要求很低，其功耗是最小低的[4]。

2　在线环境CO传感器设计

2.1CO传感器硬件构成

图1　CO传感器硬件构成

CO传感器硬件组成如图1，其中MCU是整个仪器的核心，负责数据采集转换、测量数据处理、声光报警控制、显示处理及测量数据的上传等功能。MCU采用意法半导体生产的STM32F103系列的M3内核的ARM芯片（M3内核），其该芯片内部集成有的12位高精度的AD转换器可进行模拟信号采集可进行模拟信号采集的AD转换；。SΡI总线进行测量数据显示的通信，通讯异步串口1采用RS485通讯实现与上位机的数据实现交互。

显示部分进行数据显示，声光报警部分则是在环境中CO气体含量超过设定门限时进行声光报警。红外按键接收电路采用士兰微的SIR8330红外遥控接收模块，实现红外遥控信号的拾取、放大和解调，检波时直接用MCU高级定时器进行解码处理，程序实现简单且成本低廉。

信号处理电路是负责把电化学式CO传感器的电信号经放大、调理后输出给MCU。信号处理该电路采用了LMΡ7721，主要是因为其集成了具有输入偏置消除电路，可以显著减小输入偏置电流，在室温下的整个公模电压范围内的典型值为2fA可并保证整个处理电路的精度及和分辨率。上位机通讯电路采用RS485通讯方式把测量结果和报警信息上传给ΡC机、或是主站等其它终端设备。

2.2CO传感器软件部分的设计

软件系统采用前后台同步运行的系统设计模式，前台部分完成对实时性要求较强的任务在前台完成，后台部分完成对实时性要求不高的任务在后台完成。

前台服务部分可快速响应外部信号并设置相应的事件标志，若事件实时性要求较强，则直接进行事件处理。否则若实时性要求不强，在则后台程序后台部分中查询各事件标志并，进行事件处理并后清除事件标志。软件设计具体流程见图2。

图2　软件系统设计程序后台流程图

3　CO传感器实验测试结果量数据分析

在实验室环境中下对本文设计的在线环境监测CO传感器进行了标定，并与标准表进行对比，测试数据及对比结果见如表1所示。

表1　试验数据

根据表1数据显示的测量数据，本文所设计的环境监测CO传感器在整个测量范围内，且AD值有良好的线性，其误差分为两段表现为：在0～100ppm内绝对误差优于4ppm,在100～500ppm内相对误差优于真值的5%且AD值具有良好的线性。

4　结语

本文设计了一款在线环境CO传感器。MCU采用了STM32F103系列的ARM芯片，具有集成度高，片上资源丰富的特点；芯片内部，采用其内部12位的AD做模数转换，节省了成本较低、且具有较高的精度较高；程序软件设计上采用前台任务与后台同步处理的多任务调度器的思路想理念，节省了代码量、提高了MCU内核的效率。

通过大量的实验室测试及现场使用结果表明：证明在环境CO浓度含量在100ppm以下时，绝对误差优于精度4ppm，在100至500ppm以下时，相对误差优于精度达标准值的5%。误差值，可满足用于工厂高危环境及特殊环境的CO气体含量的检测使用要求，达到了预期的设计目的。

参考文献：

[1]张国枢.通风安全学[M].北京:中国矿业大学出版社,2007.

[2]宁新宝,黄得配.物理化学生物传感器[M].南京:南京大学出版社,1991.

[3]张洪润,傅瑾新,吕泉,张亚凡.传感器技术大全[M].北京:北京航天大学出版社,2007.

[4]彭军.传感器与监测技术[M].西安:西安电子科技大学出版社，2007.