基于 AVR 单片机的C O浓度在线检测仪与设计

虞益龙

(江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院，江苏 常州 213025)

一氧化碳是无色、无臭、无味的气体，故易于忽略而致中毒。一氧化碳中毒的原因是因为一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，进而排挤血红蛋白与氧气的结合，从而出现缺氧，这就是一氧中毒。常见于家庭居室通风差的情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道漏气或工业生产煤气以及矿井中的一氧化碳吸入而致中毒。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件总体框图设计

一氧化碳检测仪是一种用于公共场所及室内具有检测及超限报警功能的仪器。其设计方案基于AVR单片机、A/D转换器、时钟芯片、显示模块、声光振报警、无线通讯、继电器模块、外围扩展数据存储、ME3-CO 型电化学传感器；硬件结构框如图1所示。

图1 一氧化碳检测仪系统结构框图

图2 ME 3 型电化学传感器实物图

1.2 一氧化碳气体传感器

一氧化碳电化学传感器，采用炜盛电子科技公司生产的ME3-CO型电化学传感器如图2所示。ME3 型电化学气体传感器一般均有三个引脚，分别为工作电极、对电极和参考电极。

1.3 一氧化碳气体传感器电路设计

一氧化碳电化学传感器信号调理电路如图 3所示，从图中可以看出U10B运算放大AD5552构成电流—电压转换电路，U10A运算放大器AD5552构成一个差分输入放大器，用于工作电极和参比电极之间电位与所需工作偏执电位的比较建立恒压电路。

图 3 一氧化碳电化学传感器信号调理电路

2 一氧化碳气体检测仪软件设计

2.1 主程序流程图设计

系统主程序流程图如图4所示。

2.2 数字滤波子程序设计

气体传感器在对气体浓度采样时会遇到尖脉冲干扰的现象，需要对数据进行数字滤波，具体的方式为：先对 N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下 N-2 个数据的算术平均值，最后将算术平均值送至寄存器。该检测仪 N 取 10，即调用 A/D 转换连续进行10 次采样。

3 系统调试

一氧化碳电化学传感器是三极型传感器，一氧化碳气体从透气孔扩散进入传感器内部，经过过滤器和透气膜到工作电极，在工作电极表面催化剂的作用下发生氧化反应，在反应过程中释放了 H+和e-，通过电解液转移到同在电解液中的对电极上，在对电极上，H+和 e-又与电解液中的氧气分子结合，发生还原反应。整个过程反应方程式如式（1）、（2）所示。

整理得到式（3）

图4 主程序流程图

单纯从反应方式中可以看出，一氧化碳在传感器内进行了一系列氧化还原反应，传感器内部并无资源消耗，但是电解液的储存期限和催化剂的活性是有期限的，因此电化学传感器寿命也是有限的，一般为 2～3 年。因为在工作电极和对电极上进行氧化还原反应，一定会造成电极极化，促使电极间电位不稳定，从而造成对一氧化碳可测量范围的误差，因此引入参考电极不参加氧化还原反应，从而使电极间电位恒定。

4 检测仪性能实验

4.1 误差实验

分别用三种不同浓度标准气体进行误差的实验，数值稳定后记录，数据表明误差均在合理范围内，实验结果如表1所示。

表1 一氧化碳气体（p p m）误差实验数据表

表2 响应时间实验数据表

4.2 响应时间实验

进行响应时间实验之前要用纯氮气吹一氧化碳气体传感器进气孔，持续一段时间，以保证其不受环境因素影响。待数值稳定后，通入一定浓度的标准样气，并开始计时，待数值达到标准样气浓度的 90%，记录所需时间，即为响应时间，实验数据如表2所示。

从实验结果中可以看出，设计的一氧化碳气体检测仪的各项性能指标均符合设计要求，通过表1可以看出一氧化碳相对误差均在 5%以下，符合设计要求和国家标注。由表2可以看出检测仪对一氧化碳的响应时间均小于 30 秒，符合设计要求和国家标准。检测仪在控制误差和响应时间上得到了提高。

5 结语

对一氧化碳检测仪样机进行了误差实验和响应时间实验，并得出了误差和响应时间等相关实验数据，通过对实验数据的分析证明了一氧化碳检测仪各项参数指标均符合设计要求。

[1]S Y 6503-2000 可燃气体检测报警使用规范[S].

[2]胡会利.李宁.电化学测量 [M].北京:国防工业出版社,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.