| 标题 | 低功耗便携式有害气体监测仪的设计与实现 |
| 范文 | 白宗文 周美丽 摘 要： 介绍了有毒气体传感器的工作原理和特点，设计出了微功耗式便携式的有毒气体监测电路，基于VC++平台开发了相应的软件。在数据处理时充分考虑环境因素，对数据进行了合理处理，实验结果表明，该电路具有灵活方便，体积小、功耗低等优点，可广泛应用于工业生产、医学诊断、环境监测、国防等领域。 关键字： 电化学传感器； 有毒气体监测； 电路系统； 低功耗 中图分类号： TN911.7?34；TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0151?03 Abstract： The working principle and characteristics of ADXRS450 is introduced in this paper. The low?power toxic gas monitoring circuit was designed. The corresponding software was develoed based on VC++ platform. The environmental factors was fully considered for data processing. The experimental results show that the circuit has a simple structure， high precision and small size， and can be widely used in the fields of aerospace， industrial production， medical diagnosis， national defense and environment monitoring. Keywords： electrochemical sensor； toxic gas monitoring； circuit system； low?power consumption 0 引 言 随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和出现概率增加。这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。当发生气体泄漏事故时必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。同时探测多种有害气体气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求，因此气体探测器的发展应用越来越广泛。 目前，有毒气体检测大多采用单气体检测方式，即每测量一种气体需要携带一种测量仪表。研制能用一种仪器同时检测多种不同气体是气体检测仪的发展趋势，即进行多参数测量，多种气体检测，实现对多种气体种类的识别和浓度的判断，从而更全面地反映被测气体在特定环境中所显示的特性，实时监测环境中多种不同有毒气体。 2 系统及检测电路设计 本电路系统主要由微功耗电源、有毒气体传感器，MSP430微处理器和键盘及显示电路组成，如图2所示，其中MSP430是系统控制的核心，主要负责对传感器采集的数据进行处理，并根据当前状态实现检测不同气体的状态切换，及时向输出单元输出信息。电化学传感器主要实现有害气体浓度和电信号的转换，由于传感器输出的信号微弱，信号调理电路完成信号的放大和去噪，然后输出到A/D转换器，由微控制器进行数据处理并将结果输出到显示器和声光报警系统。 本设计中的所有器件均采用微功耗器件，此外还采用了多项措施降低功耗。电压源采用精密、低噪声、微功耗基准电压源ADR29，信号调理部分采用双通道微功耗放大器ADA4505?2，电化学传感器选用CO?AX一氧化碳传感器，A/D转换器选用AD7798，它是一款16位Σ?Δ低功耗ADC。ADR291是微功耗2.5 V基准电源，它具有精密度高、噪声低的特点，其功耗仅为12 μA，用于建立2.5 V共模基准电源，以使模/数转换器可对此电路的输出进行数字化处理；ADA4505?2是微功耗轨到轨I/O双通道运放，用于放大电化学传感器送出的微弱电信号，在恒电位配置（U2?A）和跨导配置下使用，其功耗仅为10 μA，室温下最大偏置电流仅为2 pA，对于该电位部分和跨导部分都是很好的选择，极低的功耗保证了电池的使用寿命；CO?AX是一氧化碳传感器，其灵敏度为55～90 μA/ppm，典型值为65 μA/ppm，响应时间小于30 s，具有灵敏度高，响应速度快的特点。AD5271是可编程变阻器，主要作用是扩展电路应用范围，提高系统的灵活性。因为不同气体或不同传感器的不同的电流输出范围，可将AD5271设置为适当的电阻值。AD5271 的温度系数为 5 ppm/°C，优于大多数分立电阻；其电源电流为 1 μA，对系统功耗的影响极小。 5 结 论 本文采用电化学原理多参数选择组合的方法设计出了能够同时检测氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢和可燃气体的浓度，解决了目前只能检测到单一气体的问题。根据不同的行业要求，不同的监测点，对不同的检测参数可以更换不同的传感器来监测不同种类的气体，对不同气体可以设定不同的监测浓度和分辨率，具有较高的应用价值。 参考文献 [1] 凌荣耀，欧林林，俞立.便携式灭弧气体检漏仪的设计及实现[J].电子测量与仪器学报，2013（6）：572?576. [2] 何立民.单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997. [3] 夏路易.智能仪表设计与接口技术[M].太原：太原理工大学出版社，2009. [4] 陈雷.点评多国仪器展中的传感器[J].国外电子测量技术，2012（2）：19?23. [5] 黄然，吕紫旭，金惠华.基于角速度传感器与DSP的三维陀螺仪[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（9）：53?58. [6] 沙占友，王彦鹏，张永昌.单片偏航角速度陀螺仪的原理与应用[J].传感器世界，2004（9）：31?34. [7] ADI公司.ADI实验室电路合集（第1册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011. [8] Anon. ADXRS450 datasheet EB/OL]. [2014?05?22]. http：//www.alldatasheet.com. [9] 温和，王永，滕召胜，等.噪声影响下的高准确度介损角测量方法研究[J].仪器仪表学报，2013（4）：780?785. [10] 兰羽，卢庆林.基于MQ138传感器的甲醛检测仪设计[J].电子测量技术，2013（8）：111?114. 摘 要： 介绍了有毒气体传感器的工作原理和特点，设计出了微功耗式便携式的有毒气体监测电路，基于VC++平台开发了相应的软件。在数据处理时充分考虑环境因素，对数据进行了合理处理，实验结果表明，该电路具有灵活方便，体积小、功耗低等优点，可广泛应用于工业生产、医学诊断、环境监测、国防等领域。 关键字： 电化学传感器； 有毒气体监测； 电路系统； 低功耗 中图分类号： TN911.7?34；TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0151?03 Abstract： The working principle and characteristics of ADXRS450 is introduced in this paper. The low?power toxic gas monitoring circuit was designed. The corresponding software was develoed based on VC++ platform. The environmental factors was fully considered for data processing. The experimental results show that the circuit has a simple structure， high precision and small size， and can be widely used in the fields of aerospace， industrial production， medical diagnosis， national defense and environment monitoring. Keywords： electrochemical sensor； toxic gas monitoring； circuit system； low?power consumption 0 引 言 随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和出现概率增加。这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。当发生气体泄漏事故时必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。同时探测多种有害气体气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求，因此气体探测器的发展应用越来越广泛。 目前，有毒气体检测大多采用单气体检测方式，即每测量一种气体需要携带一种测量仪表。研制能用一种仪器同时检测多种不同气体是气体检测仪的发展趋势，即进行多参数测量，多种气体检测，实现对多种气体种类的识别和浓度的判断，从而更全面地反映被测气体在特定环境中所显示的特性，实时监测环境中多种不同有毒气体。 2 系统及检测电路设计 本电路系统主要由微功耗电源、有毒气体传感器，MSP430微处理器和键盘及显示电路组成，如图2所示，其中MSP430是系统控制的核心，主要负责对传感器采集的数据进行处理，并根据当前状态实现检测不同气体的状态切换，及时向输出单元输出信息。电化学传感器主要实现有害气体浓度和电信号的转换，由于传感器输出的信号微弱，信号调理电路完成信号的放大和去噪，然后输出到A/D转换器，由微控制器进行数据处理并将结果输出到显示器和声光报警系统。 本设计中的所有器件均采用微功耗器件，此外还采用了多项措施降低功耗。电压源采用精密、低噪声、微功耗基准电压源ADR29，信号调理部分采用双通道微功耗放大器ADA4505?2，电化学传感器选用CO?AX一氧化碳传感器，A/D转换器选用AD7798，它是一款16位Σ?Δ低功耗ADC。ADR291是微功耗2.5 V基准电源，它具有精密度高、噪声低的特点，其功耗仅为12 μA，用于建立2.5 V共模基准电源，以使模/数转换器可对此电路的输出进行数字化处理；ADA4505?2是微功耗轨到轨I/O双通道运放，用于放大电化学传感器送出的微弱电信号，在恒电位配置（U2?A）和跨导配置下使用，其功耗仅为10 μA，室温下最大偏置电流仅为2 pA，对于该电位部分和跨导部分都是很好的选择，极低的功耗保证了电池的使用寿命；CO?AX是一氧化碳传感器，其灵敏度为55～90 μA/ppm，典型值为65 μA/ppm，响应时间小于30 s，具有灵敏度高，响应速度快的特点。AD5271是可编程变阻器，主要作用是扩展电路应用范围，提高系统的灵活性。因为不同气体或不同传感器的不同的电流输出范围，可将AD5271设置为适当的电阻值。AD5271 的温度系数为 5 ppm/°C，优于大多数分立电阻；其电源电流为 1 μA，对系统功耗的影响极小。 5 结 论 本文采用电化学原理多参数选择组合的方法设计出了能够同时检测氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢和可燃气体的浓度，解决了目前只能检测到单一气体的问题。根据不同的行业要求，不同的监测点，对不同的检测参数可以更换不同的传感器来监测不同种类的气体，对不同气体可以设定不同的监测浓度和分辨率，具有较高的应用价值。 参考文献 [1] 凌荣耀，欧林林，俞立.便携式灭弧气体检漏仪的设计及实现[J].电子测量与仪器学报，2013（6）：572?576. [2] 何立民.单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997. [3] 夏路易.智能仪表设计与接口技术[M].太原：太原理工大学出版社，2009. [4] 陈雷.点评多国仪器展中的传感器[J].国外电子测量技术，2012（2）：19?23. [5] 黄然，吕紫旭，金惠华.基于角速度传感器与DSP的三维陀螺仪[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（9）：53?58. [6] 沙占友，王彦鹏，张永昌.单片偏航角速度陀螺仪的原理与应用[J].传感器世界，2004（9）：31?34. [7] ADI公司.ADI实验室电路合集（第1册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011. [8] Anon. ADXRS450 datasheet EB/OL]. [2014?05?22]. http：//www.alldatasheet.com. [9] 温和，王永，滕召胜，等.噪声影响下的高准确度介损角测量方法研究[J].仪器仪表学报，2013（4）：780?785. [10] 兰羽，卢庆林.基于MQ138传感器的甲醛检测仪设计[J].电子测量技术，2013（8）：111?114. 摘 要： 介绍了有毒气体传感器的工作原理和特点，设计出了微功耗式便携式的有毒气体监测电路，基于VC++平台开发了相应的软件。在数据处理时充分考虑环境因素，对数据进行了合理处理，实验结果表明，该电路具有灵活方便，体积小、功耗低等优点，可广泛应用于工业生产、医学诊断、环境监测、国防等领域。 关键字： 电化学传感器； 有毒气体监测； 电路系统； 低功耗 中图分类号： TN911.7?34；TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0151?03 Abstract： The working principle and characteristics of ADXRS450 is introduced in this paper. The low?power toxic gas monitoring circuit was designed. The corresponding software was develoed based on VC++ platform. The environmental factors was fully considered for data processing. The experimental results show that the circuit has a simple structure， high precision and small size， and can be widely used in the fields of aerospace， industrial production， medical diagnosis， national defense and environment monitoring. Keywords： electrochemical sensor； toxic gas monitoring； circuit system； low?power consumption 0 引 言 随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和出现概率增加。这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。当发生气体泄漏事故时必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。同时探测多种有害气体气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求，因此气体探测器的发展应用越来越广泛。 目前，有毒气体检测大多采用单气体检测方式，即每测量一种气体需要携带一种测量仪表。研制能用一种仪器同时检测多种不同气体是气体检测仪的发展趋势，即进行多参数测量，多种气体检测，实现对多种气体种类的识别和浓度的判断，从而更全面地反映被测气体在特定环境中所显示的特性，实时监测环境中多种不同有毒气体。 2 系统及检测电路设计 本电路系统主要由微功耗电源、有毒气体传感器，MSP430微处理器和键盘及显示电路组成，如图2所示，其中MSP430是系统控制的核心，主要负责对传感器采集的数据进行处理，并根据当前状态实现检测不同气体的状态切换，及时向输出单元输出信息。电化学传感器主要实现有害气体浓度和电信号的转换，由于传感器输出的信号微弱，信号调理电路完成信号的放大和去噪，然后输出到A/D转换器，由微控制器进行数据处理并将结果输出到显示器和声光报警系统。 本设计中的所有器件均采用微功耗器件，此外还采用了多项措施降低功耗。电压源采用精密、低噪声、微功耗基准电压源ADR29，信号调理部分采用双通道微功耗放大器ADA4505?2，电化学传感器选用CO?AX一氧化碳传感器，A/D转换器选用AD7798，它是一款16位Σ?Δ低功耗ADC。ADR291是微功耗2.5 V基准电源，它具有精密度高、噪声低的特点，其功耗仅为12 μA，用于建立2.5 V共模基准电源，以使模/数转换器可对此电路的输出进行数字化处理；ADA4505?2是微功耗轨到轨I/O双通道运放，用于放大电化学传感器送出的微弱电信号，在恒电位配置（U2?A）和跨导配置下使用，其功耗仅为10 μA，室温下最大偏置电流仅为2 pA，对于该电位部分和跨导部分都是很好的选择，极低的功耗保证了电池的使用寿命；CO?AX是一氧化碳传感器，其灵敏度为55～90 μA/ppm，典型值为65 μA/ppm，响应时间小于30 s，具有灵敏度高，响应速度快的特点。AD5271是可编程变阻器，主要作用是扩展电路应用范围，提高系统的灵活性。因为不同气体或不同传感器的不同的电流输出范围，可将AD5271设置为适当的电阻值。AD5271 的温度系数为 5 ppm/°C，优于大多数分立电阻；其电源电流为 1 μA，对系统功耗的影响极小。 5 结 论 本文采用电化学原理多参数选择组合的方法设计出了能够同时检测氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢和可燃气体的浓度，解决了目前只能检测到单一气体的问题。根据不同的行业要求，不同的监测点，对不同的检测参数可以更换不同的传感器来监测不同种类的气体，对不同气体可以设定不同的监测浓度和分辨率，具有较高的应用价值。 参考文献 [1] 凌荣耀，欧林林，俞立.便携式灭弧气体检漏仪的设计及实现[J].电子测量与仪器学报，2013（6）：572?576. [2] 何立民.单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997. [3] 夏路易.智能仪表设计与接口技术[M].太原：太原理工大学出版社，2009. [4] 陈雷.点评多国仪器展中的传感器[J].国外电子测量技术，2012（2）：19?23. [5] 黄然，吕紫旭，金惠华.基于角速度传感器与DSP的三维陀螺仪[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（9）：53?58. [6] 沙占友，王彦鹏，张永昌.单片偏航角速度陀螺仪的原理与应用[J].传感器世界，2004（9）：31?34. [7] ADI公司.ADI实验室电路合集（第1册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011. [8] Anon. ADXRS450 datasheet EB/OL]. [2014?05?22]. http：//www.alldatasheet.com. [9] 温和，王永，滕召胜，等.噪声影响下的高准确度介损角测量方法研究[J].仪器仪表学报，2013（4）：780?785. [10] 兰羽，卢庆林.基于MQ138传感器的甲醛检测仪设计[J].电子测量技术，2013（8）：111?114. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。