基于ADuC816的一氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

摘要 詳細(xì)討論了ADI公司的數(shù)據(jù)采集芯片ADuC816單片機(jī)的原理特性和一氧化碳氣體傳感器的選擇，論述了一氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警儀的軟件設(shè)計(jì)及其標(biāo)定方法，設(shè)計(jì)完成了一種靈敏度高、性能可靠、操作簡(jiǎn)單的一氧化碳監(jiān)測(cè)報(bào)警儀，對(duì)于生活環(huán)境中的一氧化碳?xì)怏w的監(jiān)測(cè)及其帶來(lái)的社會(huì)、人身安全等問(wèn)題具有十分重要的意義。
關(guān)鍵詞 ADuC816單片機(jī) CO監(jiān)測(cè)報(bào)警 標(biāo)定

引 言
    一氧化碳(CO)是一種無(wú)色無(wú)臭的氣體。當(dāng)CO進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)后，就會(huì)與血紅蛋白迅速結(jié)合形成碳氧血紅蛋白，占據(jù)了結(jié)合氧的位置，從而使血紅蛋白喪失運(yùn)輸氧的功能，導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生頭痛、耳鳴、疲勞等癥狀。如果CO中毒嚴(yán)重，輕者可損害思維和感覺(jué)，減弱身體運(yùn)動(dòng)能力，重者則會(huì)導(dǎo)致腦部受損甚至發(fā)生死亡。因此，設(shè)計(jì)一種靈敏度高、性能可靠、操作簡(jiǎn)單的CO監(jiān)測(cè)報(bào)警儀，及時(shí)準(zhǔn)確并有效地對(duì)生活壞境以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的CO進(jìn)行檢測(cè)，是與人的生命安全相關(guān)的重要問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1．1 系統(tǒng)組成
    C0氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警儀是由CO氣體傳感器、調(diào)理電路、單片機(jī)、顯示電路、按鍵、信號(hào)輸出電路和應(yīng)用系統(tǒng)軟件等組成。CO氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1．2 單片機(jī)的選擇
    ADuC816單片機(jī)是美國(guó)ADI公司推出的一種新型單片機(jī)，它是ADI公司多年生產(chǎn)A／D、D／A轉(zhuǎn)換器的經(jīng)驗(yàn)與成熟的8051單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合的高性能微轉(zhuǎn)換器，功能非常強(qiáng)大。ADuC816集成了2通道16位ADC、12位DAC、3個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器、10個(gè)中斷源／2級(jí)優(yōu)先中斷級(jí)、雙傳感器激勵(lì)電流源、8 KB Flash EEPROM程序存儲(chǔ)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(chǔ)器分組尋址，地址空間達(dá)16 MB。因此，選用ADuC816單片機(jī)不僅可以滿(mǎn)足CO氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警儀高精度的要求，而且不需要外接A／D、D／A轉(zhuǎn)換器和外部存儲(chǔ)器。這對(duì)簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)，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(lèi)型。半導(dǎo)體CO氣體傳感器主要是以氧化物半導(dǎo)體作為基本材料，使氣體吸附于半導(dǎo)體表面，利用由此產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化來(lái)判斷CO氣體濃度的大小。與其他氣體傳感器相比，半導(dǎo)體CO氣體傳感器具有快速、簡(jiǎn)便、靈敏等優(yōu)點(diǎn)，但是它的氣體選擇性較差，在工作時(shí)容易受到其他氣體的干擾。電化學(xué)電位型CO氣體傳感器能夠?qū)⒋郎y(cè)氣體通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)變換成電信號(hào)，進(jìn)行直接檢測(cè)。其中，為了提高測(cè)量精度，消除測(cè)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(gè)外部的恒電位工作電路。此類(lèi)型傳感器用稀硫酸溶液作為液態(tài)電解質(zhì)，不僅可以在室溫條件下與其他測(cè)控設(shè)備協(xié)同工作，而且輸出信號(hào)幅值大，靈敏度高，使用方便，價(jià)格低，同時(shí)還可以避免因CO與氧氣直接接觸而發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

    7E／F型CO氣體傳感器就是電化學(xué)電位型。它檢測(cè)的是與待測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)或分壓相關(guān)的電極電位，其影響機(jī)制是基于電極上發(fā)生的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)而建立起來(lái)的電化學(xué)平衡。半電池化學(xué)反應(yīng)方程式表示如下：

    上述反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與CO氣體的濃度成正比。測(cè)量電流用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大、A／D轉(zhuǎn)換后，在數(shù)碼管上以CO的體積分?jǐn)?shù)值直接顯示。
    此外，7E／F型CO傳感器的測(cè)量范圍可以達(dá)到0～2 000×10-6，氣體選擇性非常好。當(dāng)含有CO和H2的混合氣體通入傳感器時(shí)，敏感電極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與兩種氣體濃度成比例的信號(hào)，而輔助電極產(chǎn)生的信號(hào)則主要由于氫離子的存在。加上內(nèi)置過(guò)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(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，其測(cè)量誤差、響應(yīng)時(shí)間、重復(fù)性等都滿(mǎn)足本文CO監(jiān)測(cè)報(bào)警儀設(shè)計(jì)的要求。
1．4 信號(hào)放大電路方案的選擇
    由于選用的氣體傳感器是感應(yīng)CO氣體濃度的變化，將濃度信息轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。所以，必須采用專(zhuān)用的信號(hào)放大電路，并且對(duì)電路的要求非常嚴(yán)格。基于此要求，所用的三個(gè)電極分別是：工作電極(S)、對(duì)電極(C)、參考電極(R)。CO傳感器信號(hào)放大電路如圖3所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    硬件電路設(shè)計(jì)包括：電源電路設(shè)計(jì)、程序下載電路設(shè)計(jì)、顯示和按鍵電路設(shè)計(jì)、報(bào)警電路設(shè)計(jì)和其他電路(復(fù)位電路、時(shí)鐘電路)設(shè)計(jì)。
2．1 電源部分電路設(shè)計(jì)
    電源的主要任務(wù)是先將220 V的交流電通過(guò)整流濾波等措施轉(zhuǎn)換到直流+9 V，再將+9 V的電壓通過(guò)三端穩(wěn)壓78M05穩(wěn)定到+5 V供給ADuC816單片機(jī)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(shè)計(jì)
    ADuC816單片機(jī)片內(nèi)含有一個(gè)全雙工的串行接口，在串行通信中采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)。在通信時(shí)，必須用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電路如圖5所示。此電路與8051讀取程序內(nèi)存專(zhuān)用控制線(xiàn)PSEN的J4接線(xiàn)柱配合，即可完成將程序從計(jì)算機(jī)下載到ADuC816片內(nèi)的8 KB Flash EEPROM程序存儲(chǔ)器中。當(dāng)下載程序時(shí)需將單片機(jī)系統(tǒng)的電源關(guān)閉，將J4的短路塊插上，再給單片機(jī)系統(tǒng)上電，ADuC816即進(jìn)入程序下載狀態(tài)。運(yùn)行計(jì)算機(jī)軟件就可將HEX 文 RXD件下載到ADuC816 TXD內(nèi)。這正是本測(cè)控系統(tǒng)的方便之處，在修改程序時(shí)，既不需要昂貴的編程器，也不需打開(kāi)機(jī)殼插拔芯片。

2．3 顯示和按鍵電路設(shè)計(jì)
    CO氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警儀必須有顯示待測(cè)氣體中CO濃度的電路。顯示電路采用串并轉(zhuǎn)換芯片74LSl64與數(shù)碼管LED.按鍵電路是由按鍵和上拉電阻構(gòu)成的，主要功能是對(duì)報(bào)警點(diǎn)值進(jìn)行設(shè)置，電路如圖6所示。

2．4 報(bào)警功能電路設(shè)計(jì)
    當(dāng)CO氣體濃度達(dá)到報(bào)警點(diǎn)時(shí)，通過(guò)兩個(gè)紅色的LED發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。其中兩個(gè)紅色LED分別代表一級(jí)報(bào)警和二級(jí)報(bào)警。輸出報(bào)警電路是通過(guò)對(duì)繼電器的控制來(lái)控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)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(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括A／D轉(zhuǎn)換、顯示、按鍵設(shè)置等。其主流程如圖7所示。按鍵共包含三個(gè)鍵，分別是設(shè)置鍵、加鍵和減鍵。通過(guò)不同的鍵來(lái)控制儀器進(jìn)行不同功能的設(shè)置。其流程如圖8所示。

4 標(biāo) 定
4．1 標(biāo) 零
    CO氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警儀沒(méi)有開(kāi)始工作或置于不含CO的空氣中時(shí)，經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后所顯示的濃度值并不一定為零。這時(shí)無(wú)論值是多少都視其為零，并將此值作為儀器的“零點(diǎn)”。實(shí)際的測(cè)量值是通圖8按鍵、顯示、標(biāo)定模塊流程圖過(guò)[(當(dāng)前的A／D值-零點(diǎn)值)／系數(shù)]求得。
4．2 標(biāo)定
    標(biāo)定工作線(xiàn)可用直線(xiàn)方程y=Kx+b來(lái)表示，由于設(shè)計(jì)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(cè)量CO氣體濃度的一個(gè)基準(zhǔn)，相應(yīng)的標(biāo)定擬合直線(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)的CO氣體標(biāo)定后測(cè)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(jié) 語(yǔ)
    CO作為一種劇毒性氣體，污染大氣，影響人體健康。通過(guò)對(duì)本文設(shè)計(jì)的報(bào)警儀調(diào)試使用，整個(gè)儀器運(yùn)行穩(wěn)定，所要求功能已基本實(shí)現(xiàn)。當(dāng)儀器運(yùn)行時(shí)，用含有CO的混合氣體進(jìn)行測(cè)試，可以顯示出氣體中CO的濃度，并進(jìn)行一級(jí)和二級(jí)報(bào)警。