基于可編程電路的有害氣體檢測系統研制

高軍禮，朱慧華，李龍昌，陳 瑋

（廣東工業大學 自動化學院，廣州 510006）

基于電化學傳感器的有害氣體檢測已在環境污染監控、家居安全、食品衛生、機械制造等方面得到了廣泛的應用。電化學傳感器具有交叉靈敏度低、長期穩定性、功耗低、且針對特定氣體設計等特點，特別適合低濃度混合有害氣體的檢測[1]。文獻[2-3]使用電化學法對有害氣體檢測和處理的電路是分立式的且僅針對特定傳感器而設計的，可擴展性有限。本課題基于可編程邏輯電路通過串行通訊協議設置檢測電路，實現同一硬件平臺對多種有害氣體濃度的檢測。具有體積小、精度高、穩定性好、維護成本低及測量速度快等特點。

1 系統方案

系統方案如圖1所示，由有害氣體信號檢測、微處理器G2553、上位PC機3大模塊組成，其中：

（1）信號檢測模塊包含電化學傳感器和可編程電路。

（2）G2553下位機包含I2C設置可編程電路、與上位機通信（RS485、WIFI）[4-5]、AD 采樣以及隔離IO。

（3）上位機包含人機交互、系統數據庫、實時監控等功能。

圖1 系統框圖Fig.1 Block diagram of system

信號檢測模塊的有害氣體電化學傳感器輸出的電流信號經可編程電路處理輸出電壓信號，之后基于G2553的10位A/D轉換得到與之相對應的有害氣體濃度數字量，該數據通過WIFI或RS485傳輸給上位機，上位機將檢測數據存儲到數據庫，并進行實時數據、歷史曲線顯示。同時G2553下位機接收上位機的命令對信號檢測模塊和現場設備進行設置和控制。

2 系統硬件設計

系統所采用的前端傳感器是電化學傳感器。通過表1可知，常見電化學傳感器的輸出電流通常是nA或亞μA級。如何處理傳感器輸出的微信號成為整個系統的關鍵，并將直接影響到后續數據的處理精度。常見的恒電位傳感器處理電路都是針對特定氣體的特定傳感器的規格所設計的[2-3]，若更換新的傳感器就要重新設計相對應的電路，為后續的使用和維護帶來不便。

表1 常見的電化學傳感器Tab.1 Common electrochemical gas sensors

本系統前端信號處理部分采用TI公司的LMP91000芯片。該芯片集成了恒電位電路和信號處理電路，只需根據前端傳感器的規格參數設置LMP91000的內部寄存器即可設置實際的參考基準電壓、負載電阻、增益電阻及工作模式。

（1）恒電位電路是LMP91000的核心，是因為工作電極與參考電極之間阻值的任何變化都將引起輔助電極上的電壓變化，產生的誤差信號都將通過內部A1放大器放大并作用于輔助電極導致性能變差。所以，必須將傳感器的工作電極與參考電極之間保持在恒電位。

（2）互阻抗增益電阻、負載電阻的阻值可分別通過I2C串口設置2.75 kΩ～350 kΩ之間7個檔次（或采用外置的互阻抗增益電阻）、10 Ω～100 Ω 之間4個檔次，從而輕松實現電化學傳感器滿量程電流（5 μA～750 μA）轉換成電壓輸出。

（3）內部參考零點VREF可以通過程序配置，使用芯片內部提供的或者外部電源的67%、50%或20%作為零點電壓。使得輔助電極有充裕的電壓取值范圍，以便適用于其他類型的氣體傳感器，并更好地利用MCU的A/D滿量程轉換。其中，內部零點是經過一個內部電壓除法器而得到的。

對于常用的三電極電化學氣體傳感器，其工作原理是待測氣體擴散到傳感器，通過一層薄膜后作用于工作電極。恒電位電路通過檢測參考電極的電壓并向輔助電極提供電流，使參考電極端與工作電極端之間的電壓保持恒定。由于參考電極端沒有電流流進或流出，因此流出輔助電極端的電流流進工作電極端，該電流與被測量氣體濃度成正比。流過工作電極端電流的極性取決于傳感器中發生的是氧化還是還原反應。對于SO2發生氧化反應時則輔助電極端電流極性為負值（即電流流入恒電位運算放大器的輸出端）。而負載通常非常小，因此工作電極端的電壓約等于VREF。

其中：IWE為流入WE端電流；Rf為跨導電阻。

只需通過I2C協議設置LMP91000的內部寄存器值，同一硬件平臺即可適用于不同氣體的不同傳感器。以Alphasense公司的SO2-AF電化學傳感器為例，其靈敏度為450～750 nA/ppm。以靈敏度、空氣濃度為最大值，設置基準電壓、負載電阻、增益電阻及工作模式。

則最大輸出電壓為

負載電阻值需要對2個因素進行權衡：噪聲增益的幅度以及電化學傳感器在高濃度下達到正常輸出的響應時間差，使得跨導放大器的噪聲增益保持在合理水平。對于SO2-AF傳感器匹配負載電阻為33 Ω，由此可計算噪聲增益：

跨導放大器輸入噪聲應乘以此增益。內部TIA運算放大器在0.1 Hz～10 Hz頻率內的輸入電壓噪聲為 2.95 μV（p-p）則輸出端噪聲為

該噪聲相當于0.128 ppm以上的實際氣體濃度。由于電化學傳感器響應較慢，因此輸出端需設計具有0.16 Hz（fp=12πRC）截止頻率的低通濾波器。此濾波器時間常數為1 s（τ=RC），與傳感器45 s的響應時間相比可忽略不計。

基于所選電化學傳感器參數并參考以上理論分析，可通過I2C通信協議設置LMP91000內部寄存器值如下：

（1）LMP91000具有3種工作模式，由于本設計只檢測氣體并選用外部P型場效應管則MODECN寄存器可全部設置為0x03；

（2）本設計所采用的電化學傳感器不需要偏置工作電壓，只需考慮AD采樣精度和MCU采樣保護。采用外部芯片精準電壓（2500 mV）的20%作為參考基準電壓則REFCN寄存器可全部設置為0x80；

（3）TICAN寄存器的設置則需要根據不同電化學傳感器的參數加上前面的理論推導，本設計所采用的設置為 H2S：0x11；NH3：0x0C；SO2：0x15；CO：0x11。

3 系統軟件設計

系統軟件包括基于C語言所開發的G2553下位機程序和基于C#語言所開發的上位PC機程序。如圖2所示，系統初始化之后，LMP91000根據內部預先設定的值配置可編程電路。系統對有害氣體的檢測采取間歇周期工作模式[6]，以降低系統的功耗。也可以通過上位機發送設置或讀取命令直接讓下位機退出睡眠模式，并處理上位機所下達的系統設置與數據讀取指令。

圖2 系統流程圖Fig.2 Flow chart of system

上位PC機應用程序人機界面如圖3所示，包含數據顯示、命令設置、底層數據庫、實時和歷史曲線等。

圖3 上位機監測GUIFig.3 Host computer monitoring GUI

4 系統驗證

考慮到所檢測有害氣體的多樣性和危險性，采取先模擬傳感器輸出微電流信號進行理論驗證和數據處理，之后再經華南國家計量測試中心進行實際檢測的模式。為此，選用具有代表性的不易揮發氣體SO2和易揮發氣體NH3進行系統精度測試，測試結果（證書編號：HYQ201307680/HYQ201309343）如表2所示，在0～35 ppm（1 ppm即一百萬體積的空氣中所含污染物的1份體積）量程范圍內，系統檢測的最大誤差為2%。

表2 華南國家計量測試中心測試結果Tab.2 Test results of South China national center of metrology

5 結語

基于可在線編程的硬件技術，采用電化學氣體檢測模式，設計了同一硬件平臺適用于多種有害氣體濃度的精確檢測系統。便攜式、低功耗下位機采用無線（WIFI）模式與上位機進行實時數據傳輸和人機交互，對有害氣體的檢測更加方便與安全，具有較好的工程應用前景。

[1] Depari A，Flammini A，Sisinni E，et al.Fast，versatile and lowcostinterface circuitforelectrochemicaland resistive gas sensor[J].Sensors Journal，IEEE，2014，14（2）：315-323.

[2] 周鵬輝，汪獻忠，薛妤.基于MSP430的便攜式四合一氣體檢測儀[J].儀表技術與傳感器，2012（11）：77-79.

[3] 李勛濤，余曉芬，胡佳文，等.有毒氣體無線監測網絡設計[J].傳感技術學報，2010，23（6）：888-892.

[4] Hallil H，Chebila F，Menini P，et al.Feasibility of wireless gas detection with an FMCW RADAR interrogation of passive RF gas sensor[C]//Kona，HI，2010.

[5] 盧超，李鵬輝.基于虛擬儀器的有害氣體報警儀[J].電子器件，2013，36（4）：559-563.

[6] 李蓮，金晶晶.一種可移動有害氣體檢測裝置的軟件設計[J].自動化與儀表，2011，26（6）：47-49. ■