帶溫度補償的低功耗一氧化碳測定器設計

孫曉東（煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧沈陽，110000）

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帶溫度補償的低功耗一氧化碳測定器設計

孫曉東
（煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧沈陽，110000）

摘要：一款好的產品的更注重于客戶體驗和實用。本文以SUSA公司生產的4CO-SF系列電化學傳感器為設計一次元件，通過對探頭溫度特性進行試驗分析，結合溫度傳感器進行溫度校正，從而實現高精度一氧化碳測定器的設計。在傳感器功耗方面采用超低功耗16位的TI公司5系列進行測定器嵌入式設計，實現了在溫度變化為-30~55℃范圍內，溫度誤差在2%的范圍內，提高了儀表的精度，延長了儀表的使用時間，更加實用、可靠。

關鍵詞：電化學；嵌入式；溫度校正；實用

0　引言

電化學做為傳感器的一次元件是目前行業內檢測有毒有害氣體大規模使用的一種。對于一氧化碳氣體含量的測定在礦山及相關爆破行業等特殊場合成了一項硬性的規定，對保證人身安全，安全生產時必不可少的一個環節。

市場上大部分產品多只做了簡單的硬件溫度補償或者未做補償，這樣在溫度變化比較大的時候，探頭的檢測精度得不到很好的保證，大部分產品也只有在行業要求的檢測點比較精準。為了使得探頭在全溫度范圍內得到很好地補償本文設計了基于溫度傳感器的低功耗一氧化碳測定器設計。主要設計信號采集、放大、濾波及結合實驗數據、MCU進行溫度補償及顯示，實現了滿足行業標準的便攜式單探頭一氧化碳測定器。

1　整體功能方案設計

三電極電化探頭主要由工作電極、參比電極和源電極組成。當氣體擴散到電極上時，工作電極將感應到的一氧化碳與水氧化反應生成二氧化碳、氫離子與電子。這些離子和電子在電解液里移動到源電極發生還原反應生成水。通過氧化還原反應維持工作電極和源電極之間的電勢差。參比電極為一恒電位，當電極隨著探頭濃度高低變化時，相對恒電位也是隨之變化。從而實現不同濃度一氧化碳氣體的采集。

如圖1所示為測定器的整體結構。MCU選用TI公司的超微功耗單片機MSP430F5438為作為信號AD轉換及數據處理。溫度采集采用DALLAS公司的DS18B20單總線數字溫度傳感器。一次電化學元件將感應到的一氧化碳氣體濃度值轉換成微弱的電流信號，經I/V變換、信號放大、濾波等環節將數據送入MCU的AD引腳進行模數轉換。經標定、數據溫度補償處理后完成對一氧化碳濃度值的精確測量。

圖1　測定器整體結構

2　關鍵電路設計

如圖所示為SUSA公司電化學一次元件4CO-SF的信號采集調理電路。電路中一次元件的靈敏度為75Na/PPM，當有一氧化碳氣體存在時，探頭輸出微弱的nA級信號，經過U2運放的I/V變換及放大電路對信號進行放大，從而將隨濃度變化的電壓信號轉換為430單片機12位AD可以識別的信號。

電路中參考電壓Vr為電路提供恒電位。電路中R5的選取可在10Ω-40Ω之間。R1的值越大，則系統的噪聲越小，但相應的電路響應變慢，為保證響應時間小于25s且能保證電路噪聲合理的情況下，可以適當調節R1的值。盡量保證R1兩端的電壓不高于10mV。

電路中運放必須選擇一個偏置電壓較小的運放，若偏置電壓較大則會在上電開啟時經過較長時間才能穩定。本設計才有OP2177大增益、低失調運放來對調理電路進行設計。

圖2　信號采集及處理電路

3　溫度數據采集及校正

如圖所示為對探頭更好的進行溫度補償，實驗采用每隔10度對氣體進行一次恒溫實驗。測試溫度范圍為-30℃-55℃，溫度測試結果如下。通過圖中可以看出，當溫度在-30℃-55℃范圍變化時，溫度漂移達到50%以上，為了提高儀表精度，需進行溫度校正。

對溫度實驗測試數據分析，通過單片機及存儲器實現對標定數據的存儲，主要包含標定時的溫度數據、氣體濃度數據。每次標定數據存儲在外部存儲器中。當環境溫度變化時，MCU根據現場溫度與標定溫度對比，自動完成溫度的漂移補償。因探頭量程為0-1000ppm，所以標定氣體選擇500ppm附近的氣樣。

4　效果測試

在測定器開機后，用500ppm的氣對測定器進行標定。標定后分別選擇不同溫度通入350ppm的氣體進行試驗，測試結果如表所示。

表1　高低溫數據測試

通過數據對比可以看出，溫度補償效果非常明顯。便于更多領域的應用。通過整機待機電流測試，待機耗電20mA，對于一節1800mAh電池理論可用90小時，相比于傳統8小時充電，大大增加了使用時間。

5　結論

本文本著實用、精準的原則對一氧化碳測定器進行設計，通過實時溫度信息對電化學探頭進行溫度補償，通過實驗測試可用看出探頭受溫度影響很小，實現了較好測補償。

參考文獻

［1］ 劉麗靜.礦用電化學CO傳感器設計［J］. 工礦自動化. 2010（11）

［2］ Kobayashi T，Imade Y，Shihara D， et al.All solid-state battery with sulfurelectrode and thio-LISICON electrolyte. Journal of Power Sources . 2008

圖3　一氧化碳溫度曲線

Design of low power carbon monoxide detector with temperature compensation

Sun Xiaodong
（Shenyang Research Institute of Coal Group Co.，Ltd.Shenyang Liaoning，110000）

Abstract：A good product is more focused on the customer experience and practical. This paper to Susa company production 4CO-SF series of electrochemical sensor as the primary elements of design，through test analysis of temperature characteristics of the probe with temperature sensor for temperature correction，in order to achieve high accuracy carbon monoxide detector design. The power consumption of the sensor，using ultra low power 16 bit of TI company 5 series were determination of embedded device design，the changes in temperature -30~55 temperature range，the temperature error in the range of 2% and improve the accuracy of the instrument，prolong the using time of instrument，more practical， reliable.

Keywords：Electrochemistry；embedded；temperature calibration；practical