基于 AVR 單片機的C O濃度在線檢測儀與設計

虞益龍

(江蘇聯合職業技術學院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025)

一氧化碳是無色、無臭、無味的氣體，故易于忽略而致中毒。一氧化碳中毒的原因是因為一氧化碳進入人體之后會和血液中的血紅蛋白結合，進而排擠血紅蛋白與氧氣的結合，從而出現缺氧，這就是一氧中毒。常見于家庭居室通風差的情況下，煤爐產生的煤氣或液化氣管道漏氣或工業生產煤氣以及礦井中的一氧化碳吸入而致中毒。

1 系統硬件設計

1.1 系統硬件總體框圖設計

一氧化碳檢測儀是一種用于公共場所及室內具有檢測及超限報警功能的儀器。其設計方案基于AVR單片機、A/D轉換器、時鐘芯片、顯示模塊、聲光振報警、無線通訊、繼電器模塊、外圍擴展數據存儲、ME3-CO 型電化學傳感器；硬件結構框如圖1所示。

圖1 一氧化碳檢測儀系統結構框圖

圖2 ME 3 型電化學傳感器實物圖

1.2 一氧化碳氣體傳感器

一氧化碳電化學傳感器，采用煒盛電子科技公司生產的ME3-CO型電化學傳感器如圖2所示。ME3 型電化學氣體傳感器一般均有三個引腳，分別為工作電極、對電極和參考電極。

1.3 一氧化碳氣體傳感器電路設計

一氧化碳電化學傳感器信號調理電路如圖 3所示，從圖中可以看出U10B運算放大AD5552構成電流—電壓轉換電路，U10A運算放大器AD5552構成一個差分輸入放大器，用于工作電極和參比電極之間電位與所需工作偏執電位的比較建立恒壓電路。

圖 3 一氧化碳電化學傳感器信號調理電路

2 一氧化碳氣體檢測儀軟件設計

2.1 主程序流程圖設計

系統主程序流程圖如圖4所示。

2.2 數字濾波子程序設計

氣體傳感器在對氣體濃度采樣時會遇到尖脈沖干擾的現象，需要對數據進行數字濾波，具體的方式為：先對 N個采樣數據進行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下 N-2 個數據的算術平均值，最后將算術平均值送至寄存器。該檢測儀 N 取 10，即調用 A/D 轉換連續進行10 次采樣。

3 系統調試

一氧化碳電化學傳感器是三極型傳感器，一氧化碳氣體從透氣孔擴散進入傳感器內部，經過過濾器和透氣膜到工作電極，在工作電極表面催化劑的作用下發生氧化反應，在反應過程中釋放了 H+和e-，通過電解液轉移到同在電解液中的對電極上，在對電極上，H+和 e-又與電解液中的氧氣分子結合，發生還原反應。整個過程反應方程式如式（1）、（2）所示。

整理得到式（3）

圖4 主程序流程圖

單純從反應方式中可以看出，一氧化碳在傳感器內進行了一系列氧化還原反應，傳感器內部并無資源消耗，但是電解液的儲存期限和催化劑的活性是有期限的，因此電化學傳感器壽命也是有限的，一般為 2～3 年。因為在工作電極和對電極上進行氧化還原反應，一定會造成電極極化，促使電極間電位不穩定，從而造成對一氧化碳可測量范圍的誤差，因此引入參考電極不參加氧化還原反應，從而使電極間電位恒定。

4 檢測儀性能實驗

4.1 誤差實驗

分別用三種不同濃度標準氣體進行誤差的實驗，數值穩定后記錄，數據表明誤差均在合理范圍內，實驗結果如表1所示。

表1 一氧化碳氣體（p p m）誤差實驗數據表

表2 響應時間實驗數據表

4.2 響應時間實驗

進行響應時間實驗之前要用純氮氣吹一氧化碳氣體傳感器進氣孔，持續一段時間，以保證其不受環境因素影響。待數值穩定后，通入一定濃度的標準樣氣，并開始計時，待數值達到標準樣氣濃度的 90%，記錄所需時間，即為響應時間，實驗數據如表2所示。

從實驗結果中可以看出，設計的一氧化碳氣體檢測儀的各項性能指標均符合設計要求，通過表1可以看出一氧化碳相對誤差均在 5%以下，符合設計要求和國家標注。由表2可以看出檢測儀對一氧化碳的響應時間均小于 30 秒，符合設計要求和國家標準。檢測儀在控制誤差和響應時間上得到了提高。

5 結語

對一氧化碳檢測儀樣機進行了誤差實驗和響應時間實驗，并得出了誤差和響應時間等相關實驗數據，通過對實驗數據的分析證明了一氧化碳檢測儀各項參數指標均符合設計要求。

[1]S Y 6503-2000 可燃氣體檢測報警使用規范[S].

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[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.