甲烷传感器_甲烷传感器厂家_一氧化碳传感器_烟雾传感器_郑州炜盛电子科技有限公司

甲烷传感器

郑州炜盛电子科技有限公司联系方式
行业资讯

基于单片机c8051f005的一氧化碳传感器设计

    于单片机c8051f005,对矿用一氧化碳传感器的工作原理以及其软、硬件设计模块进行了研究。该传感器可以与矿井安全监测系统配套使用,对煤矿井下作业环境空气中的一氧化碳气体浓度进行监测,与上位机进行数据通讯,同时具有实时显示浓度、超标声光报警等功能。通过实验,对传感器的可靠性和稳定性进行了验证,得出了一氧化碳传感器系统精度以及误差等参数能够满足生产要求的结论。

    0引言

    co是有毒且易燃易爆性气体,是煤矿下重要的危害源之一,是导致重大事故的因素,因而也是煤矿井下的重要检测对象。矿井下特殊的复杂环境,要求使用的检测仪器除了能够满足一般的气体浓度实时显示、声光报警以及标准频率信号向上位机的传输等功能外,还必须满足国家的本质安全标准要求。

    1恒电位电化学传感器工作原理

    一氧化碳传感器的气敏元件采用恒电位电解法原理,该电化学传感器有3个电极:工作电极(w)、参比电极(r)、对电极(c)。在工作电极和对电极上,对待测气体进行如下的氧化还原反应:

    co+h2o→co2+2h++2e-

    o2+4h++4e-→2h2o

    上述反应在工作电极和对电极上形成与co的浓度成正比的电子,由电极引出后,经过放大电路进行放大,送给处理电路。参比电极给工作电极提供稳定的的电化学电位,恒电位的作用是确保对电极提供足够的电流并处于合适的电位,使其不随化学反应而变化,并保证最佳工作电极电位与最大的反应电流的线性关系。因而,参比电极的稳定电位很重要,它保证了工作电极的电位,保证了传感器稳定的灵敏度、较好的线性,减小了对干扰气体的反应。

    2一氧化碳传感器硬件电路的组成

    该一氧化碳传感器在c8051f005为核心的基础上,由电源电路、信号放大电路、声光报警电路、数码显示电路、频率-电流转换电路、红外遥控电路等组成。硬件组成如图1所示。

    2.1电源电路设计

    c8051f005的工作电压是3.2v左右,因而要把井下电源8~24v的电源电压进行降压处理,用一个双极型线性集成电路mc34063芯片来进行dc-dc变换控制。电源的输入端接一个二极管in4004,一方面保护传感器,防止电源极性接错;另一方面防止电源线短路引起事故,确保本质安全。输出信号线在长距离传输时,频率信号的幅度有一个很大的衰减,而输出信号的幅度不能满足实际要求,故而要对输出信号的幅度进行放大以保证上位机接收到信号。

    2.2信号放大电路设计

    由于一氧化碳传感器在co浓度较低时输出信号较小,因此要对信号进行放大。该电路采用2片max407,每个max407由2个运算放大器组成,其中2个运算放大器对信号进行调理,以减少漂移和误差,信号最终进入单片机的aino(模拟量输入)脚,原理图如图2所示。

    2.3声光报警电路设计

    声光报警电路接入单片机p2.6脚,通过中断程序控制,实现断续报警,当p2.6输出为高电平‘1’时,蜂鸣器发声,红外发光二极管闪烁,当p2.6输出为低电平‘0’时,不报警。

    2·4显示电路设计

    显示电路由4个共阴数码管组成,限流电阻为82ω.其中高一位数码管是遥控选择位,低三位数码管实时显示co浓度,接入单片机p1.0~p1.7以及p2.0~p2.3脚。可以显示co的浓度值为0~1000ppm(1ppm=10-6)。

    2·5频率信号与电流信号转换电路设计

    频率信号在p2.7脚输出,输出频率f为200~1000hz,对应co浓度conc为0~1000ppm,它们之间是近似的线性关系,所以f=200+0·8conc,信号脉宽小于3ms.电流输出电路由2个运放的lm258以及其外围电路组成,见图3。单片机dac1脚上的电压信号,经过这个电路后输出为1~5ma的电流信号。其中一路运放提供1ma的基准电流,另一路提供根据量程输入电压转换成0~4ma的电流信号(其中0ma对应co浓度为0ppm,4ma对应co浓度为1000ppm),两个电路并联成加法器,输出为1~5ma电流对应co浓度0~1000ppm.

    2·6红外遥控电路设计

    红外遥控发射电路采用芯片bl9148,设计简单,实用,只有4个按键:“+”、“-”、“确认”、“模式”。红外接收电路采用集成红外接收器hs00382m,然后将接收到的信号送入芯片sc9149中,对二进制编码进行解码,还原遥控所发射的编码,最终通过单片机引脚p3.0~p3.3进行控制。允许遥控控制标志flag为“0”时,允许遥控中断控制,然后中断其余操作,改为遥控控制状态。

    3系统软件设计及系统调试

    系统基于单片机c8051f005,由单片机实现实时显示、超限报警、红外遥控、频率电流输出等功能,co的测量精度为1ppm,测量范围为0~1000ppm,输出频率为200~1000hz,输出电流为1~5ma,设定报警值为24ppm.系统软件包括主程序以及显示、报警、红外遥控、数据处理等子程序,采用模块化设计,便于分步调试。由于co浓度很低,所以在信号放大以后,会存在干扰,除了硬件滤波外,还需要在软件上进行数字滤波处理。

    系统上电之后,首先使单片机复位,开始运行主程序,设置定时器,初始化系统时钟、数字i/o、、dac、adc等,仪器首先显示“000”,表示正在自检并读取初值。flag为遥控中断允许标志,flag=0时遥控开始控制,可以对仪器进行调校并设置报警点。flag=1时跳出遥控中断程序,仪器开实时始检测数据,当检测到的数据超过设定的报警点时,仪器报警,否则继续检测。程序流图如图4所示。

    系统调试时,首先稳定10min左右,然后通入新鲜空气、调零点,之后通入浓度为量程一半(500ppm)的co标准气体进行标校,同时调整灵敏电位器,使输出电流、频率值与测量值相对应。co浓度的测量公式为conc=[(p[3]-p[1])/(p[2]-p[0])]·(ad_result-p[0])+p[1]式中:p[3]、p[1]分别为标准气体与新鲜空气的co浓度值;p[2]、p[0]分别为两种情况下的电压采样值;ad_result为通入一定浓度气体时所测量到的电压采样值。表1为实验测试结果。

    由表1可知:在通入的标准气体浓度较小时,相对误差较大,但是在可承受的误差范围之内。误差的主要原因出现在标校时的操作可能会有差错,另外是因为气体浓度与采样电压之间并非完全线形关系。

    4结束语

    系统基于单片机c8051f005,实现了一氧化碳传感器的实时显示、超限报警、红外遥控以及频率电流输出等功能,并通过软硬件的滤波以及补偿,使一氧化碳传感器的精确更高,同时对输出信号进行电压抬升,以便于更远距离的传输。设计电路时考虑到所检测气体的特殊易爆性,还进行了稳定性以及可靠性试验,以确保其本质安全以及实际应用中的安全性。


上一篇:安全帽内置血氧探测传感器 避开一氧化碳中毒危险 下一篇:MQ-4甲烷传感器在老化时表面感觉比较热是什么情况?