陳文禮

（唐山開誠電控設(shè)備集團有限公司技術(shù)中心，唐山063020）

引 言

氣體檢測儀是安全生產(chǎn)領(lǐng)域必不可少的設(shè)備，對于保障生命、財產(chǎn)的安全起著重要作用。本文設(shè)計的是一種多傳感器、單電源、低功耗、電池供電、便攜式氣體檢測儀，它可以連續(xù)、實時、準(zhǔn)確地顯示現(xiàn)場的氧氣、一氧化碳、硫化氫、甲烷氣體的濃度。在工作車間或井下巷道隨身佩戴，當(dāng)環(huán)境中檢測到目標(biāo)氣體的濃度達(dá)到或超過預(yù)置報警值時，檢測儀立即發(fā)出聲光報警，以提醒人們及時采取安全措施。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)方案如圖1所示，以 Microchip 公司的PIC18LF6620為主控芯片。該單片機具有以下特點：10 MIPS工作速度、16位寬指令和8位寬數(shù)據(jù)、可分配的中斷優(yōu)先級、8×8單周期硬件乘法器、2～5.5V 的超寬工作電壓。PIC18LF6620含有12通道10位A／D轉(zhuǎn)換器、5個定時器、4個外部中斷引腳、內(nèi)部EEPROM 存儲器、雙路UART 異步串行口等功能模塊。其寬電壓、低功耗、高速度、高集成度的特點非常適合本設(shè)計的需要。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

外圍電路包括：電源穩(wěn)壓電路、聲光報警電路、按鍵操作電路、LCD顯示屏、4個氣體傳感器及其信號處理電路。氣體傳感的輸出經(jīng)信號放大、A／D轉(zhuǎn)換后由PIC18LF6620進行處理，計算出的濃度值由LCD 顯示屏顯示出來。PIC18LF6620在正常檢測狀態(tài)時，同時監(jiān)測電池電壓、報警狀態(tài)以及鍵盤輸入并作出相應(yīng)的處理。氣體傳感器選用英國CITY 公司的元件，型號分別為4OXV、4CO、4HS＋、4P-90。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 氧氣傳感器信號處理電路

4OXV 是最簡單的電化學(xué)原理傳感器，其包括兩個電極——感應(yīng)電極和負(fù)電極。氧氣在感應(yīng)電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在兩電極間產(chǎn)生一個內(nèi)部電流，電流值與氧氣濃度成正比。在兩電極間接入一個負(fù)載電阻，電流在負(fù)載電阻上產(chǎn)生一個電壓，經(jīng)運放放大后接到單片機A／D 端口。氧氣傳感器類似一個電池，所以氧氣傳感器又被稱作氧電池。氧氣傳感器信號處理電路如圖2所示。

圖2 氧氣傳感器信號處理電路

2.2 一氧化碳、硫化氫傳感器信號處理電路

4CO、4HS＋屬于三電極電化學(xué)傳感器，三電極分別是工作電極（WE）、參考電極（RE）和負(fù)電極（CE）。其工作原理是氣體與工作電極（WE）相互作用，參考電極（RE）提供反饋，通過改變負(fù)電極（CE）上的電壓保持WE 引腳的恒定電位。電路如圖3所示。

運放U1B吸收CE 端的輸出電流以保證WE 和RE引腳間等電位，RE端沒有電流流入／流出，意味著電流從WE端流入，流入WE 端的電流與目標(biāo)氣體濃度成正比。參考電壓源REF25的輸出經(jīng)電阻分壓后為運放提供偏置電壓。在沒有目標(biāo)氣體的環(huán)境中，WE端只有極微弱的電流，由于R1 阻值很小，其分壓可以忽略不計，所以運放U1C輸出電壓等于REF25經(jīng)R2，R3分壓后的電壓。

圖3 一氧化碳、硫化氫傳感器信號處理電路

2.3 甲烷氣體傳感器信號處理電路

4P-90是一種催化燃燒型的可燃?xì)怏w傳感器，對于可燃?xì)怏w都會有輸出響應(yīng)，本檢測儀4P-90 是以甲烷校準(zhǔn)的。4P-90有3個引線端，分別是補償端、檢測端和電壓信號輸出端。催化燃燒型可燃?xì)怏w傳感器由一個表面涂有催化劑的測量元件和一個物理特性相同的參比元件（俗稱黑白元件）組成。黑白元件和兩個阻值相等的電阻（R1，R2）組成平衡電橋。加電時黑白元件用鉑絲加熱到400℃以上。當(dāng)環(huán)境中有可燃?xì)怏w時，測量元件在催化劑的作用下表面發(fā)生催化反應(yīng)，溫度升高，而參比元件不含催化劑，溫度不變。測量元件溫度升高，電阻增大，參比元件電阻不變。橋電阻平衡發(fā)生改變，導(dǎo)致運放U3A 輸入端的電壓差發(fā)生改變，經(jīng)差分放大后輸出與可燃?xì)怏w濃度成正比的電壓信號。甲烷氣體傳感器信號處理電路如圖4所示。

圖4 甲烷傳感器信號處理電路

2.4 電源及一鍵開關(guān)機電路

為降低儀器關(guān)機狀態(tài)下的電流損耗，系統(tǒng)利用穩(wěn)壓器LP2989的休眠模式來給系統(tǒng)斷電。這樣關(guān)機狀態(tài)下電流損耗在1μA 以下。LP2989最大能提供500mA 的輸出電流，且壓降低至0.1V，非常適合用于電池供電的手持設(shè)備。

電源及一鍵開關(guān)機電路如圖5所示。一鍵開關(guān)機原理如下：儀器關(guān)機狀態(tài)按下開關(guān)機鍵K1或充電器插入P1 口，Q2 導(dǎo)通，LP2989 使能，單片機上電后檢測IO口，若RB0為低電平則儀器處于工作狀態(tài)，RCO 引腳輸出高電平，LP2989一直保持使能狀態(tài)。若RB1為低電平，則儀器處于充電狀態(tài)。在儀器工作狀態(tài)，若按下K1，單片機檢測到引腳RB0為低電平且大于3s，RC0輸出低電平；若放開按鍵K1，則Q2截止，LP2989停止輸出，系統(tǒng)斷電。

圖5 電源及一鍵開關(guān)機電路

3 檢測儀程序設(shè)計

程序設(shè)計由信號采集、氣體濃度計算、LCD 顯示、鍵盤輸入、報警輸出幾部分構(gòu)成，主要涉及到對定時器、A／D轉(zhuǎn)換器、I／O 口的操作。程序較簡單不再詳細(xì)介紹，主程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 儀器標(biāo)校

為保證氣體傳感器的計算精度，傳感器需要被定期標(biāo)校。一般廠商建議的標(biāo)校間隔時間為30天。通常傳感器需要標(biāo)校零點和量程中間點，檢測儀工作時就是根據(jù)兩點的線性關(guān)系計算氣體濃度。檢測儀使用清新空氣和標(biāo)準(zhǔn)氣進行標(biāo)校。

清新空氣用來標(biāo)校一氧化碳、硫化氫、甲烷的零點和氧氣的20.9%濃度點。一氧化碳、硫化氫、甲烷的量程中間點使用標(biāo)準(zhǔn)氣標(biāo)校，氧氣的零點使用高純度氮氣標(biāo)校。

注意：一氧化碳和硫化氫是有毒氣體，在進行標(biāo)校和測試時應(yīng)格外小心。

5 測量范圍及測量基本誤差

測量范圍及測量基本誤差如表1所列。

表1 測量范圍及測量基本誤差

結(jié) 語

此檢測儀完全符合煤礦井下氣體檢測儀的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在煤礦井下推廣使用，且以其便攜性、準(zhǔn)確性好，深得客戶好評。

［1］Microchip.PIC18LF6620DataSheet［EB／OL］.［2013-05］.http：／／www.microchip.com.

［2］城市技術(shù)氣體傳感器技術(shù)手冊［EB／OL］.［2013-05］.http：／／www.citytech.com.

［3］基于電化學(xué)傳感器的ADI微功耗有毒氣體檢測解決方案［EB／OL］.［2013-05］.http：／／www.analog.com.

［4］使用電化學(xué)傳感器的單電源、微功耗有毒氣體探測器［EB／OL］.［2013-05］.http：／／www.analog.com.