孔令敏（哈爾濱冠拓電源設(shè)備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

基于LMP91050的一氧化碳濃度探測器

孔令敏
（哈爾濱冠拓電源設(shè)備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

本設(shè)計是基于LMP91050的一氧化碳濃度探測器的研制辦法，本文分析了基于LMP91050的CO濃度探測器的整體設(shè)計方案，探討了基于LMP91050的實現(xiàn)原理。本文介紹了LMP91050的特性、優(yōu)點及內(nèi)部原理。同時介紹了德州儀器公司出產(chǎn)的LMP91050芯片與非分光紅外傳感器（NDIR）的聯(lián)合應(yīng)用。

LMP91050；一氧化碳；NDIR；傳感器

1　引言

一氧化碳是一種有毒并且易燃易爆的氣體，在生活生產(chǎn)中它既可以使人中毒，同事也可能造成爆炸與火災(zāi)。所以對一氧化碳濃度的測量對現(xiàn)實生活生產(chǎn)中有著舉足輕重的意義。

2　整體設(shè)計

2.1 基于LMP91050的CO濃度探測器的整體設(shè)計方案

基于LMP91050的CO濃度探測器的設(shè)計核心是傳感器，我們已經(jīng)初步選定了非分光紅外氣體傳感器（NDIR），根據(jù)制作一氧化碳濃度探測器的要求，需要對一氧化碳濃度進行測量并且通過微處理器處理最后在LCD屏中得到顯示。

該系統(tǒng)是由調(diào)制紅外光源、紅外探測器、傳感器模擬前端（LMP91050）、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、微處理器、LCD顯示屏組成。其中調(diào)制紅外光源負責調(diào)制發(fā)出紅外光線，氣室中的待測氣體負責吸收特定波長的紅外光線，紅外探測器負責將一氧化碳經(jīng)過吸收了的特定波長的紅外光之后接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。LMP91050芯片負責對傳感器傳過來的電信號進行增益放大，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負責將LMP91050芯片放大的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，微控制器主要負責對信號的分析處理，并且對LMP91050及數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行配置。最后由LCD顯示屏顯示出被測結(jié)果。

2.2 調(diào)制光源的選取方案設(shè)計

調(diào)制光源的理想情況是一種純黑色體，它能吸收各種波長的輻射，并以相同的速度發(fā)散出各種波長的輻射能。由于現(xiàn)實生活中絕對黑體是不存在的，我們只能選擇盡可能符合絕對黑體性質(zhì)的調(diào)制光源。在非分光紅外傳感器中，對于調(diào)制紅外光源最重要的兩種性質(zhì)分別是：

（1）輻射光譜的穩(wěn)定性。因為氣體會對紅外光線的波長具有選擇性吸收。同時氣對

紅外光的吸收在不同的波長下有所不同，而調(diào)制紅外光源所發(fā)出的輻射光譜的成分取決于光源電源的的功率，因此對光源的供電電流要具有一定的穩(wěn)定性。

（2）氣體吸收的紅外光波長應(yīng)該在調(diào)制紅外光源輻射的紅外光譜波長之內(nèi)。由于一氧化碳對紅外光的吸收波長在4.6μm，于是需要選擇一個輻射波長主要在4.6μm的紅外光源，綜上所述選擇了MIRL17-900。

2.3 氣室方案的設(shè)計

為了防止氣室壁對紅外光輻射從而對一氧化碳濃度探測器靈敏度造成影響，應(yīng)選擇玻璃鍍金或鋁合金材料。同時要求紅外光探測器與調(diào)制紅外光源在同一水平線上。由于一氧化碳分子量略小于空氣平均分子量，所以在氣室下方設(shè)有進氣口，在氣室上方設(shè)有出氣口。

由于在實驗室條件下，氣室效果不可能盡如人意，氣室只能盡量符合一氧化碳濃度測量對氣室的要求。

2.4 探測器選取的設(shè)計方案

紅外探測器（Infrared Detector）是由熱電偶構(gòu)成的傳感器器件。當紅外探測器接收到照射過來的紅外光時，光敏元件會立刻提高溫度，致使熱電偶之間產(chǎn)生相應(yīng)的熱電動勢，由此將光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。

紅外探測的優(yōu)點：

由于紅外探測器是由熱學原理制成的，因此當紅外光照射在探測器之上的時候，紅外探測器的響應(yīng)速度非常快。

綜上所述，經(jīng)過對資料的分析及查找選擇了一種較為理想的紅外探測器——TPS2534 G1 G20 3195。

TPS2534 G1 G20 3195由PerkinElmer公司生產(chǎn)。其紅外探測器在內(nèi)部被填充了氮氣且完全密封。窗口上覆蓋著濾波片。由于探測器輸出電壓頻率與接收到的調(diào)制紅外光頻率一致，可以看做是一個穩(wěn)定的電壓源。

2.5 LMP91050芯片介紹

LMP91050是德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的一種可編程的模擬前端（AFE），為橋接微處理器與傳感器提供簡單易用的模塊化解決方案，設(shè)計工程師可在多個非色散紅外線 （NDIR） 氣體傳感器平臺中使用單個 AFE，無需設(shè)計數(shù)個復雜的分立式解決方案，可顯著縮短開發(fā)時間。

LMP91050 NDIR 氣體傳感 AFE 的主要特性與優(yōu)勢：

（1）完整的氣體傳感器整套方案：AFE 具有兩個可編程放大器 （PGA），并且可以調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，有兩個放大器可供選擇。擁有SPI接口，可以連接芯片與單片機，構(gòu)成傳輸以用單片機控制放大；

（2）可編程增益放大器：有兩個放大器分高檔位和低檔位。這樣就使選擇傳感器變得更靈活。

（3）優(yōu)異的性能：500ns 的相位延遲量、（0.1 至 10Hz）的低噪聲；

（4）小巧的外形：外形極其小巧3mm×4.9mm的封裝大小，具有便攜性。

結(jié)語

本文主要介紹了本設(shè)計基于LMP91050的一氧化碳濃度探測器的核心元件傳感器的選擇及目標芯片的簡介。而對于核心元件傳感器的幾個組成部分做了詳細分析，包括調(diào)制紅外光源、紅外探測器。從資料查找到實驗室現(xiàn)有條件再到本設(shè)計要達到的目標等因素出發(fā)，細致的闡述了所選元器件和所選元器件的原因與好處。同時說明了各部分元器件的使用原理，從而大致確定了本設(shè)計得整體方案。

在確定整體方案的前提下，查找資料了解一些需要選擇與未曾使用過得元器件，了解參數(shù)，查看說明書，學會使用方法。同時對基于LMP91050的一氧化碳濃度探測器的整體外觀及大致思路做了一個設(shè)想。

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