基于单片机C8051F005的一氧化碳传感器
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. 2 V左右,因而要把井下电源8~24 V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。
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