便携式多气体检测仪设计

2013-08-27陈文礼

单片机与嵌入式系统应用 2013年10期

陈文礼

（唐山开诚电控设备集团有限公司技术中心，唐山063020）

引言

气体检测仪是安全生产领域必不可少的设备，对于保障生命、财产的安全起着重要作用。本文设计的是一种多传感器、单电源、低功耗、电池供电、便携式气体检测仪，它可以连续、实时、准确地显示现场的氧气、一氧化碳、硫化氢、甲烷气体的浓度。在工作车间或井下巷道随身佩戴，当环境中检测到目标气体的浓度达到或超过预置报警值时，检测仪立即发出声光报警，以提醒人们及时采取安全措施。

1 总体方案设计

系统方案如图1所示，以 Microchip 公司的PIC18LF6620为主控芯片。该单片机具有以下特点：10 MIPS工作速度、16位宽指令和8位宽数据、可分配的中断优先级、8×8单周期硬件乘法器、2～5.5V 的超宽工作电压。PIC18LF6620含有12通道10位A／D转换器、5个定时器、4个外部中断引脚、内部EEPROM 存储器、双路UART 异步串行口等功能模块。其宽电压、低功耗、高速度、高集成度的特点非常适合本设计的需要。

图1 系统原理框图

外围电路包括：电源稳压电路、声光报警电路、按键操作电路、LCD显示屏、4个气体传感器及其信号处理电路。气体传感的输出经信号放大、A／D转换后由PIC18LF6620进行处理，计算出的浓度值由LCD 显示屏显示出来。PIC18LF6620在正常检测状态时，同时监测电池电压、报警状态以及键盘输入并作出相应的处理。气体传感器选用英国CITY 公司的元件，型号分别为4OXV、4CO、4HS＋、4P-90。

2 硬件电路设计

2.1 氧气传感器信号处理电路

4OXV 是最简单的电化学原理传感器，其包括两个电极——感应电极和负电极。氧气在感应电极发生化学反应，在两电极间产生一个内部电流，电流值与氧气浓度成正比。在两电极间接入一个负载电阻，电流在负载电阻上产生一个电压，经运放放大后接到单片机A／D 端口。氧气传感器类似一个电池，所以氧气传感器又被称作氧电池。氧气传感器信号处理电路如图2所示。

图2 氧气传感器信号处理电路

2.2 一氧化碳、硫化氢传感器信号处理电路

4CO、4HS＋属于三电极电化学传感器，三电极分别是工作电极（WE）、参考电极（RE）和负电极（CE）。其工作原理是气体与工作电极（WE）相互作用，参考电极（RE）提供反馈，通过改变负电极（CE）上的电压保持WE 引脚的恒定电位。电路如图3所示。

运放U1B吸收CE 端的输出电流以保证WE 和RE引脚间等电位，RE端没有电流流入／流出，意味着电流从WE端流入，流入WE 端的电流与目标气体浓度成正比。参考电压源REF25的输出经电阻分压后为运放提供偏置电压。在没有目标气体的环境中，WE端只有极微弱的电流，由于R1 阻值很小，其分压可以忽略不计，所以运放U1C输出电压等于REF25经R2，R3分压后的电压。

图3 一氧化碳、硫化氢传感器信号处理电路

2.3 甲烷气体传感器信号处理电路

4P-90是一种催化燃烧型的可燃气体传感器，对于可燃气体都会有输出响应，本检测仪4P-90 是以甲烷校准的。4P-90有3个引线端，分别是补偿端、检测端和电压信号输出端。催化燃烧型可燃气体传感器由一个表面涂有催化剂的测量元件和一个物理特性相同的参比元件（俗称黑白元件）组成。黑白元件和两个阻值相等的电阻（R1，R2）组成平衡电桥。加电时黑白元件用铂丝加热到400℃以上。当环境中有可燃气体时，测量元件在催化剂的作用下表面发生催化反应，温度升高，而参比元件不含催化剂，温度不变。测量元件温度升高，电阻增大，参比元件电阻不变。桥电阻平衡发生改变，导致运放U3A 输入端的电压差发生改变，经差分放大后输出与可燃气体浓度成正比的电压信号。甲烷气体传感器信号处理电路如图4所示。

图4 甲烷传感器信号处理电路

2.4 电源及一键开关机电路

为降低仪器关机状态下的电流损耗，系统利用稳压器LP2989的休眠模式来给系统断电。这样关机状态下电流损耗在1μA 以下。LP2989最大能提供500mA 的输出电流，且压降低至0.1V，非常适合用于电池供电的手持设备。

电源及一键开关机电路如图5所示。一键开关机原理如下：仪器关机状态按下开关机键K1或充电器插入P1 口，Q2 导通，LP2989 使能，单片机上电后检测IO口，若RB0为低电平则仪器处于工作状态，RCO 引脚输出高电平，LP2989一直保持使能状态。若RB1为低电平，则仪器处于充电状态。在仪器工作状态，若按下K1，单片机检测到引脚RB0为低电平且大于3s，RC0输出低电平；若放开按键K1，则Q2截止，LP2989停止输出，系统断电。