卢 翌，陈 兴，马渊明

(1.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009;2.安徽省MEMS 工程技术研究中心，安徽 合肥 230009)

CO 是一种无色无味的有毒气体，随空气吸入后，通过肺泡进入血液循环，与血液中的血红蛋白(Hb)和血液外的其他某些含铁蛋白质形成可逆性的结合。CO 与Hb 的亲和力比氧与Hb 的亲和力大230 ～270倍，可将血液内氧合血红蛋白(HbO2)中的氧排挤出来，形成HbCO，又由于HbCO 的离解比HbO2慢3 600倍，故HbCO 较之HbO2更为稳定。HbCO 不仅本身无携带氧的功能，其存在还影响HbO2的离解，于是组织受到双重的缺氧作用，因此最终导致组织缺氧和二氧化碳滞留，产生中毒症状［1－2］。轻度中毒表现为头痛、头昏、四肢无力、恶心呕吐、轻度意识障碍等，当一氧化碳浓度达到30×10－6，人体血液内的碳氧血红蛋白(COHb)可达到约5%，会导致视觉和听力障碍等轻度中毒现象的发生［3］。

汽车尾气中含有大量的CO，车内装饰散发的有害芳香烃经日照也会反应生成CO，且车内空间相对封闭且狭小，不利于CO 疏散，容易造成人体的无意识中毒，不仅危害人的身体健康，同时也存在交通隐患，而目前市场上出现专用车内CO 浓度检测仪较少［4－6］。本文设计分析了一种车载CO 检测报警系统，其可实时检测、显示车内的CO 浓度，并在超过30×10－6时实时报警。

1 硬件组成电路

1.1 系统测试原理

检测系统的核心是单片机及其程序设计与编程。检测电路的工作原理是:加电开启各模块，气敏传感器预热36 h 后可采集CO 气体进行浓度检测，再经过负载电阻转换成电压信号传入模数转换模块中，并由ADC 将数据传给单片机，单片机经编写的程序将相应浓度算出后传输给LED 模块实时显示出当前CO 浓度值，若浓度值高于设定值30×10－6时将会发出警报。本系统原理框图如图1 所示。

图1 系统原理框图

气敏传感器采用费加罗公司生产的TGS2600 系列中的B00 型号，测量范围(1 ～30)×10－6，灵敏度0.3 ～0.6。此气敏传感器需加热电压VH和回路电压VC，最高工作电压为5 V，功率不能超过15 mW。LED 由4 位7 段数码显示管组成，可显示(1.000 ～99.99)×10－6。模数转换芯片采用8 路并行转换芯片ADC0809，并采用逐级逼近法将模拟量转换为数字量，高度接近真实值。其ADC0809 是较传统的一种并行8 路输出数模转换器，具有一定的代表性和普遍性，且8 路输出的容限为0 ～255，可显示1 ～144(01.00 ～29.93)×10－6的范围，且精确度也在可接受范围内。

1.2 单片机控制模块

单片机的定时器T0产生500 kHz 的时钟脉冲控制ADC0809 进行数据采样，ADC0809 采样后完成模数转换将数据传送给单片机进行处理，单片机经数据比较后在LED 上显示数据［7－8］。单片机及其外围电路框图如图2 所示。

图2 单片机及其外围电路框图

2 软件设计

程序流程如图3 所示，由系统初始化、采集数据、数据比较、数据处理并显示浓度和报警5 部分组成。

图3 程序流程图

其核心是数据处理部分。根据传感器的实验测试灵敏度点，利用Matlab 分段拟合出了4 条曲线［9］分别为

式中，X 表示CO 的浓度;Y 表示传感器的灵敏度即Rs/Rs0，其中，Rs是CO 存在空气中的电阻值，Rs0是纯净空气中的电阻值。图4 是根据实验灵敏度点拟合得到的曲线。

图4 拟合曲线与灵敏度点实验数据

如图5 所示的CO 气体传感器内部电路图中，实测RH=81 Ω，RS=18 kΩ(纯净空气中，20 ℃)，从而可计算出当RL取13.94 kΩ 时外围电路的灵敏度最大。因此，可根据RL在电路中的分压算出经ADC0809 转换后输入到单片机内的数码值a 和输出的CO 浓度值X 的对应关系为

图5 TGS2600 CO 气体传感器的内部电路图

3 实验结果与误差分析

利用Proteus 软件进行系统仿真分析，图6(a)是当输入信号为0110 1111 时，即10 进制数111，输出01.00。图6(b)为当输入1001 0000 即10 进制数144，输出为29.93，此时蜂鸣器报警。模拟结果表明，设计的检测报警系统可实现预期功能。

图6 Proteus 仿真分析示意图

CO 浓度检测仪实物如图7 所示，此检测仪电路简单易懂，将整体电路结构体积优化的空间较大。此外，在现场检测时，检测的灵敏度较高，百分位的数字变化较快，与系统仿真的结果基本一致。

图7 CO 浓度检测仪实物图

本系统芯片的误差主要有以下来源:传感器灵敏度曲线是通过测试数据拟合的，与真值存在一定偏差;模数转换器ADC0809 采用8 路输出，并利用2－n递进逼近，与真值存在误差;由拟合曲线算出的单片机数据处理函数的参数采取4 舍5 入近似时，舍去了一部分余数。进一步研究表明，减小误差提高精确度的方法是:找出确切的传感器灵敏度曲线，拟合出最理想的拟合曲线函数，模数转换器采用16 路输出或其他更多的输出等。

4 结束语

针对汽车等相对狭小封闭空间内的CO 浓度检测，设计构建了一种车载有毒气体CO 痕量检测报警系统。本系统芯片是以单片机AT89S52 为基础的CO浓度检测报警芯片，利用对一氧化碳敏感的TGS2600－B00 传感器对空气中的CO 进行采样检测，通过传感器电阻值的变化反映出浓度的变化，再经模数转换器ADC0809 转换后由单片机进行数据处理，并利用LED实时显示出当前CO 的浓度，同时在浓度超过30×10－6时及时报警。该系统具有灵敏度高、结构简单、体积小、携带方便等特点，对避免交通事故和保护车内人身安全具有较高的应用价值。此外，将气敏传感器改为集成多路传感器阵列，可用于车内多种有毒气体和温度湿度的实时监测。设计的检测系统与车内空调、车窗等线路连接后还可自动控制气体浓度与车内温度湿度。

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