基于msp430f149的便携式一氧化碳检测仪设计

基于msp430f149的便携式一氧化碳检测仪设计内容摘要：

A T 2 4C 02P 图 E2PROM电路 按键电路 本设计需要共有五个按键进行相关的操作，其中的四个按键如下图。 另外一个按键为长按键电路的开机和关机键。 R1 R2 R3 R4S1S2S3S4V C CP 1 .0P 1 .1P 1 .2P 1 .3 图 2. 8按键电路 电源管理及电压转换电路 软电源开关电路 本设计的目标是实现便携式，有携带，使用方便的优点。 但在实现便携式的目标的同时，也对供电系统提出了苛刻的要求。 便携式产品在关机状态下存在误操作的可能性，一 旦产生错误的开机动作，将对系统的电能产生巨大损耗，这对便携式产品是不可接受的。 因此，本设计增加了软电源开关电路，来对电源进行14 管理。 软电源开关电路的功能是，只有当按键被按下三秒钟及以上时，电源电路才能导通。 当按下时间小于三秒时，电路将判断为误操作，不会接通电源。 因此，能够保证检测仪能够不被错误的打开。 同时此电路也能完成关机的功能，只要按键被按下三秒以上时，电源将被关闭。 电路的原理是，通过一个延时电路和一个双稳态电路的配合去控制模拟开关就可实现上述功能。 :延时电路由一个开关、两个电阻、一个 二极管、一个电容和两个施密特触发器组成，其电路如图 2. 9 所示。 + 10 uFR233 0kD1R14. 7KV I NS1P 123U 1AC D 4 09 3B C N564U 2AC D 4 09 3B C NI N 41 48V1 图 2. 9延时电路 电容的充放电公式为 : t=RC*Ln(V1V0)/(V1Vt) (式 ) 其中 V。 为电容上的初始电压值。 V1为电容最终可充到或放到的电压值。 Vt 为 t 时刻电容上的电压值。 选取 R1 的值为 ,Cl 的值为 lOμF,R2 为 330K,Dl 为 IN4148,两个与非门触发器为 CD4093。 CD4093 为两输入端的施密特触发器，其上 门 限电压为 ，下门限电压为 ，输出低电平为 OV，输出高电平为 5V，施密特触发器的两个输入相连，成为一个反向器。 当 S1 键未按下时，电源 VIN 通过 R1 和 D1，给 C1 充电。 当充电电压从 OV 15 开始，不断变大。 当充电电压达到施密特触发器 U1A的上门限电压时， U1A输出为低电平 VO 为 0, U2A 的输出 V1 为高电平。 根据公式 2. 2 可知，此时， V1 为VIN 5V, Vt=, Vo=OV。 所以电路的充电时间 t= 秒。 从这个数据可以看出充电的过程非常的迅速。 当 s1 键按下时 c1 上的电荷通过 R2 和开关 S1 进 行放电， Vo为 5 伏， V1 为 0伏， Vt 为 伏。 若想达到 U1A 的下门限电压，根据公式 可知，电路的放电时间为 秒。 当按键按下超过 秒时， U1A 的输出为高电平， U1B的输出 V,为低电平。 若再松开按键可知， C1 将会被充电，由上述可知，充电时间约为 秒。 由上面的分析可以知道，当按键的时间超 秒时， V1将产生一个负脉冲。 从上面的计算可知，若 S1键的按下时间没有达到 秒时， C1 将 被重新充电，对 V1 不会产生任何影响。 双稳态电路由两个施密特触 发器、两个电容、两个二极管和四个电阻 组成。 其电路如图 所示 R11MR310 0kR210 0KR41M+C24. 7u FD2I N 41 48D1I N 41 48Q1F 9 54 0+ C14. 7u FV1121311U 1AC D 4 09 3B C N8910U 2AC D 4 09 3B C NV ou tV I N 图 2. 10双稳态电路 16 当 V1输入稳定的高电平时，电路保持稳定的状态不变。 当 V1输入一个负脉冲时，电路的状态翻转到另一个稳定状态。 同时，当电路的状态发生翻转时，对应着开关的开启或断开。 IRF9540 是通过电压控制开关的通断，降低了对电流的损耗，比电流控制的开关能有效地节省电能。 电压转换电路 从电池输入的电压为 5 伏，而放大电路的电压需要 12V 才能满足要求，所以需要一个 DC/DC 模块将输入的 5V 电压转换为 12V。 本设计采用的是北京益弘泰公司的 NR 系列 S12/100 型号的 DC/DC 模块。 S12/100 的输入电压包括5,12,15,24,48 伏，输出为 12伏，误差为正负 3%。 一氧化碳 气体电化学传感器及工作电路 在众多的分析方法中，如仪器分析方法，虽然具有检测灵敏度高，准确性强等优点，但由于仪器体积大，价格贵，不能用于现场实时检测，超出一般检测单位的承受能力，所以其应用受到很大限制。 还有些分析方法，如半导体气敏传感器，灵敏度低，重现性较差，一般只能用作报警器。 电化学式传感器特别是近年来控制电位电解型 (即电 流型 )气体传感器的问世，即能满足一般检测所需要的灵敏度和准确性，又具有体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测、价格低廉等优点，因此在目前已有的各类气体检测方法中占有重要的地位。 该类传感器可检测气体浓度范围可以由 ppb 级至百分浓度，应用范围特别广泛。 其中已有商品化的电化学传感器有硫化氢、氧气、一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、酒精等十几类气体传感器，主要应用领域有安全检测、环境监测以及其他特殊用途。 本设计采用的是 一氧化碳 电流型电化学传感器。 电流型电化学传感器的基本工作原理 电流型气体传感器的基本过 程可通过八个步骤完成 : (1)气体混合物通过过滤器扩散到传感器的气室，过滤器可除掉干扰气体。 (2)反应物通过气室扩散到气体 /电解质界面。 在气室和工作电极之间通常有膜或毛细管等扩散垒，使气体通过膜或扩散垒的扩散步骤成为速率控制步骤。 (3)电活性物种在电解液中的溶解。 通过气液界面的传质步骤和在电解质中的溶解直接影响传感器的灵敏度和响应时间。 17 (4)分析物质向电极 /电解液界面的扩散。 (5)分析物质在电极表面的吸附。 (6)电化学反应的发生。 (7)产物的脱附。 (8)产物从反应区向电解液或气相中的扩散。 上面的任何一个步骤都有可能成为速率限制步骤，决定电流型传感器的性能。 影响传感器性能的参数有 :气体流速，工作电极的成分，电解质的种类和数量，膜的孔率和渗透力，工作电极的电势。 步骤 (5), (6), (7)涉及到电催化现象，所以比较重要。 仔细分析稳态暂态的电流响应，反应中间物产生和最终产物的累积，可以弄清楚电化学反应的原理。 另外，电化学反应机理会随传感器工作条件的变化而变化。 例如，分析质流速较低时，传感器可以使到达工作电极表面的电活性物质完全氧化，因此传感器的响应信号受分析样本流速的影响。 相反地，在较高的 气体流速时，通过电解质的扩散则成为限制步骤。 当工作电极的电催化活性较低时，电极表面的电化学反应步骤则成为速率限制步骤。 电流型传感器的性能指标 考察一个传感器性能的好坏主要是看它产生的响应信号所显示的各种参数指标，如灵明度、准确性、选择性、测量范围、响应时间、温度系数、低电流和噪声、使用寿命以及对工作环境的要求等。 一氧化碳气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检测元件，它是以定电位电解为基本原理。 当一氧化碳扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中的采样电路，起着将化学能转化为 电能的作用。 当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能。 当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。 其化学反应式为： CO+H2O→ CO2+2H++2e 在工作电极上发生氧化反应产生的 H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。 因此，传感器内部18 就发生了氧化 ,还原的可逆反应。 其化学反 应式为： 2CO+2O2 →2CO 2 这个氧化 还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。 但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化，这使得极间电位难以维持恒定，因而也限制了对一氧化碳浓度可检测的范围。 为了维持极间电位的恒定，我们加入了一个参比电极。 在三电极电化学气体传感器中，其输出端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化 ,由于参比电极不参与氧化或还原反应，因此它可以使极间的电位维持恒定（即恒电位），此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关。 当气体传感器产生 输出电流时，其大小与气体的浓度成正比。 通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度，并且有很宽的线性测量范围。 这样，在气体传感器上外接信号采集电路和相应的转换和输出电路，就能够对一氧化碳气体实现检测和监控。 (1)灵敏度 灵敏度是电化学传感器的一个重要性能指标，一些特殊行业如室内空气检测，海关检查走私、违禁物品 (药品，炸弹或其它易燃易爆品 )时，要求能检测ppb, ppt 级甚至更低检测下限物质浓度。 电化学传感器的灵敏度受以下多种因素的影响 : (a)待测物在检测系统中 的传质速度。 (b)电化学活性 (包括电极材料，电极的物理性状和工作时的电极电位 )。 (c)反应过程中每摩尔物质传递的电流。 (d)待测物在电解液中的溶解性和流动性。 (e)工作电极产生的噪声信号大小。 (f)传感器的几何形状和样品进入的方法。 将以上几种因素进行最优化组合，可使传感器得到最大的灵敏度技术指标。 (2)选择性 从本质上讲，研究影响传感器选择的因素主要应从两方 面考虑，即 统的热力学和动力学角度。 从热力学角度考虑，例如在被测气和干扰气共存条件下检测被测气体，可选择适当的工作电极电位，使得在该电位下被测气体发生反应而干扰 19 气体不反应。 从动力学角度考虑，以 一氧化碳 气体传感器为例， 一氧化碳 在 Pt, Au 电极上反应都很快，但由于一氧化碳在 Au 电极上的反应速度比在 Pt电极上反应要慢 103106 倍。 因此，传感器工作时的电极电位和电催化剂的选择直接影响传感器的选择性。 除此之外，选择合适的电解液和操作方法，外加过滤器或有选择性透过的膜也可以提高传感器得选择性。 (3)响应时间 在安全检测过程中，要求传感器能对环境成分 (尤其是有毒气体 )作出快速反应，以确保生命和财产安全。 多数情况下，气体传感器的响应时间都由经验共识给出。 定电位电解型气体传感器的响应时间在很大程度上取决于工作电极与参考电极间的电阻。 即溶液电阻。 另外，气室的体积和电机反应速率也有很大影响。 (4)底电流和噪声 噪声与底电流的存在都会对传感器的灵敏度产生不利的影响。 如果能大幅度的降低底电流和噪声，传感器的灵敏度将显著的提高。 通常情况下，电流型气体传感器的底电流的产生主要有以下几种原因 : (a)电解液 或电极上的杂质，如微量的溶解氧或金属离子。 (b)电极的腐蚀，即在阳极电势范围内，贵金属电极催化剂表面缓慢 生 成氧化层。 (c)反应物或对应电极上的反应物的扩散。 近年来，关于电流型气体传感器的噪声的产生原因有很多推测。 有的认为噪声与电极面积成正比，有的人为聚三氟氯化乙烯与石墨的复合电极能够降低与物质流动有关的噪声。 另外，温度的变化也是产生噪声的原因之一。 一氧化碳 传感器的接口电路 电流型气体传感器，在电解液中放置的两个电极 (工作电极和对应电极 )间加上足够的电压，使所测气 体进行氧化或者还原，然后测量气体电解时所产生的电。