基于ADuC834單片機的一氧化碳監(jiān)測報警儀設(shè)計

引言

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，人類接觸有害氣體的場合越來越多，由此造成對人類本身的危害也越來越大。在煉鋼廠、煉鐵廠中，高爐生產(chǎn)的副產(chǎn)品高爐煤氣(主要成分為CO)經(jīng)過降溫、除塵、加壓后送入煤氣管網(wǎng)或送入煤氣柜儲存。在高爐旁或附近工房內(nèi)的工人以及加壓站的工人經(jīng)常發(fā)生一氧化碳中毒的事故，危害較大；而且在煤氣管道及儲存柜檢修期間，也經(jīng)常發(fā)生泄露的一氧化碳氣體遇明火產(chǎn)生爆炸的事故，因而研制一種一氧化碳氣體監(jiān)測儀有著十分重要的現(xiàn)實意義。本文采用AD公司的數(shù)據(jù)采集芯片ADuC834為主控芯片，介紹了一種靈敏度高、性能可靠、操作簡單的一氧化碳監(jiān)測報警儀。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 系統(tǒng)框圖

整個一氧化碳監(jiān)測報警儀的硬件組成框圖如圖1所示。

這個系統(tǒng)的工作原理為：首先通過一氧化碳傳感器采集現(xiàn)場的一氧化碳數(shù)據(jù)信息，傳感器選用的是英國CityTechnology Ltd公司的電化學(xué)一氧化碳氣體傳感器7E／F；當(dāng)一氧化碳氣體經(jīng)過傳感器外殼上的氣孔擴散到工作電極表面上時發(fā)生化學(xué)變化，工作電極輸出變化的電流，其電流大小與氣體濃度成正比，該電流信號再經(jīng)過運算放大器電路輸出0～2.5 V的電壓信號。此電壓信號與氣體濃度成線性關(guān)系，ADuC834單片機通過自身集成的24位A／D轉(zhuǎn)換器采集該電壓信號即可獲取一氧化碳氣體的濃度值，再利用LCD顯示當(dāng)前現(xiàn)場的一氧化碳的濃度。另外，通過按鍵可設(shè)置一氧化碳一級、二級氣體濃度報警點，當(dāng)一氧化碳濃度大于某一報警點時，設(shè)有聲、光、振動3種報警方式。

1.2 ADuC834單片機介紹

ADuC834單片機內(nèi)部集成了兩路獨立的∑-△ADC，其中主通道ADC為24位，輔助通道ADC為16位。主通道AD輸入范圍為±20 mV～±2.56 V，分為8檔，使用時可任選一檔。由于使用了∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)，因此可以實現(xiàn)高達24位無丟失碼性能；輔助通道除具有基本的A／D轉(zhuǎn)換功能外，還可作為內(nèi)部溫度傳感器的輸入接口。

ADuC834單片機利用32 kHz晶振來驅(qū)動片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL)，并通過內(nèi)部寄存器的設(shè)定以產(chǎn)生內(nèi)部所需要的工作頻率，它的微控制器內(nèi)核與8051兼容，片內(nèi)外圍設(shè)備包括一個與SPI和I2C兼容的串行端口、多路數(shù)字輸入／輸出端口、看門狗定時器、電源監(jiān)視器以及時間間隔計數(shù)器，同時片內(nèi)還提供了62 KB閃速／電擦除程序存儲器以及2 304 B的片內(nèi)RAM。

ADuC834單片機由廠家提供了啟動引導(dǎo)程序，因此通過標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口可以方便地把用戶程序代碼加載到ADuC834單片機中，非常便于程序的開發(fā)和設(shè)計。

2 軟件程序設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集程序

進行數(shù)據(jù)采集時，使ADuC834單片機的外部參考電壓Vref=2.5 V，并通過寄存器AD0CON的RN2、RN1和RN0位來設(shè)置不同的輸入范圍，以實現(xiàn)對主通道輸入信號的采樣。

2.2 用戶閃速／電擦除數(shù)據(jù)寄存器的編程

ADuC834單片機提供給開發(fā)人員的閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲器的容量為4 KB，利用這些EEPROM可以進行系統(tǒng)配置信息的掉電保存。

3 儀器標(biāo)定與檢驗

3.1 儀器標(biāo)定

由于傳感器本身的線性度比較好，因此儀器的標(biāo)定采用兩點標(biāo)定法。首先將儀器置于純凈空氣中，待顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，將此點作為第一點即零點，并調(diào)節(jié)LCD的示值為零；然后調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)氣瓶氣體流速為200 m1／min，保持氣流穩(wěn)定流過傳感器約1 min；待顯示器讀數(shù)穩(wěn)定后，將此點的濃度作為第二點并調(diào)節(jié)LCD的示值與標(biāo)準(zhǔn)氣瓶氣體濃度值一致，然后關(guān)閉氣瓶，由此完成標(biāo)定的全過程。

3.2 檢驗結(jié)果

3.2.1 示值誤差

將各種標(biāo)準(zhǔn)濃度的氣體以200 ml／min的流速通過傳感器后，延時35 s后記錄測量結(jié)果，并根據(jù)示值誤差計算公式：

式中：△e為重復(fù)性誤差；A為讀度數(shù)算術(shù)平均值；As為標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值；R為量程。

計算得到不同濃度下的示值誤差，如表1所示。

通過以上測驗數(shù)據(jù)分析可知，一氧化碳監(jiān)測報警儀的示值誤差小于±3％FS，滿足示值誤差檢定規(guī)程要求。

3.2.2 重復(fù)性誤差

將同種濃度標(biāo)準(zhǔn)的氣體以200 m1／min的流速多次通過傳感器后，延時35 s后記錄測量結(jié)果，并根據(jù)重復(fù)性誤差計算公式：

式中：Sr為重復(fù)性誤差；A為讀數(shù)算術(shù)平均值；Ai為儀器讀數(shù)值；n為測量次數(shù)，n=6。

計算重復(fù)性誤差如表2所示。

通過以上測驗數(shù)據(jù)可知，一氧化碳監(jiān)測報警儀的重復(fù)性誤差小于±2％，滿足重復(fù)性誤差檢定規(guī)程要求。

4 結(jié)束語

本文所介紹的一氧化碳監(jiān)測報警儀具有硬件上結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，軟件上編程簡單、開發(fā)時間短等特點。另外，作者設(shè)計的這款一氧化碳報警儀實際已應(yīng)用于煉鋼廠、煉鐵廠，也取得了良好的實用效果。