基于ADuC834單片機的一氧化碳監測報警儀設計

　　引言
　　
　　隨著工業的迅速發展，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，高爐生產的副產品高爐煤氣（主要成分為CO）經過降溫、除塵、加壓后送入煤氣管網或送入煤氣柜儲存。在高爐旁或附近工房內的工人以及加壓站的工人經常發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，也經常發生泄露的一氧化碳氣體遇明火產生爆炸的事故，因而研制一種一氧化碳氣體監測儀有著十分重要的現實意義。本文采用AD公司的數據采集芯片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測報警儀。
　　
　　1、系統硬件組成
　　
　　1.1系統框圖
　　
　　整個一氧化碳監測報警儀的硬件組成框圖如圖1所示。　　
　　這個系統的工作原理為：首先通過一氧化碳傳感器采集現場的一氧化碳數據信息，傳感器選用的是英國CityTechnologyLtd公司的電化學一氧化碳氣體傳感器7E／F；當一氧化碳氣體經過傳感器外殼上的氣孔擴散到工作電極表面上時發生化學變化，工作電極輸出變化的電流，其電流大小與氣體濃度成正比，該電流信號再經過運算放大器電路輸出0～2.5V的電壓信號。此電壓信號與氣體濃度成線性關系，ADuC834單片機通過自身集成的24位A／D轉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顯示當前現場的一氧化碳的濃度。另外，通過按鍵可設置一氧化碳一級、二級氣體濃度報警點，當一氧化碳濃度大于某一報警點時，設有聲、光、振動3種報警方式。
　　
　　1.2ADuC834單片機介紹
　　
　　ADuC834單片機內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±20mV～±2.56V，分為8檔，使用時可任選一檔。由于使用了∑-△轉換技術，因此可以實現高達24位無丟失碼性能；輔助通道除具有基本的A／D轉換功能外，還可作為內部溫度傳感器的輸入接口。
　　
　　ADuC834單片機利用32kHz晶振來驅動片內鎖相環（PLL），并通過內部寄存器的設定以產生內部所需要的工作頻率，它的微控制器內核與8051兼容，片內外圍設備包括一個與SPI和I2C兼容的串行端口、多路數字輸入／輸出端口、看門狗定時器、電源監視器以及時間間隔計數器，同時片內還提供了62KB閃速／電擦除程序存儲器以及2304B的片內RAM。
　　
　　ADuC834單片機由廠家提供了啟動引導程序，因此通過標準的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和設計。
　　
　　2、軟件程序設計
　　
　　2.1 數據采集程序
　　
　　進行數據采集時，使ADuC834單片機的外部參考電壓Vref=2.5V，并通過寄存器AD0CON的RN2、RN1和RN0位來設置不同的輸入范圍，以實現對主通道輸入信號的采樣。
　　
　　2.2 用戶閃速／電擦除數據寄存器的編程
　　
　　ADuC834單片機提供給開發人員的閃速／電擦除數據存儲器的容量為4KB，利用這些EEPROM可以進行系統配置信息的掉電保存。
　　
　　3、儀器標定與檢驗
　　
　　3.1 儀器標定
　　
　　由于傳感器本身的線性度比較好，因此儀器的標定采用兩點標定法。首先將儀器置于純凈空氣中，待顯示數據穩定后，將此點作為*點即零點，并調節LCD的示值為零；然后調整標準氣瓶氣體流速為200m1／min，保持氣流穩定流過傳感器約1min；待顯示器讀數穩定后，將此點的濃度作為第二點并調節LCD的示值與標準氣瓶氣體濃度值一致，然后關閉氣瓶，由此完成標定的全過程。
　　
　　3.2 檢驗結果
　　
　　3.2.1示值誤差
　　
　　將各種標準濃度的氣體以200ml／min的流速通過傳感器后，延時35s后記錄測量結果，并根據示值誤差計算公式：　　
　　式中：△e為重復性誤差；A為讀度數算術平均值；As為標準氣體濃度值；R為量程。
　　
　　計算得到不同濃度下的示值誤差，如表1所示。　　
　　通過以上測驗數據分析可知，一氧化碳監測報警儀的示值誤差小于±3％FS，滿足示值誤差檢定規程要求。
　　
　　3.2.2重復性誤差
　　
　　將同種濃度標準的氣體以200m1／min的流速多次通過傳感器后，延時35s后記錄測量結果，并根據重復性誤差計算公式：　　
　　式中：Sr為重復性誤差；A為讀數算術平均值；Ai為儀器讀數值；n為測量次數，n=6。
　　
　　計算重復性誤差如表2所示。　　
　　通過以上測驗數據可知，一氧化碳監測報警儀的重復性誤差小于±2％，滿足重復性誤差檢定規程要求。
　　
　　4、結束語
　　
　　本文所介紹的一氧化碳監測報警儀具有硬件上結構簡單、體積小巧，軟件上編程簡單、開發時間短等特點。另外，作者設計的這款一氧化碳報警儀實際已應用于煉鋼廠、煉鐵廠，也取得了良好的實用效果。