引 言
一氧化碳(CO)是一種無色無臭的氣體。當CO進入人體血液循環系統后，就會與血紅蛋白迅速結合形成碳氧血紅蛋白，占據了結合氧的位置，從而使血紅蛋白喪失運輸氧的功能，導致人因供氧不足而發生C0中毒。C0最重要的危害是污染大氣，影響人體健康。人即使處于低濃度的CO環境中也會產生頭痛、耳鳴、疲勞等癥狀。如果CO中毒嚴重，輕者可損害思維和感覺，減弱身體運動能力，重者則會導致腦部受損甚至發生死亡。因此，設計一種靈敏度高、性能可靠、操作簡單的CO監測報警儀，及時準確并有效地對生活壞境以及工業生產過程中的CO進行檢測，是與人的生命安全相關的重要問題。
1 系統設計方案
1．1 系統組成
C0氣體監測報警儀是由CO氣體傳感器、調理電路、單片機、顯示電路、按鍵、信號輸出電路和應用系統軟件等組成。CO氣體監測報警儀系統設計框圖如圖1所示。
1．2 單片機的選擇
ADuC816單片機是美國ADI公司推出的一種新型單片機，它是ADI公司多年生產A／D、D／A轉換器的經驗與成熟的8051單片機技術相結合的高性能微轉換器，功能非常強大。ADuC816集成了2通道16位ADC、12位DAC、3個定時／計數器、10個中斷源／2級優先中斷級、雙傳感器激勵電流源、8 KB Flash EEPROM程序存儲器、256字節片上RAM和640字節數據Flash EEPROM。外部數據存儲器分組尋址，地址空間達16 MB。因此，選用ADuC816單片機不僅可以滿足CO氣體監測報警儀高精度的要求，而且不需要外接A／D、D／A轉換器和外部存儲器。這對簡化整個系統的外圍電路設計，以及提高系統的抗干擾能力等具有重要意義。
1．3 CO氣體傳感器的選擇
CO氣體傳感器有多種類型。半導體CO氣體傳感器主要是以氧化物半導體作為基本材料，使氣體吸附于半導體表面，利用由此產生的電導率變化來判斷CO氣體濃度的大小。與其他氣體傳感器相比，半導體CO氣體傳感器具有快速、簡便、靈敏等優點，但是它的氣體選擇性較差，在工作時容易受到其他氣體的干擾。電化學電位型CO氣體傳感器能夠將待測氣體通過電化學反應變換成電信號，進行直接檢測。其中，為了提高測量精度，消除測量環境中一些不確定因素的影響，可以利用第三電極、參考電極和一個外部的恒電位工作電路。此類型傳感器用稀硫酸溶液作為液態電解質，不僅可以在室溫條件下與其他測控設備協同工作，而且輸出信號幅值大，靈敏度高，使用方便，價格低，同時還可以避免因CO與氧氣直接接觸而發生爆炸的危險。其結構示意圖如圖2所示。
7E／F型CO氣體傳感器就是電化學電位型。它檢測的是與待測氣體體積分數或分壓相關的電極電位，其影響機制是基于電極上發生的電化學氧化還原反應而建立起來的電化學平衡。半電池化學反應方程式表示如下：
上述反應所產生的電流與CO氣體的濃度成正比。測量電流用一個標準電阻轉換為電壓信號，經放大、A／D轉換后，在數碼管上以CO的體積分數值直接顯示。
此外，7E／F型CO傳感器的測量范圍可以達到0～2 000×10-6，氣體選擇性非常好。當含有CO和H2的混合氣體通入傳感器時，敏感電極會產生一個與兩種氣體濃度成比例的信號，而輔助電極產生的信號則主要由于氫離子的存在。加上內置過濾器可以除去N0、NO2、H2S和SO2的干擾，即使有一兩種干擾氣體存在，也可以得到非常準確的測量結果，其測量誤差、響應時間、重復性等都滿足本文CO監測報警儀設計的要求。
1．4 信號放大電路方案的選擇
由于選用的氣體傳感器是感應CO氣體濃度的變化，將濃度信息轉化為電流信號。所以，必須采用專用的信號放大電路，并且對電路的要求非常嚴格。基于此要求，所用的三個電極分別是：工作電極(S)、對電極(C)、參考電極(R)。CO傳感器信號放大電路如圖3所示。
2 硬件電路設計
硬件電路設計包括：電源電路設計、程序下載電路設計、顯示和按鍵電路設計、報警電路設計和其他電路(復位電路、時鐘電路)設計。
2．1 電源部分電路設計
電源的主要任務是先將220 V的交流電通過整流濾波等措施轉換到直流+9 V，再將+9 V的電壓通過三端穩壓78M05穩定到+5 V供給ADuC816單片機及其外圍所連接的各芯片使用，電路如圖4所示。
2．2 程序下載電路設計
ADuC816單片機片內含有一個全雙工的串行接口，在串行通信中采用RS-232C標準。在通信時，必須用MAX232芯片進行電平轉換。電路如圖5所示。此電路與8051讀取程序內存專用控制線PSEN的J4接線柱配合，即可完成將程序從計算機下載到ADuC816片內的8 KB Flash EEPROM程序存儲器中。當下載程序時需將單片機系統的電源關閉，將J4的短路塊插上，再給單片機系統上電，ADuC816即進入程序下載狀態。運行計算機軟件就可將HEX 文 RXD件下載到ADuC816 TXD內。這正是本測控系統的方便之處，在修改程序時，既不需要昂貴的編程器，也不需打開機殼插拔芯片。
2．3 顯示和按鍵電路設計
CO氣體監測報警儀必須有顯示待測氣體中CO濃度的電路。顯示電路采用串并轉換芯片74LSl64與數碼管LED.按鍵電路是由按鍵和上拉電阻構成的，主要功能是對報警點值進行設置，電路如圖6所示。
2．4 報警功能電路設計
當CO氣體濃度達到報警點時，通過兩個紅色的LED發光二極管和一個蜂鳴器進行報警。其中兩個紅色LED分別代表一級報警和二級報警。輸出報警電路是通過對繼電器的控制來控制蜂鳴器進行報警。要求繼電器的控制電壓為5 V，被控制電壓為220 V。
3 軟件設計
軟件設計包括A／D轉換、顯示、按鍵設置等。其主流程如圖7所示。按鍵共包含三個鍵，分別是設置鍵、加鍵和減鍵。通過不同的鍵來控制儀器進行不同功能的設置。其流程如圖8所示。
4 標 定
4．1 標 零
CO氣體監測報警儀沒有開始工作或置于不含CO的空氣中時，經過A／D轉換后所顯示的濃度值并不一定為零。這時無論值是多少都視其為零，并將此值作為儀器的“零點”。實際的測量值是通圖8按鍵、顯示、標定模塊流程圖過[(當前的A／D值-零點值)／系數]求得。
4．2 標定
標定工作線可用直線方程y=Kx+b來表示，由于設計中所用的氣體傳感器7E／F和放大電路的影響，將2．5 V電壓作為測量CO氣體濃度的一個基準，相應的標定擬合直線為：
y=K(2．5-x)+b
其中，x的取值范圍是0～2．5 V，y的取值范圍是O～2 000×10-6。用標準的CO氣體標定后測出幾組數據，便可以用待定系數法求得K和6的值。
結 語
CO作為一種劇毒性氣體，污染大氣，影響人體健康。通過對本文設計的報警儀調試使用，整個儀器運行穩定，所要求功能已基本實現。當儀器運行時，用含有CO的混合氣體進行測試，可以顯示出氣體中CO的濃度，并進行一級和二級報警。
