一氧化碳浓度测监测系统设计_一氧化碳浓度监测装置

张少华1,2， 肖金球1,2， 李长才1,2

1.苏州科技学院 电子与信息工程学院，江苏 苏州215009； 2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏 苏州215009

摘要：为了提高空气质量监测水平，实时监测空气中的一氧化碳浓度，设计了以ARM处理器S3C2410为硬件核心的监测系统，实现对一氧化碳浓度的智能采集与处理，并通过GPRS模块将数据传输到远程监测中心。测试结果表明，本监测系统数据准确，运行稳定，能实现对空气中一氧化碳浓度的实时监测，具有较高的实用性，可用于日常性和突发性的空气污染监测。

0引言

随着我国经济的不断发展，汽车数量呈现井喷式增长，伴随着汽车数量飞速增长的同时，汽车排放出的大量尾气成为环保面临的一大问题。汽车尾气中含有多种有害物质，其中一氧化碳（carbon monoxide, CO）是一种无嗅、无味的气体，一旦被吸入人体后迅速与血红蛋白结合生成碳氧血红蛋白，使血液向身体各组织器官输送氧的能力减弱，造成缺氧，对血液循环系统造成损害，甚至危害生命。在冶金厂、发电厂、化工厂等工业场所，甚至是普通居民家中都会发生CO浓度超标的情况，因此有必要设计一个能对空气中的CO进行实时监测［12］，采集各地区空气中CO的浓度并将所采集的数据进行传输汇总的系统，及时了解不同地区空气中CO浓度的情况，超标时进行报警提醒［3］，以便环保部门及时进行污染处理。

1监测系统总体方案设计

本监测系统由气体检测模块、核心处理模块以及报警和通信模块组成。系统使用化学传感器中的CO传感器对空气中CO浓度进行测量获取，采集到的电流信号传送至调理电路，调理电路对传感器进行自动调零和智能校准，提高测量精度。通过A/D转换模块后将采集的数据送至ARM处理器S3C2410进行处理分析，最后将处理结果通过GPRS模块传输到远程监测中心［4］，对信息进行处理，若浓度超过设定的阈值便及时发出警报。

2硬件电路设计

2.1气体检测模块

在常见的气体监测系统中，气体检测通常使用对应的气体传感器［5］，其中定电位电解式方法是对于检测无机气体时使用最多、技术最完善、检测性能最好的方法，通常称为电化学传感器，本系统采用电化学CO传感器。检测过程如图1所示。

2.1.1CO传感器结构与工作原理

本系统采用的是泵吸式CO传感器，传感器使用Pt作为催化触媒电极，以Nafion为固体电解质［6］，当CO通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面时，在催化剂作用下，CO发生氧化还原反应。

阳极：CO+H2O→CO2+2H++2e-

阴极：O2+4H++4e-→2H2O

其总的化学方程式为：

2CO+O2→2CO2

两个电极之间一直发生着上述氧化还原反应，电极间形成电位差。通过测量产生的电流便能计算出CO浓度。

选取的传感器应具有良好的分辨率、检测精度等检测参数，传感器的主要技术指标如表1所示。

2.1.2调理电路

为保证系统采集数据的准确性，使用电化学传感器时，需每隔一段时间对其进行校准调零，否则由于传感器结构的特点，其输出的电流信号必会受到制作工艺和环境温度等因素的影响，产生失真，影响数据准确性。因此系统选用TI公司生产的新型可编程电化学模拟前端芯片LMP91000［7］，能够简化传统的电化学调理电路，其结构框图如图2所示，内部含有恒电位放大器和温度传感器。

图2LMP91000结构框图LMP91000芯片通过可编程的增益控制和温度补偿，能够完成传感器的自动调零和智能校准，能很大程度上提高测量结果的精度。调理电路具体如图3所示。

2.2核心处理模块

本系统的核心处理模块完成对从调理电路传来的电信号进行的A/D转换、数据处理、终端显示、数据存储等任务，并将处理所得的数据传输给通信模块进行传输。核心处理模块的系统框图如图4所示。

2.2.1A/D转换电路

本系统A/D转换器采用TI公司生产的TLC2543。S3C2410和TLC2543工作电压分别为33 V和5 V，工作电压并不一样，因此需要在S3C2410与TLC2543之间接电压转换芯片［8］74LVC4245。74LVC4245是一种双电源供电的双向收发器，能同时为5 V和33 V两个不同的系统之间提供双向接口，以实现A/D转换电路的供电。

2.2.2供电电路

电源作为驱动整个系统的基础，对系统的安全性、可靠性、正常运行起关键作用，需要电池容量大且工作稳定、可靠，才能满足系统的供电。本系统要将气体检测模块放置在不同的监测地点，监测地点大都是在户外，因此系统选用可充电的胶体太阳能蓄电池。胶体太阳能蓄电池有比较好的深循环能力，有着很好的过充和过放能力，并且电池寿命长，能适应不同的环境要求，适合作为本系统的供电。

2.3报警与通信模块

本模块负责将ARM处理器处理过的数据进行传输，测得气体浓度超过设定的阈值就发出警报，以便工作人员发现并及时处理,方便环保部门对空气污染的治理。

无线通信模块采用的是GPRS模块，负责将采集并处理好的信息发送到监测中心，数据的发送和接收均通过GPRS模块完成。系统采用西门子公司生产的MC55i模块实现无线通信，通过RS232连接S3C2410处理器，收发数据，无需编程，抗干扰能力强。

3软件设计

软件需要实现对传感器的数据采集、ARM系统的数据处理和无线通信的数据传输。软件设计主要分为浓度采集与处理模块和无线通信模块。

3.1浓度采集与处理模块

由嵌入式操作系统和嵌入式应用程序构成的软件部分是整个CO浓度监测的控制核心。软件包括监测程序、中断处理程序以及实现各种算法的功能模块。PC安装操作系统Redhat Linux 90作为主机开发环境，使用armlinuxgcc341进行编译，通过Minicom进行程序调试［9］。软件设计流程如图5所示。

3.2无线通信模块

无线通信模块负责传输数据到监测中心，当系统启动后，先对模块各部件进行初始化，启动定时器，将GPRS模块接入移动公司的网络，连接监测中心的服务器。系统可设定采集和传输的时间间隔，将采集的数据进行处理并保存，当达到设定的时间就向监测中心发送，主要流程如图6所示。

为了对本系统的测量结果进行测试，选择在苏州市高新区滨河路附近某小区对系统进行反复测试，选取5次测量结果如表2所示。

从表2中数据可以看出，由于传感器灵敏度只有01 ppm，也就是说能测到的最小量程为0125 mg·m-3，对于测量一般空气中的CO浓度的精确度还是有限的。再次选取滨河路和狮山路交界处的十字路口进行测试，结果如表3所示。

结果显示在汽车启动时会排放出大量的CO，使空气中的CO浓度升高，并且在设定阈值为20 mg·m-3时，第二次和第五次测试时系统都及时发出了警报，说明系统设计符合要求。

5结论

本系统以ARM处理器S3C2410为控制核心，结合嵌入式Linux操作系统构建嵌入式监测平台，实现对空气中CO浓度数据的采集、存储与传输。系统可对空气中CO浓度进行实时动态监测，且体积小、功耗低、成本少，采用太阳能电池供电具有低功耗、绿色环保的优点。系统监测稳定、实时测量准确，数据远程传输，不但能对城市环境中的CO进行监测，还可用在发电厂、冶金厂和化工厂等CO排放多的场所，甚至是普通居民家中也可用它来防止CO中毒，具有很好的市场应用前景和较高的环保推广价值。

参考文献

［1］ 徐珍,周凤星,陈虎.基于ARM处理器的CO气体在线监测系统的设计［J］.工业安全与环保,2011,37(9):2425.

［2］ 陈聪伟,肖金球,刘士游，等.基于ARM的水体溶解氧监测系统设计［J］.微型机与应用,2014,33(24):3537,41.

［3］ 杜云明,盖丽娜,王全，等.基于ATmega16L的瓦斯监测报警系统设计［J］.微型机与应用,2013,32(2):8789,92.

［4］ 李建坡,钟鑫鑫.基于GPRS的空气质量综合监测系统［J］.东北电力大学学报,2014,34(5):6973.

［5］ 孙宇峰,黄行九,刘伟,等.电化学CO气体传感器及其敏感特性［J］.传感器技术,2004,23(7):1417.

［6］ 刘俊东.电化学一氧化碳传感器电解质研究进展［J］. 化学工程师,2006(7):3436.

［7］ 许剑锋,芦静,郝欢,等.基于LMP9100的电化学传感器调理电路设计［J］.传感器世界,2014,20(2):2325.

［8］ 胡爱军,张睿卿,王聪.基于ARM9&Linux的AD转换的实现［J］.机械设计与制造,2011(6):9798.

［9］ 荀艳丽.Linux内核在S3C2410上移植的研究［J］.现代电子技术,2012,35(12):1315.