CN203083963U - 一种一氧化碳传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于有毒气体检测技术领域，尤其涉及一种一氧化碳传感器，所述传感器包括模拟部分和数字部分：模拟部分包括一氧化碳电化学传感器、信号调理单元；一氧化碳电化学传感器与信号调理单元连接；数字部分包括电源控制单元、温度传感器、微处理单元、以及接口单元；所述一氧化碳电化学传感器与所述信号调理单元连接；信号调理单元、电源控制单元、温度传感器、接口单元与微处理单元连接。在本实用新型实施例中，通过电源控制单元对电源进行有效控制，从而实现低功耗的，通过微处理器单元提供温度补偿，使一氧化碳浓度的检测精度更高，通过接口单元，提供标准命令集，实现远程控制以及和传感器的信息交互。

Description

一种一氧化碳传感器

技术领域

本实用新型适用于有毒气体检测技术领域，尤其涉及一种一氧化碳传感器。

背景技术

随着计算机技术和微电子技术的发展，使得传感器技术发生了巨大的变革，除了要求传感器在测量范围、测量精度等方面要有新的突破外，也越来越要求传感器具备自我矫正、自我调整、双方交互等功能。目前，日益重视的有毒气体检测中，一氧化碳的检测尤为突出，一氧化碳气体浓度的高低是化工、煤矿以及家庭是否发生自然灾害的重要标志之一，也是导致人员中毒死亡的重要因素。因此，对有毒气体一氧化碳的检测显得尤为重要。

传统的一氧化碳传感器一般输出的信号比较弱，抗干扰能力差，非线性补偿效果不理想，也因此得不到较高的精度要求。传统的变送器为了减小干扰通常采用4-20mA电流输出的双绞线作为输出。但对于以低功耗为核心的无线传感网中应用中显然相悖。而且可靠性和稳定性较弱，无法自我校准，不能全天候温度补偿。现有的智能传感器虽然使精度、稳定性和灵敏度都大步提高，但是很难适应物联网中低功耗的要求，在接口中也比较混乱，甚至交互上也没有统一的标准。

实用新型内容

针对上述技术缺陷，本实用新型的目的在于提供一种一氧化碳传感器，实现无线传感器低功耗的问题。

本实用新型的实施例是这样实现的，一种一氧化碳传感器，所述传感器包括：

模拟部分和数字部分：

模拟部分包括用于将一氧化碳气体浓度转换成电流信号的一氧化碳电化学传感器，用于将电流信号进行放大并转换成模拟电压信号以及进行信号质量调理的信号调理单元；一氧化碳电化学传感器与信号调理单元连接；

数字部分包括用于控制模拟部分电源的电源控制单元，用于采集外界温度的温度传感器，用于通过电源控制单元控制模拟部分电源、根据所述温度传感器采集的外界温度对所述信号调理单元发送的电流信号进行校准补偿的微处理单元，用于传输数据的接口单元；信号调理单元、电源控制单元、温度传感器、接口单元与微处理单元连接。

优选地，所述传感器还包括：用于对信号调理单元的电压信号进行模数转换的模数转换器，模数转换器连接在信号调理单元于与微处理单元之间。

优选地，所述一氧化碳电化学传感器为两电极或三电极。

优选地，所述信号调理单元包括：

用于维持工作电极和参比电极间电位差恒定的恒电位电路；

用于将一氧化碳电化学传感器产生的电流信号转换成模拟电压的电流/电压转换电路；

用于提供0.7V偏置电压的直流/直流转换电路；

用于滤除大于159Hz的模拟电压信号的滤波电路；

所述恒电位电路、电流/电压转换电路、直流/直流转换电路，以及滤波电路连接。

优选地，所述接口单元包括：模拟数字混合接口、2V-7V宽范围供电接口，以及程序烧录仿真的烧录口。

优选地，所述电源控制单元与所述微处理单元通过I/O接口连接。

优选地，所述温度传感器通过I2C协议与微处理单元连接。

优选地，所述模数转换器通过I2C协议与微处理单元连接。

优选地，所述接口单元与所述微处理单元通过UART串口连接。

本实用新型通过电源控制单元对电源进行有效控制，从而实现低功耗的，通过温度传感器采集外界温度提供温度补偿，使一氧化碳浓度的检测精度更高，通过接口单元，提供标准命令集，实现远程控制以及和传感器的信息交互。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一氧化碳传感器构成图；

图2是本实用新型实施例提供的一氧化碳传感器示意图；

图3是本实用新型实施例提供的运行模式示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，在本实用新型一氧化碳传感器由模拟部分和数字部分两部分组成。其中，模拟部分由一氧化碳电化学传感器和信号调理单元组成，数字部分由微处理单元，电源控制单元和接口单元组成。模拟部分：一氧化碳电化学传感器将一氧化碳气体浓度转换成电流信号；信号调理单元将电流信号进行放大并转换成模拟电压信号以及进行信号质量调理；其中，一氧化碳电化学传感器与信号调理单元连接；

数字部分：电源控制单元控制模拟部分电源；温度传感器采集外界温度；微处理单元通过电源控制单元控制模拟部分电源、根据所述温度传感器采集的外界温度对所述信号调理单元发送的电流信号进行校准补偿；接口单元传输数据；其中，信号调理单元、电源控制单元、温度传感器、接口单元分别与微处理单元连接。

在本实用新型实施例中，一氧化碳传感器还包括模数转换器对信号调理单元的电压信号进行模数转换，模数转换器连接在信号调理单元于与微处理单元之间。

在本实用新型实施例中，一氧化碳电化学传感器分为两电极和三电极两种。其中，信号调理单元由恒电位电路、电流/电压转换电路、直流/直流转换电路，以及滤波电路组成；其中，恒电位电路用于维持工作电极和参比电极间电位差恒定；电流/电压转换电路用于将一氧化碳电化学传感器产生的电流信号转换成模拟电压；直流/直流转换电路用于提供0.7V偏置电压；滤波电路用于滤除高与159Hz的模拟电压信号；恒电位电路、电流/电压转换电路、直流/直流转换电路，以及滤波电路连接形成一个大电路。恒电位电路和I/V（电流/电压）转换电路采用LT1495双路运算放大器，精度高，漂移小。DC/DC（直流/直流）转换电路采用稳定性能高的MAX8515电压基准芯片，来提供0.7V的偏置电压。由于电化学传感器工作在低频状态，所以滤波电路主要采用低通RC滤波电路，用以滤除高于159Hz以上的模拟电压信号。

恒电位电路用来维持工作电极和参比电极间电位差恒定，把参比电位连接到放大器的反相输入端，在放大器同相输入端加上偏置电压VR，放大器的输出端接辅助电极从而形成闭环负反馈调节系统。反相输入端的电位随同相输入端的电位变化而变化，当同相输入端偏置电压恒定时，电极中电流变化时，参比电位相对于工作电极电位的任何微小变化，均将为电路的电压负反馈所纠正，从而达到自动恒定电位的目的。工作电极产生的电流经过I/V转换电路转变成电压值V0。由于电化学一氧化碳传感器的低频特性，所以在输出端加一级低通滤波器，再加一级跟随然后进入模数转换器（ADC）。

微处理器单元由模数转换器和温度传感器组成；模数转换器用于将经过信号调理单元转换的的模拟电压信号转换成数字信号；温度传感器用于提供实时温度值，进行全天候温度补偿；模数转换器与温度传感器采用I2C协议与微处理器单元相连。微处理器单元采用TI公司的超低功耗MSP430G2553微控制器，为了提高分辨率和精度，外接16位的模数转换器ADS1110。温度传感器采用DS1624。

在本实用新型实施例中，在各个模块添加了电源控制单元，使传感器可以通过处理器来使各个模块进入睡眠状态，从而使功耗电流降低到235uA以下。同时还采用温度传感器实时获取一氧化碳信号的温度，从而对一氧化碳的检测量进行温度补偿，来获取更高的精度。电源控制单元主要采用FDG6331L由微处理器单元控制模拟部分电源的通断，从而为超低功耗实现提供硬件条件。其中，电源控制单元是通过普通I/O接口连接到微处理单元。

接口单元包括模拟数字混合接口、2V-7V宽范围供电接口，以及程序烧录仿真的烧录口。接口单元采用UART通用串口与微处理单元连接。

在本实用新型实施例中，简单的说，工作原理可以概括成：一氧化碳电化学传感器直接与环境中的一氧化碳气体反应，产生微弱的在一定范围内线性变化的电流信号，该信号经过I/V转换，滤波放大后的模拟电压信号，其中一部分模拟电压信号直接通过接口单元串口输出，另一部分模拟电压经过微处理单元的模数转换器转换得到数字信号，再传送给微处理器单元，微处理器单元获取温度传感器的温度，进行温度补偿，再通过算法处理，通过接口单元串口输出。

本实用新型实施例提供的一氧化碳传感器可以基于串行通用接口，并可以实现超低功耗，其详述特点如下：

第一、超低功耗。在连续运行模式中，平均功耗<1mA（在1MHz频率和3.3V电压条件下，同时还取决于采样周期，周期越长功耗越低，最高2.4mA，最低<230uA），在停止模式中，平均功耗<230uA。第二、具有双向通讯、标准化数字输出，串行通用接口标准。第三、可靠性高，抗干扰能力强。微处理智能传感器修改设计灵活方便，不受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响，大大提高了系统运行的稳定性。第四、通过通用命令集可以控制微处理传感器工作。第五、高信噪比与高分辨率。微处理传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，可以去除输入数据中的噪声，将有用的信号提取出来。

图2示出了本实用新型一氧化碳传感器示意图，一氧化碳传感器为直径4cm的一个圆，其模拟部分和数字部分完全分开并分别位于圆的上下半边，其地通过0欧姆电阻和电感连接起来，防止数模共地影响。温度传感器与微处理单元相连，提供全天候的温度补偿。通过接口单元不仅可以得到数字信号，而且可以通过通信协议对传感器进行控制。

图3示出了本实用新型运行模式示意图，本实用新型运行模式可以分为超低功耗连续运行模式、停止模式、单步运行模式、频率调整模式、定值校准模式和模数混合同时运行模式。

模式0：超低功耗连续运行模式。上电复位后运行在此模式，微处理数字传感器半小时检测一次，并返回检测数据，其他时间处于深度休眠状态。辅助时钟ACLK提供定时器的运作，主时钟关闭。测量频率可以通过命令模式修改。

模式1：停止模式。微处理数字传感器模块停止工作，进入低功耗模式关闭cpu时钟。在停止模式仍可以接受命令，而且命令响应没有延迟。

模式2：单步运行模式。微处理数字传感器模块只有接受到已知命令才会检测当时的数据信息，并通过串口发送。默认发送一个数据，也可以通过命令发送你指定个数的数据后停止工作。

模式3：频率周期调整模式。在模式0和模式1均可进入此模式，准备接收频率调整值，成功接收到调整值后，以新的周期检测并退出到超低功耗连续运行模式。

模式4：定值校准模式。进入此模式后，可以设置此时的气体浓度值，并以此为基准线性输出，设置完成后进入超低功耗连续运行模式。

模式5：模数混合同时运行模式。数字接口正在工作，同时想利用模拟口时，可发送0x86命令来激活模拟部分持续供电。从而实现数字接口，模拟接口同时工作，这种模式功耗会增加。

在本实用新型实施例中，通过电源控制单元对电源进行有效控制，从而实现低功耗的，通过微处理器单元提供温度补偿，使一氧化碳浓度的检测精度更高，通过接口单元，提供标准命令集，实现远程控制以及和传感器的信息交互。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种一氧化碳传感器，其特征在于，所述传感器包括：

模拟部分和数字部分：

模拟部分包括用于将一氧化碳气体浓度转换成电流信号的一氧化碳电化学传感器，用于将电流信号进行放大并转换成模拟电压信号以及进行信号质量调理的信号调理单元；一氧化碳电化学传感器与信号调理单元连接；

数字部分包括用于控制模拟部分电源的电源控制单元，用于采集外界温度的温度传感器，用于通过电源控制单元控制模拟部分电源、根据所述温度传感器采集的外界温度对所述信号调理单元发送的电流信号进行校准补偿的微处理单元，用于传输数据的接口单元；信号调理单元、电源控制单元、温度传感器、接口单元与微处理单元连接。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：

用于对信号调理单元的电压信号进行模数转换的模数转换器，模数转换器连接在信号调理单元于与微处理单元之间。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述一氧化碳电化学传感器为两电极或三电极。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述信号调理单元包括：

用于维持工作电极和参比电极间电位差恒定的恒电位电路；

用于将一氧化碳电化学传感器产生的电流信号转换成模拟电压的电流/电压转换电路；

用于提供0.7V偏置电压的直流/直流转换电路；

用于滤除大于159Hz的模拟电压信号的滤波电路；

所述恒电位电路、电流/电压转换电路、直流/直流转换电路，以及滤波电路连接。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述接口单元包括：

模拟数字混合接口、2V-7V宽范围供电接口，以及程序烧录仿真的烧录口。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电源控制单元与所述微处理单元通过I/O接口连接。

7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述温度传感器通过I2C协议与微处理单元连接。

8.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述模数转换器通过I2C协议与微处理单元连接。

9.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述接口单元与所述微处理单元通过UART串口连接。

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