一種一氧化碳傳感器的製作方法

2023-05-30 06:46:06

專利名稱：一種一氧化碳傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型適用於有毒氣體檢測技術領域，尤其涉及一種一氧化碳傳感器。
背景技術：
隨著計算機技術和微電子技術的發展，使得傳感器技術發生了巨大的變革，除了要求傳感器在測量範圍、測量精度等方面要有新的突破外，也越來越要求傳感器具備自我矯正、自我調整、雙方交互等功能。目前，日益重視的有毒氣體檢測中，一氧化碳的檢測尤為突出，一氧化碳氣體濃度的高低是化工、煤礦以及家庭是否發生自然災害的重要標誌之一，也是導致人員中毒死亡的重要因素。因此,對有毒氣體一氧化碳的檢測顯得尤為重要。傳統的一氧化碳傳感器一般輸出的信號比較弱，抗幹擾能力差，非線性補償效果不理想，也因此得不到較高的精度要求。傳統的變送器為了減小幹擾通常採用4-20mA電流輸出的雙絞線作為輸出。但對於以低功耗為核心的無線傳感網中應用中顯然相悖。而且可靠性和穩定性較弱，無法自我校準，不能全天候溫度補償。現有的智能傳感器雖然使精度、穩定性和靈敏度都大步提高，但是很難適應物聯網中低功耗的要求，在接口中也比較混亂，甚至交互上也沒有統一的標準。

實用新型內容針對上述技術缺陷，本實用新型的目的在於提供一種一氧化碳傳感器，實現無線傳感器低功耗的問題。本實用新型的實施例是這樣實現的，一種一氧化碳傳感器，所述傳感器包括:模擬部分和數字部分:模擬部分包括用於將一氧化碳氣體濃度轉換成電流信號的一氧化碳電化學傳感器，用於將電流信號進行放大並轉換成模擬電壓信號以及進行信號質量調理的信號調理單元；一氧化碳電化學傳感器與信號調理單元連接；數字部分包括用於控制模擬部分電源的電源控制單元，用於採集外界溫度的溫度傳感器，用於通過電源控制單元控制模擬部分電源、根據所述溫度傳感器採集的外界溫度對所述信號調理單元發送的電流信號進行校準補償的微處理單元，用於傳輸數據的接口單元；信號調理單元、電源控制單元、溫度傳感器、接口單元與微處理單元連接。優選地，所述傳感器還包括:用於對信號調理單元的電壓信號進行模數轉換的模數轉換器，模數轉換器連接在信號調理單元於與微處理單元之間。優選地，所述一氧化碳電化學傳感器為兩電極或三電極。優選地，所述信號調理單元包括:用於維持工作電極和參比電極間電位差恆定的恆電位電路；用於將一氧化碳電化學傳感器產生的電流信號轉換成模擬電壓的電流/電壓轉換電路；用於提供0.7V偏置電壓的直流/直流轉換電路；[0015]用於濾除大於159Hz的模擬電壓信號的濾波電路；所述恆電位電路、電流/電壓轉換電路、直流/直流轉換電路，以及濾波電路連接。優選地，所述接口單元包括:模擬數字混合接口、2V-7V寬範圍供電接口，以及程序燒錄仿真的燒錄口。優選地，所述電源控制單元與所述微處理單元通過I/O接口連接。優選地，所述溫度傳感器通過I2C協議與微處理單元連接。優選地，所述模數轉換器通過I2C協議與微處理單元連接。優選地，所述接口單元與所述微處理單元通過UART串口連接。本實用新型通過電源控制單元對電源進行有效控制，從而實現低功耗的，通過溫度傳感器採集外界溫度提供溫度補償，使一氧化碳濃度的檢測精度更高，通過接口單元，提供標準命令集，實現遠程控制以及和傳感器的信息交互。

圖1是本實用新型實施例提供的一氧化碳傳感器構成圖；圖2是本實用新型實施例提供的一氧化碳傳感器示意圖；圖3是本實用新型實施例提供的運行模式示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。如圖1所示，在本實用新型一氧化碳傳感器由模擬部分和數字部分兩部分組成。其中，模擬部分由一氧化碳電化學傳感器和信號調理單元組成，數字部分由微處理單元，電源控制單元和接口單元組成。模擬部分:一氧化碳電化學傳感器將一氧化碳氣體濃度轉換成電流信號；信號調理單元將電流信號進行放大並轉換成模擬電壓信號以及進行信號質量調理；其中，一氧化碳電化學傳感器與信號調理單元連接；數字部分:電源控制單元控制模擬部分電源；溫度傳感器採集外界溫度；微處理單元通過電源控制單元控制模擬部分電源、根據所述溫度傳感器採集的外界溫度對所述信號調理單元發送的電流信號進行校準補償；接口單元傳輸數據；其中，信號調理單元、電源控制單元、溫度傳感器、接口單元分別與微處理單元連接。在本實用新型實施例中，一氧化碳傳感器還包括模數轉換器對信號調理單元的電壓信號進行模數轉換，模數轉換器連接在信號調理單元於與微處理單元之間。在本實用新型實施例中，一氧化碳電化學傳感器分為兩電極和三電極兩種。其中，信號調理單元由恆電位電路、電流/電壓轉換電路、直流/直流轉換電路，以及濾波電路組成；其中，恆電位電路用於維持工作電極和參比電極間電位差恆定；電流/電壓轉換電路用於將一氧化碳電化學傳感器產生的電流信號轉換成模擬電壓；直流/直流轉換電路用於提供0.7V偏置電壓；濾波電路用於濾除高與159Hz的模擬電壓信號；恆電位電路、電流/電壓轉換電路、直流/直流轉換電路，以及濾波電路連接形成一個大電路。恆電位電路和I/V(電流/電壓)轉換電路採用LT1495雙路運算放大器，精度高，漂移小。DC/DC (直流/直流)轉換電路採用穩定性能高的MAX8515電壓基準晶片，來提供0.7V的偏置電壓。由於電化學傳感器工作在低頻狀態，所以濾波電路主要採用低通RC濾波電路，用以濾除高於159Hz以上的模擬電壓信號。恆電位電路用來維持工作電極和參比電極間電位差恆定，把參比電位連接到放大器的反相輸入端，在放大器同相輸入端加上偏置電壓VR，放大器的輸出端接輔助電極從而形成閉環負反饋調節系統。反相輸入端的電位隨同相輸入端的電位變化而變化，當同相輸入端偏置電壓恆定時，電極中電流變化時,參比電位相對於工作電極電位的任何微小變化，均將為電路的電壓負反饋所糾正，從而達到自動恆定電位的目的。工作電極產生的電流經過Ι/v轉換電路轉變成電壓值VO。由於電化學一氧化碳傳感器的低頻特性，所以在輸出端加一級低通濾波器，再加一級跟隨然後進入模數轉換器(ADC)。微處理器單元由模數轉換器和溫度傳感器組成；模數轉換器用於將經過信號調理單元轉換的的模擬電壓信號轉換成數位訊號；溫度傳感器用於提供實時溫度值，進行全天候溫度補償；模數轉換器與溫度傳感器採用I2C協議與微處理器單元相連。微處理器單元採用TI公司的超低功耗MSP430G2553微控制器，為了提高解析度和精度，外接16位的模數轉換器ADS1110。溫度傳感器採用DS1624。在本實用新型實施例中，在各個模塊添加了電源控制單元，使傳感器可以通過處理器來使各個模塊進入睡眠狀態，從而使功耗電流降低到235uA以下。同時還採用溫度傳感器實時獲取一氧化碳信號的溫度，從而對一氧化碳的檢測量進行溫度補償，來獲取更高的精度。電源控制單元主要採用FDG6331L由微處理器單元控制模擬部分電源的通斷，從而為超低功耗實現提供硬體條件。其中，電源控制單元是通過普通I/O接口連接到微處理單
J Li ο接口單元包括模擬數字混合接口、2V-7V寬範圍供電接口，以及程序燒錄仿真的燒錄口。接口單元採用UART通用串口與微處理單元連接。在本實用新型實施例中，簡單的說，工作原理可以概括成:一氧化碳電化學傳感器直接與環境中的一氧化碳氣體反應，產生微弱的在一定範圍內線性變化的電流信號，該信號經過Ι/v轉換，濾波放大後的模擬電壓信號，其中一部分模擬電壓信號直接通過接口單元串口輸出，另一部分模擬電壓經過微處理單元的模數轉換器轉換得到數位訊號，再傳送給微處理器單元，微處理器單元獲取溫度傳感器的溫度，進行溫度補償，再通過算法處理，通過接口單元串口輸出。本實用新型實施例提供的一氧化碳傳感器可以基於串行通用接口，並可以實現超低功耗，其詳述特點如下:第一、超低功耗。在連續運行模式中，平均功耗〈1mA(在IMHz頻率和3.3V電壓條件下，同時還取決於採樣周期，周期越長功耗越低，最高2.4mA，最低<230uA)，在停止模式中，平均功耗<230uA。第二、具有雙向通訊、標準化數字輸出，串行通用接口標準。第三、可靠性高，抗幹擾能力強。微處理智能傳感器修改設計靈活方便，不受環境溫度、溼度、噪聲、電磁場等的幹擾和影響，大大提高了系統運行的穩定性。第四、通過通用命令集可以控制微處理傳感器工作。第五、高信噪比與高解析度。微處理傳感器具有數據存儲、記憶與信息處理功能，通過軟體進行數字濾波、相關分析等處理，可以去除輸入數據中的噪聲，將有用的信號提取出來。[0038]圖2示出了本實用新型一氧化碳傳感器示意圖，一氧化碳傳感器為直徑4cm的一個圓，其模擬部分和數字部分完全分開並分別位於圓的上下半邊，其地通過O歐姆電阻和電感連接起來，防止數模共地影響。溫度傳感器與微處理單元相連，提供全天候的溫度補償。通過接口單元不僅可以得到數位訊號，而且可以通過通信協議對傳感器進行控制。圖3示出了本實用新型運行模式示意圖，本實用新型運行模式可以分為超低功耗連續運行模式、停止模式、單步運行模式、頻率調整模式、定值校準模式和模數混合同時運行模式。模式O:超低功耗連續運行模式。上電復位後運行在此模式，微處理數字傳感器半小時檢測一次，並返回檢測數據，其他時間處於深度休眠狀態。輔助時鐘ACLK提供定時器的運作，主時鐘關閉。測量頻率可以通過命令模式修改。模式1:停止模式。微處理數字傳感器模塊停止工作，進入低功耗模式關閉cpu時鐘。在停止模式仍可以接受命令，而且命令響應沒有延遲。模式2:單步運行模式。微處理數字傳感器模塊只有接受到已知命令才會檢測當時的數據信息，並通過串口發送。默認發送一個數據，也可以通過命令發送你指定個數的數據後停止工作。模式3:頻率周期調整模式。在模式O和模式I均可進入此模式，準備接收頻率調整值，成功接收到調整值後，以新的周期檢測並退出到超低功耗連續運行模式。模式4:定值校準模式。進入此模式後，可以設置此時的氣體濃度值，並以此為基準線性輸出，設置完成後進入超低功耗連續運行模式。模式5:模數混合同時運行模式。數字接口正在工作，同時想利用模擬口時，可發送0x86命令來激活模擬部分持續供電。從而實現數字接口，模擬接口同時工作，這種模式功耗會增加。在本實用新型實施例中，通過電源控制單元對電源進行有效控制，從而實現低功耗的，通過微處理器單元提供溫度補償，使一氧化碳濃度的檢測精度更高，通過接口單元，提供標準命令集，實現遠程控制以及和傳感器的信息交互。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種一氧化碳傳感器,其特徵在於,所述傳感器包括: 模擬部分和數字部分: 模擬部分包括用於將一氧化碳氣體濃度轉換成電流信號的一氧化碳電化學傳感器，用於將電流信號進行放大並轉換成模擬電壓信號以及進行信號質量調理的信號調理單元；一氧化碳電化學傳感器與信號調理單元連接； 數字部分包括用於控制模擬部分電源的電源控制單元，用於採集外界溫度的溫度傳感器，用於通過電源控制單元控制模擬部分電源、根據所述溫度傳感器採集的外界溫度對所述信號調理單元發送的電流信號進行校準補償的微處理單元，用於傳輸數據的接口單元；信號調理單元、電源控制單元、溫度傳感器、接口單元與微處理單元連接。
2.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述傳感器還包括: 用於對信號調理單元的電壓信號進行模數轉換的模數轉換器，模數轉換器連接在信號調理單元於與微處理單元之間。
3.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述一氧化碳電化學傳感器為兩電極或三電極。
4.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述信號調理單元包括: 用於維持工作電極和參比電極間電位差恆定的恆電位電路； 用於將一氧化碳電化學傳感器產生的電流信號轉換成模擬電壓的電流/電壓轉換電路； 用於提供0.7V偏置電壓的直流/直流轉換電路； 用於濾除大於159Hz的模擬電壓信號的濾波電路； 所述恆電位電路、電流/電壓轉換電路、直流/直流轉換電路，以及濾波電路連接。
5.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述接口單元包括: 模擬數字混合接口、2V-7V寬範圍供電接口，以及程序燒錄仿真的燒錄口。
6.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述電源控制單元與所述微處理單元通過I/O接口連接。
7.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述溫度傳感器通過I2C協議與微處理單元連接。
8.如權利要求2所述的傳感器，其特徵在於，所述模數轉換器通過I2C協議與微處理單元連接。
9.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述接口單元與所述微處理單元通過UART串口連接 。
專利摘要本實用新型適用於有毒氣體檢測技術領域，尤其涉及一種一氧化碳傳感器，所述傳感器包括模擬部分和數字部分模擬部分包括一氧化碳電化學傳感器、信號調理單元；一氧化碳電化學傳感器與信號調理單元連接；數字部分包括電源控制單元、溫度傳感器、微處理單元、以及接口單元；所述一氧化碳電化學傳感器與所述信號調理單元連接；信號調理單元、電源控制單元、溫度傳感器、接口單元與微處理單元連接。在本實用新型實施例中，通過電源控制單元對電源進行有效控制，從而實現低功耗的，通過微處理器單元提供溫度補償，使一氧化碳濃度的檢測精度更高，通過接口單元，提供標準命令集，實現遠程控制以及和傳感器的信息交互。
文檔編號G01N27/26GK203083963SQ20132005611
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
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