專利名稱：一種一氧化碳傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型適用于有毒氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種一氧化碳傳感器。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，使得傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革，除了要求傳感器在測(cè)量范圍、測(cè)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(diào)整、雙方交互等功能。目前，日益重視的有毒氣體檢測(cè)中，一氧化碳的檢測(cè)尤為突出，一氧化碳?xì)怏w濃度的高低是化工、煤礦以及家庭是否發(fā)生自然災(zāi)害的重要標(biāo)志之一，也是導(dǎo)致人員中毒死亡的重要因素。因此,對(duì)有毒氣體一氧化碳的檢測(cè)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的一氧化碳傳感器一般輸出的信號(hào)比較弱，抗干擾能力差，非線性補(bǔ)償效果不理想，也因此得不到較高的精度要求。傳統(tǒng)的變送器為了減小干擾通常采用4-20mA電流輸出的雙絞線作為輸出。但對(duì)于以低功耗為核心的無線傳感網(wǎng)中應(yīng)用中顯然相悖。而且可靠性和穩(wěn)定性較弱，無法自我校準(zhǔn)，不能全天候溫度補(bǔ)償?，F(xiàn)有的智能傳感器雖然使精度、穩(wěn)定性和靈敏度都大步提高，但是很難適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)上述技術(shù)缺陷，本實(shí)用新型的目的在于提供一種一氧化碳傳感器，實(shí)現(xiàn)無線傳感器低功耗的問題。本實(shí)用新型的實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種一氧化碳傳感器，所述傳感器包括:模擬部分和數(shù)字部分:模擬部分包括用于將一氧化碳?xì)怏w濃度轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的一氧化碳電化學(xué)傳感器，用于將電流信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)以及進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量調(diào)理的信號(hào)調(diào)理單元；一氧化碳電化學(xué)傳感器與信號(hào)調(diào)理單元連接；數(shù)字部分包括用于控制模擬部分電源的電源控制單元，用于采集外界溫度的溫度傳感器，用于通過電源控制單元控制模擬部分電源、根據(jù)所述溫度傳感器采集的外界溫度對(duì)所述信號(hào)調(diào)理單元發(fā)送的電流信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)奈⑻幚韱卧糜趥鬏敂?shù)據(jù)的接口單元；信號(hào)調(diào)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(yōu)選地，所述傳感器還包括:用于對(duì)信號(hào)調(diào)理單元的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接在信號(hào)調(diào)理單元于與微處理單元之間。優(yōu)選地，所述一氧化碳電化學(xué)傳感器為兩電極或三電極。優(yōu)選地，所述信號(hào)調(diào)理單元包括:用于維持工作電極和參比電極間電位差恒定的恒電位電路；用于將一氧化碳電化學(xué)傳感器產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路；用于提供0.7V偏置電壓的直流/直流轉(zhuǎn)換電路；[0015]用于濾除大于159Hz的模擬電壓信號(hào)的濾波電路；所述恒電位電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、直流/直流轉(zhuǎn)換電路，以及濾波電路連接。優(yōu)選地，所述接口單元包括:模擬數(shù)字混合接口、2V-7V寬范圍供電接口，以及程序燒錄仿真的燒錄口。優(yōu)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(yōu)選地，所述溫度傳感器通過I2C協(xié)議與微處理單元連接。優(yōu)選地，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過I2C協(xié)議與微處理單元連接。優(yōu)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(shí)用新型通過電源控制單元對(duì)電源進(jìn)行有效控制，從而實(shí)現(xiàn)低功耗的，通過溫度傳感器采集外界溫度提供溫度補(bǔ)償，使一氧化碳濃度的檢測(cè)精度更高，通過接口單元，提供標(biāo)準(zhǔn)命令集，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及和傳感器的信息交互。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一氧化碳傳感器構(gòu)成圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一氧化碳傳感器示意圖；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的運(yùn)行模式示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。如圖1所示，在本實(shí)用新型一氧化碳傳感器由模擬部分和數(shù)字部分兩部分組成。其中，模擬部分由一氧化碳電化學(xué)傳感器和信號(hào)調(diào)理單元組成，數(shù)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(xué)傳感器將一氧化碳?xì)怏w濃度轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)；信號(hào)調(diào)理單元將電流信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)以及進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量調(diào)理；其中，一氧化碳電化學(xué)傳感器與信號(hào)調(diào)理單元連接；數(shù)字部分:電源控制單元控制模擬部分電源；溫度傳感器采集外界溫度；微處理單元通過電源控制單元控制模擬部分電源、根據(jù)所述溫度傳感器采集的外界溫度對(duì)所述信號(hào)調(diào)理單元發(fā)送的電流信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償；接口單元傳輸數(shù)據(jù)；其中，信號(hào)調(diào)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(shí)用新型實(shí)施例中，一氧化碳傳感器還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)調(diào)理單元的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接在信號(hào)調(diào)理單元于與微處理單元之間。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，一氧化碳電化學(xué)傳感器分為兩電極和三電極兩種。其中，信號(hào)調(diào)理單元由恒電位電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、直流/直流轉(zhuǎn)換電路，以及濾波電路組成；其中，恒電位電路用于維持工作電極和參比電極間電位差恒定；電流/電壓轉(zhuǎn)換電路用于將一氧化碳電化學(xué)傳感器產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓；直流/直流轉(zhuǎn)換電路用于提供0.7V偏置電壓；濾波電路用于濾除高與159Hz的模擬電壓信號(hào)；恒電位電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、直流/直流轉(zhuǎn)換電路，以及濾波電路連接形成一個(gè)大電路。恒電位電路和I/V(電流/電壓)轉(zhuǎn)換電路采用LT1495雙路運(yùn)算放大器，精度高，漂移小。DC/DC (直流/直流)轉(zhuǎn)換電路采用穩(wěn)定性能高的MAX8515電壓基準(zhǔn)芯片，來提供0.7V的偏置電壓。由于電化學(xué)傳感器工作在低頻狀態(tài)，所以濾波電路主要采用低通RC濾波電路，用以濾除高于159Hz以上的模擬電壓信號(hào)。恒電位電路用來維持工作電極和參比電極間電位差恒定，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(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。反相輸入端的電位隨同相輸入端的電位變化而變化，當(dāng)同相輸入端偏置電壓恒定時(shí)，電極中電流變化時(shí),參比電位相對(duì)于工作電極電位的任何微小變化，均將為電路的電壓負(fù)反饋所糾正，從而達(dá)到自動(dòng)恒定電位的目的。工作電極產(chǎn)生的電流經(jīng)過Ι/v轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電壓值VO。由于電化學(xué)一氧化碳傳感器的低頻特性，所以在輸出端加一級(jí)低通濾波器，再加一級(jí)跟隨然后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。微處理器單元由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器組成；模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理單元轉(zhuǎn)換的的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；溫度傳感器用于提供實(shí)時(shí)溫度值，進(jìn)行全天候溫度補(bǔ)償；模數(shù)轉(zhuǎn)換器與溫度傳感器采用I2C協(xié)議與微處理器單元相連。微處理器單元采用TI公司的超低功耗MSP430G2553微控制器，為了提高分辨率和精度，外接16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1110。溫度傳感器采用DS1624。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，在各個(gè)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(gè)模塊進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而使功耗電流降低到235uA以下。同時(shí)還采用溫度傳感器實(shí)時(shí)獲取一氧化碳信號(hào)的溫度，從而對(duì)一氧化碳的檢測(cè)量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，來獲取更高的精度。電源控制單元主要采用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(shí)現(xiàn)提供硬件條件。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(shù)字混合接口、2V-7V寬范圍供電接口，以及程序燒錄仿真的燒錄口。接口單元采用UART通用串口與微處理單元連接。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，簡(jiǎn)單的說，工作原理可以概括成:一氧化碳電化學(xué)傳感器直接與環(huán)境中的一氧化碳?xì)怏w反應(yīng)，產(chǎn)生微弱的在一定范圍內(nèi)線性變化的電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過Ι/v轉(zhuǎn)換，濾波放大后的模擬電壓信號(hào)，其中一部分模擬電壓信號(hào)直接通過接口單元串口輸出，另一部分模擬電壓經(jīng)過微處理單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，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(jìn)行溫度補(bǔ)償，再通過算法處理，通過接口單元串口輸出。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一氧化碳傳感器可以基于串行通用接口，并可以實(shí)現(xiàn)超低功耗，其詳述特點(diǎn)如下:第一、超低功耗。在連續(xù)運(yùn)行模式中，平均功耗〈1mA(在IMHz頻率和3.3V電壓條件下，同時(shí)還取決于采樣周期，周期越長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出，串行通用接口標(biāo)準(zhǔn)。第三、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。微處理智能傳感器修改設(shè)計(jì)靈活方便，不受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場(chǎng)等的干擾和影響，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)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、高信噪比與高分辨率。微處理傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能，通過軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、相關(guān)分析等處理，可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，將有用的信號(hào)提取出來。[0038]圖2示出了本實(shí)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(gè)圓，其模擬部分和數(shù)字部分完全分開并分別位于圓的上下半邊，其地通過O歐姆電阻和電感連接起來，防止數(shù)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(bǔ)償。通過接口單元不僅可以得到數(shù)字信號(hào)，而且可以通過通信協(xié)議對(duì)傳感器進(jìn)行控制。圖3示出了本實(shí)用新型運(yùn)行模式示意圖，本實(shí)用新型運(yùn)行模式可以分為超低功耗連續(xù)運(yùn)行模式、停止模式、單步運(yùn)行模式、頻率調(diào)整模式、定值校準(zhǔn)模式和模數(shù)混合同時(shí)運(yùn)行模式。模式O:超低功耗連續(xù)運(yùn)行模式。上電復(fù)位后運(yùn)行在此模式，微處理數(shù)字傳感器半小時(shí)檢測(cè)一次，并返回檢測(cè)數(shù)據(jù)，其他時(shí)間處于深度休眠狀態(tài)。輔助時(shí)鐘ACLK提供定時(shí)器的運(yùn)作，主時(shí)鐘關(guān)閉。測(cè)量頻率可以通過命令模式修改。模式1:停止模式。微處理數(shù)字傳感器模塊停止工作，進(jìn)入低功耗模式關(guān)閉cpu時(shí)鐘。在停止模式仍可以接受命令，而且命令響應(yīng)沒有延遲。模式2:單步運(yùn)行模式。微處理數(shù)字傳感器模塊只有接受到已知命令才會(huì)檢測(cè)當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)信息，并通過串口發(fā)送。默認(rèn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，也可以通過命令發(fā)送你指定個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)后停止工作。模式3:頻率周期調(diào)整模式。在模式O和模式I均可進(jìn)入此模式，準(zhǔn)備接收頻率調(diào)整值，成功接收到調(diào)整值后，以新的周期檢測(cè)并退出到超低功耗連續(xù)運(yùn)行模式。模式4:定值校準(zhǔn)模式。進(jìn)入此模式后，可以設(shè)置此時(shí)的氣體濃度值，并以此為基準(zhǔn)線性輸出，設(shè)置完成后進(jìn)入超低功耗連續(xù)運(yùn)行模式。模式5:模數(shù)混合同時(shí)運(yùn)行模式。數(shù)字接口正在工作，同時(shí)想利用模擬口時(shí)，可發(fā)送0x86命令來激活模擬部分持續(xù)供電。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字接口，模擬接口同時(shí)工作，這種模式功耗會(huì)增加。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，通過電源控制單元對(duì)電源進(jìn)行有效控制，從而實(shí)現(xiàn)低功耗的，通過微處理器單元提供溫度補(bǔ)償，使一氧化碳濃度的檢測(cè)精度更高，通過接口單元，提供標(biāo)準(zhǔn)命令集，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及和傳感器的信息交互。以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種一氧化碳傳感器,其特征在于,所述傳感器包括: 模擬部分和數(shù)字部分: 模擬部分包括用于將一氧化碳?xì)怏w濃度轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的一氧化碳電化學(xué)傳感器，用于將電流信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)以及進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量調(diào)理的信號(hào)調(diào)理單元；一氧化碳電化學(xué)傳感器與信號(hào)調(diào)理單元連接； 數(shù)字部分包括用于控制模擬部分電源的電源控制單元，用于采集外界溫度的溫度傳感器，用于通過電源控制單元控制模擬部分電源、根據(jù)所述溫度傳感器采集的外界溫度對(duì)所述信號(hào)調(diào)理單元發(fā)送的電流信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)奈⑻幚韱卧?，用于傳輸?shù)據(jù)的接口單元；信號(hào)調(diào)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(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器還包括: 用于對(duì)信號(hào)調(diào)理單元的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接在信號(hào)調(diào)理單元于與微處理單元之間。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述一氧化碳電化學(xué)傳感器為兩電極或三電極。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理單元包括: 用于維持工作電極和參比電極間電位差恒定的恒電位電路； 用于將一氧化碳電化學(xué)傳感器產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路； 用于提供0.7V偏置電壓的直流/直流轉(zhuǎn)換電路； 用于濾除大于159Hz的模擬電壓信號(hào)的濾波電路； 所述恒電位電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、直流/直流轉(zhuǎn)換電路，以及濾波電路連接。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述接口單元包括: 模擬數(shù)字混合接口、2V-7V寬范圍供電接口，以及程序燒錄仿真的燒錄口。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，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(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述溫度傳感器通過I2C協(xié)議與微處理單元連接。
8.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過I2C協(xié)議與微處理單元連接。
9.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，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(shí)用新型適用于有毒氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)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(shù)字部分模擬部分包括一氧化碳電化學(xué)傳感器、信號(hào)調(diào)理單元；一氧化碳電化學(xué)傳感器與信號(hào)調(diào)理單元連接；數(shù)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(xué)傳感器與所述信號(hào)調(diào)理單元連接；信號(hào)調(diào)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(shí)用新型實(shí)施例中，通過電源控制單元對(duì)電源進(jìn)行有效控制，從而實(shí)現(xiàn)低功耗的，通過微處理器單元提供溫度補(bǔ)償，使一氧化碳濃度的檢測(cè)精度更高，通過接口單元，提供標(biāo)準(zhǔn)命令集，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及和傳感器的信息交互。
文檔編號(hào)G01N27/26GK203083963SQ20132005611
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
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