CO气体检测设计

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摘要

一氧化碳气体浓度的高低是化工、煤矿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，在化工、煤矿的监控系统中增设对一氧化碳检测的系统十分必要，而且很普遍。普通的一氧化碳浓度检测器检测到一氧化碳浓度超标时，电压比较器输出的脉冲信号发生突变，触发报警器报警，但是技术人员无法掌握一氧化碳浓度值和气体泄漏的位置。随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的气体浓度检测和显示报警系统的需求量越来越大。

本文设计了一个可进行巡回检测气体浓度的电路，其中包含直流稳压供电电路、浓度信号检测及变换电路、开关控制电路、模/数转换电路、数字显示电路和超限报警电路六个部分。可实现检测路数及检测浓度同步显示等功能。

该系统的工作原理为：直流稳压电源为整个电路供电，传感器将体积浓度转换成电压信号，经过线性化等一系列处理后，通过模拟开关送到模/数转换器中，最后通过数字显示电路显示出检测路数和气体浓度值。如果浓度超过限定值，报警器就会报警。这种电路具有实用性强、可靠性高、测量精度高等特点，可广泛应用于工业、医疗卫生、环境监测和日常生活等方面。

关键词：一氧化碳。。。。。。。。。。

Abstract

The concentration level of carbon monoxide gas is one of the important signs that whether the Chemical factories ,coal mines and families happen natural disasters, and also an important factor of poisoning . Therefore, it is very necessary and quite common to set carbon monoxide gas detection alarm system in the factory and underground coal mine monitoring systems .If the ordinary gas concentration detector find the gas exceeds the standard ,the pulse signal output from voltage comparator will occur mutation .This trigger the location the alarm warning ,but technicians can’t know the gas concentration and the location of a gas leak.

This paper describes the design of a roving concentration of gas detection circuit , Which includes DC power supply circuits, and signal detection concentration transform circuit switching control circuit, analog / digital converter circuit, figures show circuit and over-alarm circuit six parts. Can be detected and measured concentration ones synchronous display.

The system works as follows : DC Power Supply for the entire circuit, sensors will be converted into concentration voltage signals, after a series of linear processing, analogue switch to the A / D converters, Finally, figures show circuit testing ones and the gas concentration. If concentrations exceed the limit, the alarm will alarm. This circuit is practical, high reliability and high precision measurement can be widely used in industrial, medical and health, environmental monitoring and daily life, and so on.

Keywords: Carbon monoxide ,。。。。。。。。。。。。。。。

摘要 ............................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................... II 目录 ........................................................................................................... III

第一章绪论 ............................................................................................... 1

1.1 课题的背景和意义 ................................................................................ 1

1.2 气体浓度检测的原理 ............................................................................ 2

1.3 气体浓度检测的发展情况 .................................................................... 4

1.4 市场需求分析 ........................................................................................ 7

第二章总体方案设计 ................................................................................ 8

2.1 本次设计的任务要求及预期目标 ......................................................... 8

2.2 总体方案的论证 .................................................................................... 8

第三章单元电路的设计 .......................................................................... 12

3.1 浓度检测及信号处理电路 .................................................................. 12

3.1.1气敏传感器 ..................................................................................... 12

3.1.2线性化、放大输出电路 ................................................................. 15

3.1.3 V/I转换电路及I/V转换电路 ........................................................ 18

3.2开关控制电路 ....................................................................................... 20

3.2.1模拟开关电路 ................................................................................. 21

3.2.2振荡电路 ........................................................................................ 21

3.2.3 控制电路及译码显示电路 ............................................................ 25

3.3 模/数转换电路..................................................................................... 28

3.4 数字显示电路 ...................................................................................... 31

3.4.1概述 ................................................................................................ 31

3.4.2 数字显示电路的设计 .................................................................... 32

3.5 超限报警电路 ...................................................................................... 36

3.6 直流稳压电源 ...................................................................................... 38

结论 ........................................................................................................... 41

参考文献 ....................................................................................................... 42

III

致谢 ........................................................................................................... 43 附录一 ............................................................................ 错误！未定义书签。附录二 ............................................................................ 错误！未定义书签。

第一章绪论

1.1 课题的背景和意义

随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。例如，1995年7月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏，当场造成3人死亡，6人受伤，仅约一小时左右，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。因此，这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。一旦发生气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。作为一种重要的气体探测器，气体传感器近年来得到了很大的发展。气体传感器的发展使得其应用越来越广泛。

危险化学品要加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。但是，不可能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。因此，事故隐患的检测报警，在危险化学品场所有害气体或液体（蒸汽）检测报警，是非常必要的。对避免和控制事故具有重要意义。

有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场所或设备内部空气中的可燃或有毒气体的含量并超限报警。危险化学品场所有害气体检测，主要有以下几种情况：

1.泄漏检测：设备管道有害气体或液体（蒸汽）现场所泄漏检测报警，设备管道运行检漏。

2.检修检测：设备检修置换后检测残留有害气体或液体（蒸汽），特别是动火前检测更为重要。

3.应急检测：生产现场出现异常情况或者处理事故时，为了安全和卫生要对有害气体或液体（蒸汽）进行检测。

4.进入检测：工作人员进入有害物质隔离操作间，进入危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时，要检测有害气体或液体蒸汽。

5.巡回检测：安全卫生检查时，要检测有害气体或液体蒸汽。

随着人类社会的进步、生产的发展，人们的生活水平不断提高，随之带来了环境空气污染问题。工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等排放气体对空气环境造成的污染日益严重。一氧化碳虽然不会使酸雨现象严重，但是对人们的身体健康有影响。一氧化碳是一种无色、无味的气体，它与血液中的血红素结合的能力是氧的240倍，它与血红素形成稳定的络合物，使血红蛋白丧失了输送氧气的能力，从而导致组织低氧症，甚至死亡。一氧化碳浓度的高低是评价空气质量好坏的重要指标之一，也是工厂、煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。为了保证人们身体健康和环境洁净，世界各国都纷纷致力于防止空气污染的产生。国家工业卫生标准规定，生产现场一氧化碳浓度不允许超过50ppm。我国环境保护大气污染监测和工厂矿井中都要求有连续、自动化的现场检测仪。

1.2 气体浓度检测的原理

1.检测原理及框图

气体浓度检测系统的原理框图如图1-1所示。传感器将气体浓度转化…………………………………………..

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2. 各种传感器简介

检测气体的浓度依赖于气体检测变送器，传感器是其核心部分，按照检测原理的不同，主要分为金属氧化物半导体式传感器、催化燃烧式传感器、定电位电解式气体传感器、迦伐尼电池式氧气传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器等。以下简单概述各种传感器的原理及特点。

图1-1 气体浓度检测系统原理框图 ⑴金属氧化物半导体式传感器

金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，通过电流变化的比较，激发报警电路。由于半导体式传感器测量时受环境影响较大，输出线性不稳定。

⑵催化燃烧式传感器

催化燃烧式传感器原理是目前最广泛使用的检测可燃气体的原理之一，具有输出信号线形好、指数可靠、价格便宜、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点。催化燃烧式传感器采用惠斯通电桥原理，感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧，使温度使感应电阻的阻值发生变化，打破电桥平衡，使之输出稳定的电流信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理最终显示可靠的数值。

⑶定电位电解式气体传感器

定电位电解式传感器是目前测毒类现场最广泛使用的一种技术，在此方面国外技术领先，因此这类传感器大都依赖进口。定电位电解式气体传感器的结构：在一个塑料制成的筒状池体内，安装工作电极、对电极和参

比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。

⑷迦伐尼电池式氧气传感器

隔膜迦伐尼电池式氧气传感器的结构：在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的、厚10~30μm的聚四氟乙烯透气膜，在其容器内侧紧粘着贵金属（铂、黄金、银等）阴电极，在容器的另一面内侧或容器的空余部分形成阳极（用铅、镉等离子化倾向大的金属）。用氢氧化钾。氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应，使阳极金属离子化，释放出电子，电流的大小与氧气的多少成正比，由于整个反应中阳极金属有消耗，所以传感器需要定期更换。目前国内技术已日趋成熟，完全可以国产化此类传感器。

⑸红外式传感器

红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理，具有抗中毒性好，反应灵敏，对大多数碳氢化合物都有反应，但结构复杂，成本高。

⑹PID光离子化气体传感器

PID由紫外灯光源和离子室等主要部分构成，在离子室有正负电极，形成电场，待测气体在紫外灯的照射下，离子化，生成正负离子，在电极间形成电流，经放大输出信号。PID具有灵敏度高，无中毒问题，安全可靠等优点。

1.3 气体浓度检测的发展情况

⒈气体传感器的产生

在气体浓度检测系统中，起主要作用的是气体传感器。我国在上世纪50年代已有相关方面的研究，与发达国家相比，在时间上并没有绝对的差距（一般国际上的气体传感器起始于上世纪50年代的电化学传感器），不

过………………………………………………..

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⒉气体传感器的发展现状

气体传感器是当前比较热门的传感器技术，已经在工业生产、医学诊断、环境监测、国防等领域得到了广泛应用。在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体传感器，已普遍应用于气体泄漏检测和控制系统中。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年就开始实行安装城市煤气、液化石油气体报警器法规；美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器；有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、防中毒报警系统等。结构形式有袖珍型便携式、手推式、固定式；工业用固定式又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。目前，气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化，灵敏度和工作性能提高，功耗和成本降低，尺寸缩小，电路简化。如美国工业科学公司（IST）生产了一台气体监控仪，可以实现4种气体的检测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体的检测。

多功能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向，日前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作。与其它方面的研究成果相比，目前在人工嗅觉方面的研究还似乎远远不尽人意。由于嗅觉元件接收到的判别信号是非常复杂的，其中总是混合着成千上万种化学物质，这就使得嗅觉系统处理起这些信号来异常错综复杂。人工嗅觉传感系统的典型产品是功能各异的Electronic nose（电子鼻），“电子鼻”系统通常由一个交叉选择式气体传感器阵列和相关的数据处理技术组成，并配以恰当的模式识别系统，具有识别简单和复杂气味的能力，主要用来解决一般情况下的气味探测问题。“电子鼻”系统是气体传感器技术和信息处理技术进行有效结合的高科技产物，其气体传感器的体积很小，功耗也很低，能够方便地捕获并处理气味信号。气流经过气体传感器阵列进入到“电子鼻”系统的信号预处理元件中，最后由阵列响应模式来确定其所测气体的特征。

在信息化社会，几乎没有任何一种科学技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。生活在信息时代的人们，绝大部分的日常生活与信息资源的开发、采集、传送和处理息息相关。分析当前信息与技术发展状态，21世纪的先进传感器必须具备小型化、智能化、多功能化和网络化等优良特征。传感器及其检测技术的发展方向可以概述为以下几个方面：

⑴研制新型传感器：向着集成化、功能化、智能化方向发展，开拓新领域，以此组成新型的自动检测系统，填补自动检测系统的空白。…………

…………………………………………..

⑵微电子技术：微型计算机技术与传感器技术相结合可以构成新一代的智能化自动检测系统，它的特点是可使测量精度、自动化和多功能方面的水平得到进一步提高。

⑶采用多传感器去探测检测线的、面的和体的空间参数，构成特殊的自动检测系统。例如，温度场的自动检测、复杂机械零件的形状和位置误差的自动检测等。

⑷提高自动检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性。

⒊国内与国外的差距

随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的气体浓度检测和显示系统已经广泛应用于诸多领域。气体传感器向着低功耗、多功能、集成化方向发展。国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们的安全意识增强，对环境的安全性和舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年―2002年气体传感器年均增长率为27%—30%。气敏传感器作为新型敏感元件传感器，在国家列为重点支持发展的情况下国内已有了一定的基础。气体传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距。

第一章绪论

1.4 市场需求分析

当前技术水平下的传感器系统正向着微型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。微波传感器依靠微波的很多优点，将广泛地用于微波通讯、卫星发送等无线通讯，和雷达、导弹诱导、遥感、射电望远镜中。并且在一些非接触式的监测和控制中也有很好的应用。气体传感器及其应用产品也具有十分广阔的现实市场和潜在的市场需求。尤其是一氧化碳气敏传感器，可以用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄露和不完全燃烧检测报警。由于管道煤气泄漏、灶具不合格导致不完全燃烧，使用燃气热水器不当或质量不合格造成一氧化碳中毒事故时有发生，后果非常严重。因此，安装CO报警器成为政府为保护人民生命财产安全而强制推动的一项措施。目前我国生产有毒有害气体传感器的技术还不成熟，主要依靠进口，随着环境保护要求的提高，其需求量将迅速增加。

第二章总体方案设计

2.1 本次设计的任务要求及预期目标

1.设计的任务要求

本次设计的任务，是设计一个基于CO气体浓度传感器的16路浓度循环检测电路，测量浓度范围为0～100ppm。此电路要实现16路检测点和所测量的浓度值的同步显示并实现超限报警，此外，还要设计上述电路所需的直流稳压电源。

2.设计的预期目标

设计出基于CO传感器的气体浓度循环检测系统，在检测的同时显示检测路数和浓度值，当检测到浓度超限时触发报警器进行声光报警。

2.2 总体方案的论证

能实现本次设计任务要求的方案不只一种，它们各有利弊。工作环境、测量精度、要求不相同时，选择的方案亦有所区别。所以，我们要根据设计的具体要求，对能实现设计任务的多种方案进行论证，从中选择出适合设计要求的最佳方案。

1.方案一

方案一的原理框图如图2-1所示。方案一的系统是由气体浓度检测及变换电路、开关控制电路、模/数转换电路、数字显示电路和报警电路组成。

⑴传感器。浓度检测电路的核心器件是气体传感器，利用传感器的转换功能，将气体的浓度转换成可以直接测量的电压信号。

⑵变换电路。它包括线性化补偿电路、放大电路、电压电流转换电路。从传感器中输出的电压信号线性不好而且信号很小，需要对它进行线性化处理和放大处理。因为要进行远距离传输，所以将电压转化成电流信号传输，在送入下一个电路之前再变换成电压信号。

⑶开关控制电路。它包括一个多路模拟开关、多谐振荡器、计数器等。多谐振荡器产生时钟脉冲控制多路模拟开关对16路气体浓度进行巡回检

测，并显示当前检测的路数。

⑷模/数转换电路。负责将模拟电压信号转换成数字频率信号。 ⑸数字显示电路。通过计数、译码最终显示出检测气体的浓度值。 ⑹报警电路。当某一路气体浓度超限时，电压比较器输出触动报警电路报警。

图2-1 方案一的原理框图

该方案的特点在于它由纯硬件电路实现，无需引入微处理器系统，大大降低了制作成本，易于实现。同时，也具有较高的响应速度。适合于对智能化程度要求不高的浓度检测与控制场合。

2.方案二

方案二原理框图如图2-2所示。方案二用来对多路气体浓度参数进行检测、监视和数据处理，系统由数据采集系统和单片机控制系统组成。

⑴数据采集系统中，传感器和信号调理电路安装在现场，将传感器输出的电压信号进行线性化补偿、放大并转换成电流，由双绞线传输到控制

室。，再经电流电压转换电路和开关控制电路，依次将16路信号接入模/数转换器，在单片机控制下完成数据采集。

图2-2 方案二的原理框图

⑵单片机控制系统由8031单片机以及扩展的外围芯片组成。用来完成数据的控制采集、存储、人机对话和线性化等功能。用拨码键盘设定浓度报警限，具有直观方便的特点。系统还扩展了实时时钟/日历芯片，用来在巡回检测气体浓度后，CPU读取时间值，连同采集的数据一起存储起来。

3.方案的选择

上述两个方案都符合本次设计的任务要求，都能够实现本次设计的预期目标，但是这两个方案各有各的特点：方案一采用全硬件电路设计，它的响应速度快，可靠性高。它的线路连接并不复杂，出现故障的时候也比较容易排除，而且成本比较低廉。方案二采用了单片机进行设计，具有设计灵活，精度比较高的优点。但由于线路比较多，出现了故障排除起来比较麻烦，而且要设计单片机程序，增加了出错的可能性，响应速度也比方案一要慢，成本也高。

综上所述，方案一既能满足本次设计课题的要求实现预期目标，又具

备响应速度快、可靠性高、电路简单容易排除故障、成本低廉等特点，与方案二相比较更加适合本次设计。

所以，本次设计们选择的是方案一，即全硬件电路的设计方案。

第三章单元电路的设计

基于第二章总体方案的设计，在这一章中，将总体电路划分为浓度检测及信号处理电路、开关控制电路、模/数转换电路、数字显示电路、报警电路和直流稳压电源电路六个部分，分别…………………………

3.1 浓度检测及信号处理电路

图3-1 检测及信号处理电与原理框图

气体浓度信号检测及处理电路原理框图如图3-1所示。浓度检测及信号处理电路由气体传感器、线性补偿电路、放大器、电压/电流转换器及电流/电压转换器组成。该电路的工作原理是：利用直流稳压电源为整个电路系统供电，气体传感器将浓度信号转换成能进行测量的电压信号，但是这个电压信号的线性度不好而且电压值很小，需经过线性化补偿和放大器放大处理。因为需要远距离传输信号，所以使用电压/电流转换器将电压信号转换成易传输的电流信号进行传输，在下一步处理前再用电流/电压转换器将它转换成原来的电压信号。 3.1.1气敏传感器

1.气敏传感器的重要性

气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。在检测和自动控制系统中，传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，对系统的功能起了决定性的作用。因此，只有根据系统要求，选择合适的传感器，才能得到精确可靠的信号处理和控制电路。

2.气敏传感器的工作原理

半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化来检测特定气体浓度的。设计中选用N型半导体气敏传感器MQ―N7对一氧化碳浓度进行检测。平时，气敏元件的A、B两极间电阻很大，当有气体泄漏时，其两极间的电阻值随接触的气体浓度的不同而发生变化，气敏传感器的特性曲线如图3-2所示。气体浓度越高极间电阻值越小，而气敏元件负载两端的电压则会增大。如此，气敏元件就将气体的浓度转化成了电压信号。为了加快气敏管的反应速度，需通过热丝对敏感元件进行加热[11，12]。

图3-2 气敏传感器的特性曲线

⒊气敏元件主要性能参数 ⑴电阻R0和Rs

固有电阻R0表示气敏元件在正常空气条件下的阻值；而工作电阻Rs代表气敏元件在一定浓度的检测气体中的阻值。实验发现，工作电阻与各种检测气体浓度C都具有如下关系：

logRSmlogCn (3-1)

式中,m、n是由传感器元件、测量气体种类等因素决定的常数，且m=1。

⑵灵敏度：气敏元件的灵敏度k通常用气敏元件在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻值之比来表示：

kRS/R0 (3-2)

⑶响应时间tres：把从元件接触一定浓度的被测气体开始到其阻值达到该浓度下稳定阻值的时间定义为响应时间。

⑷恢复时间trec：把气敏元件从脱离检测气体开始，到其阻值恢复到正常空气中阻值的时间定义为恢复时间。

MQ―N7型气敏元件的主要性能参数见表3-1。

表3-1 MQ―N7主要性能参数

图3-3 气敏传感器的测量电路

⒋MQ―N7型气敏元件的测量电路

MQ―N7型气敏元件在应用中大多采用单电源供电，其电路如图3-3。其中，Vd是热丝加热电压，Vh是工作电压，Rs是气敏元件的体电阻，R1是

负载电阻，V1是传感器的输出电压[17]。 3.1.2线性化、放大输出电路

1. 线性化及放大输出电路的作用

气敏元件MQ―N7的输出电压与浓度呈非线性关系，而且输出电压信号非常小，不利于检测。因此，要采用线性补偿电路及放大电路对电压信号进行线性化补偿和放大处理[1，4，6]。 2.线性化电路

设线性化电路的输出电压为V2,整机灵敏度为S,则根据线性化要求，气体浓度C与输出电压V2的关系为：

V2=SC （3-3）式（3-1）也可以转化为下式：

10n

Rs=m （3-4）

设RL

V1=VhR1/（R1+Rs）≈VhR1Cm/10n （3-5）

联立式（3-3）和（3-5）可以得到线性化电路的输出-输入关系应为：

V2=aV1b （3-6）上式为乘方运算关系，也就是说，若线性化电路具有上式的传递函数即可获得浓度与电压的线性关系。

多功能转换器4302可以实现这种运算。4302多功能转换器是一种廉价独立的模拟集成电路而且精度很高，它由对数、反对数、比例对数放大器构成。其中，比例对数放大器的信号从Kb引脚输出，一路送到求和电路的反相输入端Kc，另一路经电阻分压从Ka引入作为比例对数放大器的增

VY、VZ可以是0～10V益反馈控制信号。多功能转换器的三个输入电压VX、之间的任意值。当组件与传感器测量电路按图3-4连接时，相当于VX=1V，

VZ=V1，调节Rw可实现线性化，其相对精度δ≤5%。在一氧化碳浓度0～100ppm范围内，本电路测得的实际输出值V2如图3-5所示。

图3-4 气敏传感器的线性化电路

图3-5 V2与气体浓度的关系

本电路具有线性范围宽、精度高、成本低、结构简单、调试方便的特点，并且多功能转换器中的对数与反对数电路的级连可以起到温度漂移的补偿作用。

3.放大输出电路 ⑴放大电路的必要性

在工业测量、医疗器械和各种传感器的数据探测应用中，信号是由传感器对各种物理量进行相应变换得到的，这些换能器产生的信号往往很微弱，而且其中还包括共模电压等干扰。这就需要依靠放大电路将它放大到需要的量程，并除掉共模干扰后才可以做进一步的分析处理。

⑵放大电路工作原理

运算放大器实质上是一种高增益的直流放大器[5]，它具有输入阻抗很高，输入电流可以忽略，开环增益很高，输出阻抗很低，输出信号受负载影响很小的特点。在本次设计中我选用了集成运算放大器LM358. LM358是内部包含有两个独立的高增益频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽（单电源3-30V，双电源±1.5-±15 V）的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

图3-6 同相电压放大电路

通常集成放大器必须工作在外接负反馈网络，才能使其工作在线性区。负反馈虽然使放大电路的放大倍数降低了，但它能多方面的改善放大电路的性能：提高放大倍数的稳定性，改善放大电路的非线性失真，扩展放大电路的通频带，对输入电阻和输出电阻有一定的影响。此处使用了同相放大电路。其原理图如图3-6所示[7，8]。

信号ui经过电阻R2接至同相输入端，反相输入端经电阻R1接地，Rw使电路引入了一个电压串联负反馈，保证线性放大。由虚短和虚断原则u + = u ，i = i= 0可得

u + = u=ui u-=

R1Rw

于是 u0=（1+w）ui （3-7）

R1即闭环电压增益为

Auf

u0R

1w （3-8） uiR1

式（3-7）说明输出电压与输入电压的大小成正比，且相位相同，电路实现了同相比例运算，而且Auf≥1。Auf只取决于电阻Rw和R1的比值，与集成运放内部参数无关，调节RW可以改变放大器的放大倍数。为了保持两个输入端处于平衡状态，在实际电路中应使R2=Rw∥R1，为了将线性化后的电压信号放大到0～5V，取放大增益为100，则Rw=100kΩ，R1=1kΩ。 3.1.3 V/I转换电路及I/V转换电路

以电压方式长距离传输模拟信号时，信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减，为了避免信号在传输过程中的衰减，只有增加接收端的输入电阻，但是这样会使传输线路的抗干扰性能降低，易受外界干扰，信号传输不稳定。因此，在长距离传输模拟信号时，要把电压信号转换成电流信号，在送到下一个处理电路之前变换成电压信号。

在本次设计中，要将0～5V 直流电压与4～20mA的直流电流进行互换，使用XTR110型精密V/I转换芯片和RCV420型I/V转换芯片[9]。 XTR110的性能特点如下：

①通过对管脚的不同连接实现不同的输入输出范围； ②最大非线性不大于0.005%； ③提供+10V基准电压；

④电源电压范围为13.5～40V，单电源工作。 RCV420的性能特点为：

①内部具有精密集成运放和电阻网络，还有+10V基准电压； ②在不需外调整的情况下，可获得86dB的共模抑制比和40V的共模电压输入，温漂小于5106/℃；

③输入阻抗仅有1.5V的压降，变换误差小于0.1%。

它们都采用标准16脚DIP封装如图3-7所示。XTR110的引脚中6脚和7脚为调零端；9脚和10脚为16mA和4mA量程控制端；13脚和14脚为信号输出和反馈端。RCV420的引脚中，5脚COMR为基准参考端；7脚RNR为抑制端；8脚RTRIM为基准调整端；13脚COMV为器件公共端。

它们的电路接法如图3-8所示。在RCV420中增益校正是通过在15脚和14脚之间增加一个电位器进行调整得到，但是要注意增加量不宜过大，因为增益的增加会降低共模抑制比。

图3-7 封装引脚图

图3-8 电压电流转换电路

3.2开关控制电路

图3-9 开关控制电路原理框图

开关控制电路原理框图如图3-9所示。它包括振荡电路、控制电路、模拟开关电路和译码显示电路。信号经过处理后输入到模拟开关中，同时振荡电路提供时钟脉冲使电路自动检测，由控制电路控制检测路数，并通过译码显示出当前检测路数。具体检测电路和状态变化见图3-16和表3-2。

3.2.1模拟开关电路

巡回检测16路一氧化碳气体浓度时，模拟开关就应在一个时间段内完成选通功能，依次与输入的16路接通，实现分时检测。CD4067是个16选1模拟电子开关，相当于一个单刀十六掷开关，具体接通哪个通道是由输入地址码A3～A0来决定的。它的封装引脚如图3-10所示[2，3]。

图3-10 CD4067 的封装引脚

其中，A3～A0是四位二进制码输入端，与控制电路的输出端相连；O/I是电子开关的公共端，当其15脚禁止端（INH）为低电平时，若A3～

A0输入数据按0000～1111顺序变化，则O/I端依次与(I/O)0～(I/O)15接通，实现分时检测。电子开关导通后，可以传送数字或模拟信号，并允许信号双向流动，但信号最大幅度不超过电源电压。 3.2.2振荡电路

巡回检测及通道显示需要时钟脉冲，脉冲信号是指一种持续时间极短的电压或电流波形，常使用矩形波做时钟脉冲信号。描述矩形脉冲特性的参数有：

①脉冲幅度Um：脉冲电压的最大幅度。

②脉冲宽度TW：脉冲前沿的0.5Um到脉冲后沿的0.5Um对应的一段时间。

③上升时间Tr：脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。

④下降时间Tf：脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。 ⑤脉冲周期T：在周期性重复的脉冲系列中，两个相邻脉冲间的间隔时间。

⑥脉冲频率f：单位时间内脉冲重复的次数f=1/T。 ⑦占空比D：脉冲宽度与脉冲周期的比值D=TW/T。

多谐振荡器常用来做脉冲信号源。由555 定时器构成的多谐振荡器是一种的既经济又简单实用的器件，它只需改变电阻的阻值就以达到改变频率的目的。

图3-11 555定时器逻辑符号

1.集成555定时器

555定时器是一种多用途的集成电路，在外部配上少许阻容元件便能构成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等电路。由于它性能优良，使用灵活方便，因而在波形的产生与变换、测量与控制等许多领域中都得到了广泛的应用。555这个名称的由来是在于芯片中采用了3个5kΩ的分压电阻。555定时电路是由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管及输出驱动电路组成。逻辑符号如图3-11。

其中，2脚是触发输入端；3脚是输出端；4脚是外部强制复位端，低电平有效；5脚是控制端；6脚是阈值端。

2.多谐振荡器

多谐振荡器是能产生矩形脉冲波的自激振荡器，矩形波中除基波外，还包含许多高次谐波。它一旦振荡起来，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们交替变化，输出连续的矩形波脉冲信号[14，15]。

⑴电路组成及工作原理

由555定时器构成的多谐振荡器电路如图3-12所示。定时原件除电容C外，还有两个电阻R1和R2。将高、低电平触发端（2，6引脚）短接后连接到C与R2的连接处，将放电端（7脚）接到R1与R2的连接处。

图3-12 多谐振荡器

接通电源的瞬间t=to,电容C来不及充电，UC为低电平，此时， R=0， S=1，触发器置1，输出U0为高电平。同时由于=0放电管T截止，电容 C开始充电，电路进入暂稳态。一般多谐振荡器的工作过程可以分为以下四个阶段：

①暂稳态I（to～t1）:电容C充电，充电回路为VDD-R1-R2- C-地，充电时间常数为T=(R1+R2)C，电容C上的电压UC随时间t按指数规律上升，趋于VDD值。此阶段内输出电压U0暂稳在高电平。

②自动翻转 I(tt1)：当电容上的电压UC上升到2/3VDD时，由于S=0，R=1，使触发器状态由1转变为0，由0变成1，输出电压U0由高电平跳变为低电平，电容C中止充电。

③暂稳态II（t1～t2）:由于此刻=1因此放电管T饱和导通，电容C放电，放电回路为C-R2-放电管T-地，放电时间常数T2=R2C（忽略T管的饱和电阻Rces），电容电压UC按指数规律下降，趋于0，同时使输出暂稳在低电平上。

④自动翻转II（t=t2）：但电容电压UC下降到VDD/3时，S=1，R=0，使触发器状态Q由低变高，由高变低，输出电压U0由低电平跳变到高电平，电容器中止放电。

由于=0放电管T截止，电容 C又开始充电，电路进入暂稳态I。以后电路重复上述过程，来回振荡，其工作波形如图3-13。

图3-13 多谐振荡器工作波形

⑵主要参数

两个暂稳态维持时间T1和T2的计算公式如下

T1=0.7(R1+R2)C (3-9) 同理

T2=0.7R2C (3-10)

振荡周期： T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C （3-11）振荡频率： f=1/T 占空比： D

确定电阻R1=50M，R2=10M，C=1F，因此振荡周期为50s,振荡频率为0.02。

3.2.3 控制电路及译码显示电路

⑴控制电路

控制电路实际上是一个计数器，用来累计脉冲的个数（也可用作定时分频）。本次设计中使用双四位二进制同步加法计数芯片CD4520（本电路使用其中的一个）。其封装引脚见图3-14。其中，CP是脉冲输入端，EN是使能控制端，Q0～Q3是信号输出端，CR是清零端。图3-15为连接电路图。C2及R3组成自动复位电路，由于电容C2两端电压不能突变，故每次接通电源时，C2为CD4520的7脚提供一个复位脉冲，对输出状态进行清零，使CD4520的3～6脚输出0000，然后从头开始计数。时钟脉冲由1脚输入（2脚1EN接高电平）。当1脚依次输入十六个脉冲时，输出端按0000～1111的顺序变化。

T10.7R1R2CRR2

1

T1T20.7R12R2CR12R2

图3-14 CD4520封装引脚

图3-15 连接电路图

⑵显示译码电路

要将检测结果显示出来就要用到显示译码器，常见的数码显示器有半导体显示器（LED）、荧光数码显示器、液体数字显示器（LCD）、气体放电显示器。LED是由特殊半导体材料制成的二极管，其正向工作电压一般为1.5～3V，工作电流需几至十几毫安，使用时应串联限流电阻。LED显示器件的优点是体积小、寿命长、响应速度快、颜色丰富；缺点是功耗较大。七段显示译码器的输入是BCD码，输出为a～g，用来驱动七段显示器[13]。

常用的BCD码输入/十进制显示译码器的输入范围为0000～1001，译出字形是0～9，而输入1010～1111时被视为误码拒绝显示。本设计中要求对十六路信号进行检测，需要能够显示16个不同字形的显示译码器。F9368是十六进制显示译码器，输入范围为0000～1111，显示范围为0～F，配用共阴极七笔段LED数码管LC5011。

R4是限流电阻，其阻值大小可以调节数码管的发光亮度。F9368的5脚（BI）是消隐控制端，当其接高电平时，数码管显示正常字形，接低电平时数码管不显示。3脚（LT端）是数码管测试端，接高电平时数码管笔段全亮，以检查数码管的好坏，接低电平时，数码管正常显示。7，1，2，6脚是四位二进制码输入端，信号取自CD4520的1Q3～1Q0端，以保证

通道编号显示与CD4067电子开关的切换同步。a～g端是译码信号输出端，与数码管相应笔端连接。

图3-16 16通道巡回检测电路

表3-2 16通道检测状态变化

3.3 模/数转换电路

1.概述

传感器检测到气体浓度后需要将浓度值显示出来，模/数转换电路的作用即是将输入的连续变化的电压信号转化为可以进行显示的数字信号。模/数转换的方式有多种，基本上可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。在直接A/D转换器中。输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号，而在间接A/D转换器中，输入的模拟信号先转换成某种中间量（例如时间或频率），然后再将这个中间量转换成数字信号输出。考虑到它的精度、转换时间和价格等因素，在设计中采用间接型电压/频率转换器。

电压/频率转换器将电压转换成脉冲序列，该脉冲序列的瞬时周期精确地与模拟量成正比关系。由于频率可用数字方法进行测量，因而可以实现模/数的转换，所以它是一种准数字化电路。

电压/频率转换电路的主要特点是：对共模干扰抑制能力强，分辨率高，输出信号适用于远距离传输。其主要缺点是转换速率低，必须由外加计数器将串行的脉冲输出转换成并行形式，因此，它适用于低速率信号的转换。

设计中采用美国半导体公司生产的单片V/F变换器LM331来实现这个功能，LM331为单电源工作，电源电压范围为4.5～20V，它的温度稳定性好、噪声抑制能力强、数据传递方便、量程调节简单、线性误差小于±0.05%，功耗低（单电源为5V时，功耗为15mW），满量程频率范围为1Hz～100kHz，体积小（典型封装为标准的8脚DIP封装）。它的管脚排列如图3-17所示[10]

图3-17 LM331的管脚排列图

1脚：内部的一个精密电流源的输出端。

2脚：基准电流输出端，该脚对地电压的典型值为1.9V，使用时对地接一

电阻，典型值为14kΩ，实际应用时取3.8～150kΩ。

3脚：脉冲频率输出端。该端是内部一个三极管集电极，且集电极开路输

出。使用时外部必须接有上拉电阻到正电源，其典型值为10 kΩ。

5脚：外接定时电阻和定时电容端。

6脚：阈值电压输入端。该端的电压与7脚输入电压相比较，根据比较结

果启动内部单稳态定时电路。

7脚：被转换的外部电压输入端。

2.工作原理

图3-18是由LM331组成的电压/频率转换电路。电压信号由7脚输入，3脚输出对应线性频率信号。图中，Rin与Cin组成输入滤波环节，滤除输入信号中的纹波；RW1为调零电位器，RW2为转换增益调节；在电容C1上串联电阻R1产生一个附加的滞后效应，改善线性度。输出频率与输入电压的关系是

fOUT

Vin(RSRW2)

(3-12)

2.09RtCtR3

图3-18 LM331电压/频率转换电路

调节RW2的阻值使系数(RW2RS)/(2.09RtCtR3)的值为200，其它电阻电容值如图。当输入电压为0～5V时，对应的输出频率正好是0～1000Hz，则每10 Hz频率对应的一氧化碳浓度为1ppm。

3.4 数字显示电路

数字显示原理框图如图3-19所示。

图3-19 数字显示电路的组成框图

由于待测气体浓度、电压信号、频率信号三者之间是一一对应的关系，因此可以通过测量频率，来达到测量浓度的目的。若在一定时间间隔T内测得这个周期性频率信号的重复变化次数为N，则其频率可以表示为

fN/T （3-13）

3.4.1概述

测频的方法是用计数器在闸门开启期间对输入信号的周期进行计数来实现的。电压/频率转换输出的信号作为计数器所要求的脉冲信号，时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间t1=1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。若在闸门时间（1s）内计数器记得的脉冲个数为N，则被测信号的频率fX=NHz。晶振分频电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，使显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每

次测量从零开始计数。

1.频率准确度：一般用相对误差来表示，当闸门时间选定后，待测信号频率越低，量化误差越大。

2.频率测量范围：主要由电压/频率转换电路的频率响应决定。 3.数字显示位数：显示位数决定了频率计的分辨率，位数越多，分辨率越高。

4.测量时间：计数器完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。

3.4.2 数字显示电路的设计

1.石英晶体振荡器

该部分电路对标准时间的精度要求较高，因此通过晶体振荡器分频产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s）。选用32.768kHz的晶体振荡器产生一个稳定度很高的脉冲信号，经过16级分频得到一个秒脉冲信号。石英晶体振荡器使用时应注意几个事项：一是正确选择负载电容。晶振的频率由晶体振荡器和外部负载电容共同决定，负载电容对振荡频率的影响虽然很小，但是负载电容的变化仍是影响频率稳定度的因素之一。表3-3列出了几个频率范围的晶体振荡器的规格参数。二是保持一定的工作环境温度。因为石英晶体振荡器只有在较窄的温度范围内工作时，才具有很高的频率稳定度。三是使用前应该预先老化。

2.分频器

在实际应用中，已不必用触发器和门电路设计计数器，可以直接选用集成计数器进行设计。设计中选用14级二进制串行计数器CC4060和两个集成双上升沿D触发器CC4013进行16级分频,电源电压3～18V。CC4060的封装引脚如图3-20所示，晶振分频电路如图3-21所示。

表3-3 部分国产晶体振荡器规格参数

图3-20 CC4060的引线排列

经过第二个CC4013二分频后，Q脚输出的频率为

32.768kHz

=0.5Hz

（3-14） 16

脉冲宽度为

t1=1s

Q输出高电平时，电容Ct充电，充电时间由电阻Rt和电容Ct决定，

tW=RtCt （3-15）

图3-21 晶振分频电路

当Q输出低电平时，电容Ct通过二极管放电。分频后输出波形如图3-22所示。

R(Q')

图3-22 分频器输出波形

3.译码显示电路 ⑴功能简介

设计中使用带计数器/锁存器的译码/驱动电路CC40110,它即可以作为加法计数器也可以作为减法计数器。各管脚功能如下图3-23所示[16]。

其中，a～g是七个数码笔段输出端；CP+是加法计数脉冲输入端；CP-是减法计数脉冲输入端；R是清零端；CO是计数进位输出端；BO是位端；LE是锁存控制端；是禁止控制端（或计数控制端）。

当LE为高电平时，锁存器锁定。此时计数器仍正常计数，但数据不再进入锁存器。从而使得译码输出的数字保持不变。

当LE为低电平时，译码器的输出状态取决于计数器的内容。当为高电平时，禁止计数。当为低电平时，正常计数。

图3-23 CD40110管脚排列

当R为高电平时，计数器清零。当R为低电平时，计数器正常工作。每当计数器的状态从9变为0时，CO输出一个低电平，其余时间为高电平。

CC40110的级连方法是：低位的计数进位输出端CO与高位的加法计数输入端CP+相连。

CC40110驱动共阴极连接的七段显示器。其电路图如图3-24所示。

图3-24 译码显示电路

⑵工作过程

如图3-22所示，当分频器的输出端Q输出低电平“0”时，CC40110正常计数，此时Q'=0，计数器不清零。当Q端维持1s的低电平以后，Q跳变为高电平，CC40110停止计数。由于Q跳变为高电平，但是Q'不能立即跳变，需要经过一段时间以后才能变为高电平，使计数器清零。

当下一个Q=0时，原来在电容Ct上的电压经过二极管立即放掉，使。 Q'=0，并开始下一个1s内的计数。1s内的脉冲个数即为 “频率”

3.5 超限报警电路

图3-25 超限报警电路框图

超限报警电路框图如图3.5.1所示，电压比较器将模拟开关输出的检测信号与设定的门限电平进行比较，如果信号大于门限电平，则触动报警器报警，反之则不报警。

1.气体浓度表示方法

对于大气中的污染物，常用体积浓度和质量-体积浓度来表示其在大气中的含量。

⑴体积浓度

体积浓度是用每立方米的大气中含有污染物的体积数（立方厘米）或ml/m3来表示，常用的表示方法是ppm，即

1ppm=1立方厘米/立方米=106 （3-15）

⑵质量-体积浓度

用每立方米大气中污染物的质量数来表示的浓度叫质量-体积浓度，单位是毫克/立方米或者克/立方米。

一般情况下我们使用气体的体积浓度ppm。空气中一氧化碳的浓度达到10ppm时，会使人慢性中毒；达到30ppm时，人们会在4～6小时内中毒；当一氧化碳浓度达到100ppm时，立即产生头疼、恶心的感觉。国家工业标准中规定，工厂、煤矿的一氧化碳最高浓度限值为50ppm。

2.电压比较器的设计

电压比较器是一种模拟信号处理电路，它将输入电压与参考电压进行比较，并将比较结果输出。在自动控制即自动检测系统中，常常将比较器应用于越限报警等场合。

电压比较器所使用的集成运放通常工作在开环状态，即工作在非线性区（饱和区）。根据设计要求，16路检测设定一个浓度限值，只要气体浓度超过这个限值，就触动由555定时器构成的报警器报警。因此，在设计中使用单门限比较器，其中的集成运放仍使用LM358。

单门限比较器又称电平检测器，模拟开关的输出电压信号X加在同相输入端，参考电压UREF加在反相输入端。当X

U0=-U0m，二极管截止，报警器不报警；当X>UREF时，比较器的输出电压U0=+U0m，二极管导通，报警器报警。超限报警电路如图3-26所示。

图3-26 超限报警电路

3.发光二极管

发光二极管是一种将电能转换成光能的特殊二极管，其基本结构是一个PN结，它的特性曲线与普通二极管类似，但正相导通电压比普通二极管高，一般为1.5～3V，而且具有普通二极管没有的发光能力。发光颜色主要取决于所用的半导体材料，可以发出红、绿、黄等可见光。其发光亮度与流经管子的电流成正比，工作电流一般为几个毫安到几十个毫安，典型的正向电流为10mA。此外，发光二极管的响应速度快，使用寿命长，稳定性好。使用时要注意，必须正相偏置，还应串接限流电阻。开关控制电路中的显示电路也采用发光二极管。

4.参数计算

气体浓度为50ppm时的对应电压2.5V即为门限电压，由公式

UREF=

VDD

R1RW

选择电阻R1=10kΩ，电位器RW=10 kΩ，调整电位器的阻值即可改变报警浓度限值。

3.6 直流稳压电源

1.原理概述

任何电子设备都需要用到直流电源供电，获得直流电的方法有很多，如干电池、蓄电池、直流电机等。但较常用的方法是利用交流电源变换而

成的直流电源。利用交流电源变换成直流电源的组成方框图如图3-27所示。

图3-27 直流电源组成方框图

电源变压器的作用是把220V的电网电压变换成所需要的交流电压，通过单相桥式整流电路后输出单一方向的直流脉动电压。利用电容器两端电压不能突变的特点，将脉动电压中的纹波滤除，使输出电压成为较平滑的直流电压。由于该电压随着电网的波动、负载的变化而变化，因此还需要经过稳压电路进行稳压，使负载获得稳定的直流电压。

2.应用设计

设计中用到±15V和+5V的电源电压，因此选用三端固定式集成稳压器7815和7915构成±15V电源，再选用YDSI05型集成稳压器将+15V电源电压稳定在+5V输出。应用直流稳压电源电路图如图3-28所示。

～220U

图3-28 直流稳压电源

使用集成稳压器时要注意下列问题：

⑴为了防止自激振荡，在输入端一般要接一个0.1～0.33F的电容。 ⑵为了消除高频噪声和改善输出的瞬态特性，即在负载电流变化时不致引起输出电压有较大的波动，输出端需要接一个1F以上的电容。 ⑶为了保证输出电压的稳定，输入输出间的电压差应大于2V，但也不应太大，太大会引起三端稳压器的功耗增大而发热，一般取3～5V。

⑷尽管三端稳压器有过载保护，但为了增大其输出电流，外部要加散热片。

结论

本次设计了一个可进行巡回检测气体浓度的电路，其中包含直流稳压供电电路、浓度信号检测及变换电路、开关控制电路、模/数转换电路、数字显示电路和超限报警电路六个部分。

气敏传感器将浓度转换成能够测量的电压信号，因为这个电压信号线性度不好，而且很微弱，不利于检测，需要将它进行线性化补偿和放大处理。又因为电压信号不利于远距离传输，所以将电压信号转换为与它成线性的电流信号进行远距离传输。利用多路模拟开关实现选通功能，然后将模拟电压信号转换成数字信号并显示检测浓度值。如果浓度超过限定值，报警器就会报警。这种电路具有实用性强、可靠性高、测量精度高等特点，可广泛应用于工业、医疗卫生、环境监测和日常生活等方面。

在指导老师和同学的帮助下，我完成了设计要求。能实现本次设计要求的方案不止一种，它们各有利弊，本次设计全部选择使用硬件电路，在实际应用中，可以根据工作环境、测量精度、器件价格等具体要求改变设计方案。

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致谢