基于单片机的气敏传感器测试系统.DOCVIP

基于单片机的气敏传感器测试系统 谭永红 雷 跃 [摘 要] 本文介绍一种新型的气敏传感器测试系统的设计方法。该系统基于具有语音处理功能的凌阳SPCE061A单片机，能同时进行多路传感器测试、过程控制，及用虚拟仪器完成数据处理，并能用语音直接播报测试结果，克服了目前气敏传感器人工操作测试带来的效率低、误差大、操作人员长时间工作等问题。 [关键词] 气敏传感器 单片机 语音播报 一、引言 气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关的信息转换成电信号， 从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。目前，人们对气敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方式来操作，开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是极为必要的。而语音信号是信息的又一主要载体，如果在这些测量场合能用语音直接报出结果，将给操作人员带来极大方便，下面就介绍一种具有新功能的新型的气敏传感器测试系统。 二、气敏传感器测量原理 作为气体敏感材料的半导体氧化物的气—电转换机理是：在不同气体中，半导体氧化物材料发生的氧化—还原反应不同，从而引起材料电导（电导与电阻互为倒数）的不同变化，使传感器分辨出被测气体。因此，只要能测量出已知气体中气体传感器电导的变化，就可测量出该气敏传感器的性能指标。气敏传感器的测试电路如图1所示，负载电阻RL串联在传感器中，串联回路施加工作电压VC，VF为热丝两端加热电压。在洁净空气中，传感器的电阻RO较大，在负载电阻RL上的输出电压 图1 气敏传感器的测试电路 较小；当在待测气体中时，传感器的电阻 RO变得较小，则负载电阻RL上的输出电压较大，其电压值与VRL器件的电阻值RO之间的关系如下： RO= 式中：为VC测量电压，一般为5V；VRL为负载电压；为RL负载电阻（已知）；RO为元件的电阻值。 随着已知气体浓度不同，负载电压产生不同变化，传感器的元件阻值也会产生相应的变化，而根据不同气体环境下元件电阻的阻值，就可判断出该传感器的指标是否符合标准值。 ???三、系统硬件设计 气敏传感器测试系统如图2所示，由元件测试箱和PC微机两部分组成。元件测试箱主要包括了元件箱和单片机系统两部分。元件箱的主要作用是模拟气敏元件的各种现场使用环境，所有被测传感器就放置在元件板上，可由单片机系统中的电子开关巡回选择。当充入某种浓度气体时，被测传感器的阻值发生相应的变化，引起传感器负载输出电压也发生变化，该电压信号被采样保持后，送入单片机系统进行处理。 在单片机系统中选用凌阳SPCE061A单片机，其内部具有七通道10位电压A/D模数转换器和两个10位D/A数模转换通道，这样节省电路板面积，简化了硬件电路。使用者只需在软件编程时加入启动A/D转换的指令即可完成操作。为了保持数据采集的准确性，需要进行N次数据采集然后取平均值，即每次采集进来的负载电压VRL经 图2 测试系统 过A/D转换后要送给单片机的算术逻辑单元，同N–1次的A/D转化结果进行取算术平均值运算。把最终结果放到存储区，等待上位机进行数据分析和判断。对于语音功能的实现，则要利用单片机内部的D/A数模转换器，把事先已设置好的语音信号如“开始测量”、“测量结束”等经过该数模转换通道送到扬声器。 SPCE061A内部自带两个10位D/A转换通道，比较容易实现语音功能。 四、系统软件设计 系统的软件包括两部分。一是下位机的软件，它主要完成对传感器输入信号的采集、存储以及定时，通过RS-232串行接口向PC机发送数据，同时实现语音数据编码处理、存储、解码处理以及D/A转换等功能。下位机主程序框图如图3所示，而中断子程序和语音子程序在此不再赘述。另一部分是数据分析软件，它采用Visual C++6.0开发系统，具有一个良好的人机操作界面，可以随时测量和采集传感器的任意参数，并可查看系统任一通道的响应曲线以及历史运行记录。 图4是本系统的上位机虚拟仪器中的测量结果和数据分析窗口，其中显示出的8个通道的传感器在正常空气中的元件电阻阻值为RO，当注入两种已知浓度不同的气体时，元件电阻阻值分别为R1和R2，以此可计算出它在这两种情况下的灵敏度。图5是随机抽取的第一通道传感器的响 应曲线，它能较全面地反映出某一通道的传感器在设定 图3 程序框图 时间内的输出特性。从图中可看出，第一通道的被测气敏 元件在注入已知浓度气体的情况下，在2S左右阻值达到稳定,即传感器输出开始稳定。输出特性参数见图5窗口显示数据，可判断、比较元件是否符合标准要求。 图4 微