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.

下一页