基于单片机气敏传感器测试系统的设计

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1、基于单片机的气敏传感器测试系统[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

2、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

3、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

4、出该传感器的指标是否符合标准值。3   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

5、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、

6、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VisualC++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

7、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3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微机虚拟仪器分析窗口图5响应曲线五、语音功能的实现气敏传感器测试系统的语音功能的实现，主要体现在当测量传感器数据的同时,扬声器中会发出语音提示

8、，如“开始测量”、“开始测量电阻RO”、“开始测量电阻R1”、“开始测量电阻R2”、“开始响应曲线绘制”、“复位”等。当测量结束后，系统会播报：“RO