基于單片機(jī)的低功耗甲烷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1引言

　　氣體檢測(cè)系統(tǒng)表是工礦企業(yè)、社會(huì)公用事業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域必備的安全裝備。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在可測(cè)氣體種類、測(cè)量范圍、精度、穩(wěn)定性、壽命等主要技術(shù)指標(biāo)方面均有明顯提高，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，儀表向微型化、多參數(shù)組合與智能化方向發(fā)展。新型甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有智能化的特點(diǎn)，能在一定其他氣體干擾的情況下工作，可以采用電子鼻。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過模式識(shí)別方法辨識(shí)甲烷氣體。以小型化的電子鼻系統(tǒng)為基礎(chǔ)的甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮減小系統(tǒng)的體積、簡(jiǎn)化氣體的進(jìn)樣裝置和改進(jìn)電路以滿足低功耗要求等問題；另外便攜式檢測(cè)系統(tǒng)的操作者通常情況下是現(xiàn)場(chǎng)人員，屬于非專業(yè)人員，系統(tǒng)的操作不能復(fù)雜，因此對(duì)于系統(tǒng)的人機(jī)交互功能在設(shè)計(jì)上也應(yīng)得到重視。

　　傳統(tǒng)的基于金屬氧化物氣體傳感器存在氣體選擇性不高、抗干擾性差的問題，采用單個(gè)傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)中如果有其它氣體干擾，容易出現(xiàn)相似的響應(yīng)而出現(xiàn)誤判。本文所討論基于單片機(jī)的高靈敏度甲烷檢測(cè)系統(tǒng)是以微結(jié)構(gòu)金屬氧化物氣體傳感器陣列為敏感元件，結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行甲烷氣體檢測(cè)的便攜式系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由四單元傳感器陣列器件、氣體進(jìn)樣裝置及高速單片機(jī)為核心的信號(hào)處理電路組成，具有體積小、準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)良性能。本文要介紹該檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)，著重于低功耗電路的設(shè)計(jì)。

　　2 檢測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　由細(xì)導(dǎo)管、微型抽氣泵和小氣室組成的氣體進(jìn)樣部分，以單片機(jī)為核心的控制、信號(hào)采集處理電路以及顯示、鍵盤、PC接口電路，還有在PC機(jī)上運(yùn)行的用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的應(yīng)用軟件，如圖1所示。檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行氣體檢測(cè)的工作步驟是，單片機(jī)控制抽氣泵將待檢測(cè)的氣體抽入氣室，同時(shí)采集氣體傳感器陣列的響應(yīng)信號(hào)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后單片機(jī)從保存的數(shù)據(jù)中提取特征值，由識(shí)別網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行氣體識(shí)別，并將結(jié)果輸出到LCD顯示屏幕上。針對(duì)便攜式系統(tǒng)的特點(diǎn)，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了具有較小的體積、較低功耗的處理電路。

　　圖1 甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理圖

　　低功耗傳感器陣列的制備技術(shù): 采用由MEMS工藝制造的微結(jié)構(gòu)金屬氧化物氣體傳感器陣列作為檢測(cè)系統(tǒng)的氣體敏感元件。微結(jié)構(gòu)金屬氧化物氣體傳感器陣列的特點(diǎn)在引言中有討論。選用的陣列器件體積小，器件面積3 X 3 mm2，在同一膜片中集成了2X2個(gè)傳感器單元，每個(gè)單元的工作功耗小于50mW，并用掩模濺射的方法在每個(gè)單元鍍上相應(yīng)的敏感薄膜，各單元膜電阻在一定的工作溫度下能對(duì)特定氣體濃度的變化產(chǎn)生程度不同的變化。傳感器單元敏感薄膜的膜電阻變化能迅速的反映氣室中氣體組分和濃度的變化情況，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，可由單片機(jī)通過A/D電路采集量化為可以進(jìn)行模式識(shí)別的數(shù)據(jù)。

　　此外由于便攜式系統(tǒng)采用電池供電，對(duì)設(shè)備各部分電路的功耗要求較嚴(yán)格，因而在電路中采用低工作電壓、低功耗的元器件，并且優(yōu)化設(shè)計(jì)了電源管理功能，保證在電池供電的情況下能工作較長(zhǎng)時(shí)間。

　　3檢測(cè)系統(tǒng)電路

　　3.1 Cygnal C805lF020單片機(jī)介紹

　　圖2 甲烷檢測(cè)系統(tǒng)電路框圖

　　內(nèi)置A/D電路的Cygnal C805lF020是采用8052內(nèi)核的8位單片機(jī)1201，屬于高速混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片。它能很好的滿足甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，所以系統(tǒng)采用它作為處理控制核心。圖2是檢測(cè)系統(tǒng)電路的組成原理框圖。下面就電路的各部分功能在下面展開具體的描述。