基于SPCE061A傳感器測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試原理

　　作為氣體敏感材料的半導(dǎo)體氧化物的氣—電轉(zhuǎn)換機(jī)理是：在不同氣體中，半導(dǎo)體氧化物材料發(fā)生的氧化—還原反應(yīng)不同，從而引起材料電導(dǎo)（電導(dǎo)與電阻互為倒數(shù)）的不同變化，使傳感器分辨出被測(cè)氣體。因此，只要能測(cè)量出已知?dú)怏w中氣體傳感器電導(dǎo)的變化，就可測(cè)量出該氣敏傳感器的性能指標(biāo)。氣敏傳感器的測(cè)試電路如圖1所示，負(fù)載電阻RL串聯(lián)在傳感器中，串聯(lián)回路施加工作電壓VC，VF為熱絲兩端加熱電壓。在潔凈空氣中，傳感器的電阻RO較大，在負(fù)載電阻RL上的輸出電壓較??；當(dāng)在待測(cè)氣體中時(shí)，傳感器的電阻RO變得較小，則負(fù)載電阻RL上的輸出電壓較大，其電壓值與VRL器件的電阻值RO之間的關(guān)系如下：

　　(1)

　　式中：為VC測(cè)量電壓，一般為5V；VRL為負(fù)載電壓；為RL負(fù)載電阻（已知）；RO為元件的電阻值。隨著已知?dú)怏w濃度不同，負(fù)載電壓產(chǎn)生不同變化，傳感器的元件阻值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，而根據(jù)不同氣體環(huán)境下元件電阻的阻值，就可判斷出該傳感器的指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)值。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　氣敏傳感器測(cè)試系統(tǒng)以測(cè)量傳感器的電阻值為基礎(chǔ)，采用單片機(jī)SPCE061A進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。氣敏傳感器測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，由元件測(cè)試箱和PC微機(jī)兩部分組成。元件測(cè)試箱主要包括了元件箱和單片機(jī)系統(tǒng)兩部分。元件箱的主要作用是模擬氣敏元件的各種現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境，所有被測(cè)傳感器就放置在元件板上，可由單片機(jī)系統(tǒng)中的電子開(kāi)關(guān)巡回選擇。當(dāng)充入某種濃度氣體時(shí)，被測(cè)傳感器的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，引起傳感器負(fù)載輸出電壓也發(fā)生變化，該電壓信號(hào)被采樣保持后，送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

　　在單片機(jī)系統(tǒng)中選用SPCE061A單片機(jī)，其內(nèi)部具有7通道10位電壓A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)10位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，這樣節(jié)省電路板面積，簡(jiǎn)化了硬件電路。使用者只需在軟件編程時(shí)加入啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的指令即可完成操作。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行N次數(shù)據(jù)采集然后取平均值，即每次采集進(jìn)來(lái)的負(fù)載電壓VRL經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后要送給單片機(jī)的算術(shù)邏輯單元，同N-1次的A/D轉(zhuǎn)化結(jié)果進(jìn)行取算術(shù)平均值運(yùn)算。把最終結(jié)果放到存儲(chǔ)區(qū)，等待上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和判斷。SPCE061A內(nèi)部自帶兩個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換通道，對(duì)于語(yǔ)音功能的實(shí)現(xiàn)，可以利用單片機(jī)內(nèi)部的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，把事先已設(shè)置好的語(yǔ)音信號(hào)如“開(kāi)始測(cè)量”、“測(cè)量結(jié)束”等經(jīng)過(guò)該數(shù)模轉(zhuǎn)換通道送到揚(yáng)聲器。

　　圖1 氣敏傳感器結(jié)構(gòu)原理和測(cè)試電路

　　圖2 測(cè)試系統(tǒng)

　　表1 9芯RS232接口

　　圖3 主程序框圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件包括下位機(jī)的軟件和數(shù)據(jù)分析軟件兩部分。

　　下位機(jī)的軟件主要完成對(duì)傳感器輸入信號(hào)的采集、存儲(chǔ)以及定時(shí)，通過(guò)RS-232串行接口向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)編碼處理、存儲(chǔ)、解碼處理以及D/A轉(zhuǎn)換等功能。下位機(jī)主程序框圖如圖3所示，而中斷子程序和語(yǔ)音子程序在此不再贅述。目前RS232是PC與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，RS代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)。RS232采取單端通信傳輸方式。一個(gè)完整的RS232接口有22根線，采用標(biāo)準(zhǔn)的25芯插頭座。除此之外，目前廣泛應(yīng)用的還有一種9芯的RS232接口。

　　RS232標(biāo)準(zhǔn)中定義了邏輯1和邏輯0電壓級(jí)數(shù)，以及標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率和連接器類型。信號(hào)大小在正的和負(fù)的3V~15V之間。RS232規(guī)定接近0的電平是無(wú)效的，邏輯1規(guī)定為負(fù)電平，有效負(fù)電平的信號(hào)狀態(tài)稱為傳號(hào)(Marking)，它的功能意義為OFF；邏輯0規(guī)定為正電平，有效正電平的信號(hào)狀態(tài)稱為空號(hào)(Spacing)，它的功能意義為ON。在RS232標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的設(shè)備可以分為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)兩類，這種分類定義了不同的線路用來(lái)發(fā)送和接收信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備有DTE連接器，調(diào)制解調(diào)器和打印機(jī)有DCE連接器。本文采用被廣泛使用的9芯RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。表1所示為在PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中使用的9芯RS232接口的信號(hào)和管腳分配。

　　數(shù)據(jù)分析軟件采用Visual C++6.0開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，具有一個(gè)良好的人機(jī)操作界面，可以隨時(shí)測(cè)量和采集傳感器的任意參數(shù)，并可查看系統(tǒng)任一通道的響應(yīng)曲線以及歷史運(yùn)行記錄。

　　圖4是本系統(tǒng)的PC機(jī)虛擬儀器中的測(cè)量結(jié)果和數(shù)據(jù)分析窗口，其中顯示出的8個(gè)通道的傳感器在正常空氣中的元件電阻阻值為RO，當(dāng)注入兩種已知濃度不同的氣體時(shí)，元件電阻阻值分別為R1和R2，以此可計(jì)算出它在這兩種情況下的靈敏度。圖5是隨機(jī)抽取的第一通道傳感器的響應(yīng)曲線，它能較全面地反映出某一通道的傳感器在設(shè)定時(shí)間內(nèi)的輸出特性。從圖中可看出，第一通道的被測(cè)氣敏元件在注入已知濃度氣體的情況下，在1.7s左右阻值達(dá)到穩(wěn)定，即傳感器輸出開(kāi)始穩(wěn)定。輸出特性參數(shù)見(jiàn)圖5窗口顯示數(shù)據(jù)，可判斷、比較該傳感器的指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)值。