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

　　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。

　　3.2電路設(shè)計(jì)

　　3.2.1 信號(hào)采集、控制電路

　　首先陣列各單元的工作溫度需要由加熱電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證在較好的響應(yīng)特性。C8051F020的一路12位D/A通過模擬開關(guān)4052選通循環(huán)輸出傳感器陣列各單元所需的加熱電壓，并直接通過高電流輸出運(yùn)放芯片MAX4069驅(qū)動(dòng)輸出到各單元，減少了功率輸出電路。在傳感器陣列各單元加熱到工作溫度并穩(wěn)定后，由單片機(jī)通過氣泵控制電路控制微型氣泵抽入待檢測(cè)的氣體。傳感器陣列和系統(tǒng)電路的信號(hào)采集接口電路與前一章中的數(shù)據(jù)采集電路類似，只是信號(hào)隔離跟隨電路中采用的是單電源低功耗運(yùn)放OP491，四路傳感器單元的響應(yīng)信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)的A/D定時(shí)采集，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM芯片IDT71V124SA中。

　　IDT71V124SA是低功耗3.3V工作電壓靜態(tài)CMOS隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片，能保存128K字節(jié)的數(shù)據(jù)。它作為單片機(jī)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)單元，大大彌補(bǔ)了單片機(jī)RAM空間的不足。但是該器件在進(jìn)行讀寫操作時(shí)需要100mA的電流，而在非片選狀態(tài)僅為l0mA，因此從降低功耗考慮，在單片機(jī)不進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取時(shí)要釋放片選控制信號(hào)以降低功耗。

　　3.2.2 輸入輸出接口電路

　　其次，良好的顯示、操作界面是便攜系統(tǒng)所必需的。本系統(tǒng)中采用具有122X 32分辨率的圖形點(diǎn)陣液晶模塊HS12232作為顯示屏幕，顯示提示和處理結(jié)果。顯示界面設(shè)計(jì)成多層選擇菜單的模式，主菜單中有甲烷檢測(cè)、傳感器工作電壓設(shè)置，采樣數(shù)據(jù)上傳和識(shí)別網(wǎng)絡(luò)更新等選項(xiàng)，通過鍵盤輸入進(jìn)行菜單選擇的方式進(jìn)行各種操作。同時(shí)由單片機(jī)的另一路D/A輸出提示音信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出提示音。

　　根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，方便靈活地與計(jì)算機(jī)通信也是很重要的。目前USB標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到了普及，因此選擇采用USB通訊方式。USB是一種通用串行總線，具有使用可靠、即插即用和成本低廉的特點(diǎn)。檢測(cè)系統(tǒng)電路中使用的USB接口芯片是支持USB1.1協(xié)議的Philips公司的PDUSBDI2芯片。單片機(jī)通過并行I/O口向PDIUSBD 12發(fā)命令和數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)USB接口讀寫，由于在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量傳輸不是很大，采用的是中斷方式非同步傳輸。在USB協(xié)議中，USB總線分有主機(jī)和設(shè)備兩部分，計(jì)算機(jī)上的USB控制器是主機(jī)器件，PDIUSBD 12是設(shè)備器件。圖3是PDIUSBDI2與單片機(jī)的接口圖。

　　圖3  PDUSBDI2的接口電路原理圖

　　3.2.3 系統(tǒng)電源管理電路

　　最后還需考慮電源的選擇。作為便攜式系統(tǒng)，甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的電源供電方式是電池供電，供電電壓約在5V。而電路中的有的器件工作在較低的電壓下，如單片機(jī)、SRAM和USB芯片等是3.3V的工作電壓，這就需要在電路中設(shè)計(jì)5V-3.3V的電壓轉(zhuǎn)換電路。通過對(duì)比，采用DC-DC器件LM2S74進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換(圖4)，將5V供電電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，即可以滿足低電壓器件的工作要求，減少了額外的功耗，而且通過設(shè)計(jì)合理的濾波電路，還獲得了較好的穩(wěn)壓線性輸出。在降低功耗方面，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均選用了CMOS器件、低功率表貼元器件，不僅使得系統(tǒng)體積較小，而且電路功耗也得到降低:此外在軟件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)使用了等待和掉電的節(jié)電運(yùn)行機(jī)制，而有的器件是帶Shutdown功能的，可以在空閑的時(shí)候進(jìn)入省電模式，進(jìn)一步降低了功耗。

　　圖4 電源電壓轉(zhuǎn)換電路

　　4 檢測(cè)系統(tǒng)電路調(diào)試

　　在確定了系統(tǒng)電路硬件總體和各部分的設(shè)計(jì)方案后，制作了實(shí)驗(yàn)電路板，對(duì)電路進(jìn)行了初步的調(diào)試。電源是采用4節(jié)鎳氫充電電池串連，經(jīng)過調(diào)試，每路加熱電壓驅(qū)動(dòng)電路可以輸出最高4.5V的電壓，在對(duì)傳感器進(jìn)行加熱的情況下，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集保存，總電流可以控制在250mA以內(nèi)，其中單片機(jī)電路部分約120mA，傳感器陣列加熱電流不高于80mA，抽氣泵工作電路低于50mA，滿足了設(shè)計(jì)中的低功耗目標(biāo)。檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路調(diào)試完成后，通過編寫單片機(jī)程序和計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，可以在檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)氣體識(shí)別等功能。

　　5 甲烷檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)系統(tǒng)電路調(diào)試通過后，需要結(jié)合識(shí)別軟件才能進(jìn)行氣體的檢測(cè)。本文主要在軟件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行研究，提出了適合單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法，在單片機(jī)軟件和PC機(jī)軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等的討論，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的其它功能程序也做了說明。

　　由于C8051系列單片機(jī)具有完整的8052內(nèi)核，與MCS-51指令完全兼容，可采用標(biāo)準(zhǔn)的805x編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。在本檢測(cè)系統(tǒng)的單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，采用了Cygnal C51IDE的開發(fā)環(huán)境，通過電路中預(yù)留的JTAG接口調(diào)試程序，依據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的不同功能的需要，采用模塊化的設(shè)計(jì)，將程序分成幾個(gè)主要的功能模塊，圖5是單片機(jī)程序的模塊圖。

　　圖5 檢測(cè)系統(tǒng)單片機(jī)程序模塊圖

　　從圖5中可以看到，單片機(jī)的主程序在經(jīng)過系統(tǒng)初始化后進(jìn)入主菜單界面，將等待鍵盤的輸入操作。當(dāng)檢測(cè)到有按鍵輸入時(shí)，讀出鍵值并判斷出需要進(jìn)行的操作，而后調(diào)用相應(yīng)的子程序模塊。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)

　　本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的低功耗高靈敏度甲烷檢測(cè)系統(tǒng)采用集成的微型傳感器陣列提取陣列單元交叉響應(yīng)信號(hào)。通過具有不同響應(yīng)特性的傳感器組成的陣列提取的氣體響應(yīng)特征，可以迅速可靠地檢測(cè)甲烷氣體，可以在許多復(fù)雜場(chǎng)合大大改善檢測(cè)系統(tǒng)的分辨能力。

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