气敏检测

基于单片机的气敏传感器测试系统

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。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。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R

L 串联在传感器中，串联回路施加工作电压V

C

，V

F

为热丝两端加热电压。在洁净空气中，传感器的电阻R

O 较大，在负载电阻R

L

上的输出电压较小；当在

待测气体中时，传感器的电阻R

O 变得较小，则负载电阻R

L

上的输出电压较大，其电压值与V

RL

器件的电

阻值R

O

之间的关系如下：

R

O

=

RL

L RL

C

V

R V

V) (

式中：为V

C 测量电压，一般为5V；V

RL

为负载电压；为R

L

负载电阻（已知）；R

O

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。

图1 气敏传感器的测试电路

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。

图2 测试系统

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

经过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转化结每次采集进来的负载电压V

RL

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3 程序框图

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，如“开始测量”、“开始测量电阻R

O ”、“开始测量电阻R

1

”、“开始测量电阻R

2

”、“开

始响应曲线绘制”、“复位”等。当测量结束后，系统会播报：“R

O 测量完毕”、“R

1

测量完毕”、

“R

2

测量完毕”等。

语音处理大致可以分为A/D转换、编码处理、存储、解码处理以及D/A转换等步骤。SPCE061A单片机具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式，同时具备双通道10 位DAC方式的音频输出功能，因此可以解决上述语音处理问题。SPCE061A的开发软件具有一个SACM–LI库，可以将A/D、编码、解码、存储、D/A做成相应的模块, 对于每个模块都有其应用程序接口API，在了解每个模块所要实现的功能及其参数的内容后，调用该API函数即可实现语音处理功能。对于常用的SACM–A2000和SACM–480两种放音算法则要涉及到语音资源的添加问题，即将所需要的WAV文件按照需要的压缩比进行压缩,变成资源表形式在程序中调用。这样,当把录制好的语音文件经过压缩存入存储器后，在程序执行过程中调用该语音模块的API函数即可实现语音输出功能了。