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[導(dǎo)讀]近些年來,氣敏傳感器研究發(fā)展迅速,對氣敏傳感器的測試也越來越普遍。傳感器測試主要是為了檢測傳感器的指標(biāo)從而判斷該傳感器是否為合格產(chǎn)品,傳感器的性能指標(biāo)一般包括靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo),靜態(tài)指標(biāo)的檢測是必需要進(jìn)行的一道工序。

引言

近些年來,氣敏傳感器研究發(fā)展迅速,對氣敏傳感器的測試也越來越普遍。傳感器測試主要是為了檢測傳感器的指標(biāo)從而判斷該傳感器是否為合格產(chǎn)品,傳感器的性能指標(biāo)一般包括靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo),靜態(tài)指標(biāo)的檢測是必需要進(jìn)行的一道工序。采用傳感器自動測試系統(tǒng)可以解決人工檢測造成的效率低下、人為造成的誤差及操作人員勞動強度大等諸多問題。氣敏傳感器在工業(yè)及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用,尤其是可燃?xì)怏w傳感器在防火防爆方面起著舉足輕重的作用,這類傳感器主要用來測定環(huán)境中易燃性氣體比如氫氣、天然氣、瓦斯等的濃度,通常制成報警器用來對空氣中的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)濃度超過指標(biāo)時,傳感器就會輸出警告信號觸發(fā)報警裝置。傳感器的指標(biāo)檢測非常重要,因為一旦指標(biāo)有偏差,那么傳感器將會在非指定濃度誤報警,報警過早和過遲都是不可取的。而語音信號是信息的又一主要載體,如果在測量場合能用語音直接報出結(jié)果,將給操作人員帶來極大方便。為準(zhǔn)確快速大量地對氣敏傳感器進(jìn)行指標(biāo)檢測,本文采用SPCE061A單片機(jī)結(jié)合邏輯電路設(shè)計出一套測試精度高、速度快、可與計算機(jī)通信的多通道氣敏傳感器測試系統(tǒng)。

SPCE061A概述

凌陽科技推出的性價比很高的16位單片機(jī)SPCE061A,具有易學(xué)易用的效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境(μ'nsp IDE)。此開發(fā)環(huán)境支持標(biāo)準(zhǔn)C語言,可以實現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用,并且提供了語音錄放的庫函數(shù),可方便實現(xiàn)語音播放、錄制、合成和辨識等功能。SPCE061A片內(nèi)還集成了一個ICE(在線仿真電路)接口,使得對該芯片的編程、仿真都變得非常方便,而ICE接口不占用芯片上的硬件資源,結(jié)合集成開發(fā)環(huán)境(μ'nsp IDE)用戶可以利用它對芯片進(jìn)行真實的仿真,而程序的下載也是通過該接口進(jìn)行下載。它具有兩個16位通用可編程I/O端口,相當(dāng)于32個通用I/O口,可以輕易連接并驅(qū)動液晶顯示模塊(LCD),實現(xiàn)字符和圖形的顯示。

SPCE061A性能特點

• 16位 微處理器;

• 工作電壓:(CPU)VDD:3.0V~3.6V,

(I/O)VDDH為3.0V~5.5V;

• CPU時鐘:0.32MHz~49.152MHz;

• 內(nèi)置2K字SRAM;

• 內(nèi)置32K字FLASH;

• 可編程音頻處理;

• 晶體振蕩器;

• 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止?fàn)顟B(tài)),耗電僅為2μA/3.6V;

• 2個16位可編程定時器計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值);

• 2個10位DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換)輸出通道;

• 32位通用可編程輸入/輸出通道;

• 14個中斷源可來自定時器A/B、時基、2個外部時鐘源輸入和鍵喚醒;

• 具備觸鍵喚醒的功能;

• 使用凌陽音頻編碼SACM_S480、SACM_A2000可以播放壓縮的語音資源;

• 鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號;

• 32768Hz實時時鐘;

• 7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;

• 聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器,并具有自動增益控制(AGC)功能;

• 具備串行設(shè)備接口;

• 具備低電壓復(fù)位功能和低電壓檢測功能;

• 內(nèi)置在線仿真電路接口;

• 具有Watchdog功能。

氣敏傳感器工作原理和系統(tǒng)測試原理

氣敏傳感器主要有半導(dǎo)體式、接觸燃燒方式、化學(xué)反應(yīng)式、光干涉式、熱傳導(dǎo)式、紅外線吸收散式等。而半導(dǎo)體氣敏傳感器應(yīng)用更為廣泛。

氣敏傳感器工作原理

半導(dǎo)體氣敏傳感器由氣敏部分、加熱絲以及防爆網(wǎng)等構(gòu)成,它是在氣敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金屬氧化物中添加Pt、Pd等敏化劑的傳感器。傳感器的選擇性由添加敏化劑的多少進(jìn)行控制,例如,對于ZnO2系列傳感器,若添加Pt,則傳感器對丙烷與異丁烷有較高的靈敏度;若添加Pd,則對CO與H2比較敏感。

氣敏傳感器以陶瓷管為框架,外覆一層敏感膜的材料,利用膜兩端的鍍金引腳進(jìn)行測量。敏感膜的材料最常用的有金屬氧化物、高分子聚合物材料和膠體敏感膜等。它的兩個關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜,其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。金電極連接氣敏材料的兩端,使其等效為一個阻值隨外部待測氣體濃度變化的電阻。由于金屬氧化物有很高的熱穩(wěn)定性,而且這種傳感器僅在半導(dǎo)體表面層產(chǎn)生可逆氧化還原反應(yīng),半導(dǎo)體內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)不變,因此,長期使用也可獲得較高的穩(wěn)定性。原理簡介如下:金屬氧化物一旦加熱,空氣中的氧就會從金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)晶粒子的施主能級中奪走電子,而在結(jié)晶表面上吸附負(fù)電子,使表面電位增高,從而阻礙導(dǎo)電電子的移動,所以,氣敏傳感器在空氣中為恒定的電阻值。這時還原性氣體與半導(dǎo)體表面吸附的氧發(fā)生氧化反應(yīng),由于氣體分子的離吸作用使其表面電位高低發(fā)生變化,因此,傳感器的電阻值要發(fā)生變化。對于還原性氣體,電阻值減?。粚τ谘趸詺怏w,則電阻值增大。這樣,根據(jù)電阻值的變化就能檢測氣體的濃度。

系統(tǒng)測試原理

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氣體。因此,只要能測量出已知氣體中氣體傳感器電導(dǎo)的變化,就可測量出該氣敏傳感器的性能指標(biāo)。氣敏傳感器的測試電路如圖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)在待測氣體中時,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。隨著已知氣體濃度不同,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

氣敏傳感器測試系統(tǒng)以測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。氣敏傳感器測試系統(tǒng)如圖2所示,由元件測試箱和PC微機(jī)兩部分組成。元件測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)場使用環(huán)境,所有被測傳感器就放置在元件板上,可由單片機(jī)系統(tǒng)中的電子開關(guān)巡回選擇。當(dāng)充入某種濃度氣體時,被測傳感器的阻值發(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10位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換通道,這樣節(jié)省電路板面積,簡化了硬件電路。使用者只需在軟件編程時加入啟動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)來的負(fù)載電壓VRL經(jīng)過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)平均值運算。把最終結(jié)果放到存儲區(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10位D/A轉(zhuǎn)換通道,對于語音功能的實現(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)置好的語音信號如“開始測量”、“測量結(jié)束”等經(jīng)過該數(shù)模轉(zhuǎn)換通道送到揚聲器。

圖1 氣敏傳感器結(jié)構(gòu)原理和測試電路

圖2 測試系統(tǒng)

表1 9芯RS232接口

圖3 主程序框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計

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)的軟件主要完成對傳感器輸入信號的采集、存儲以及定時,通過RS-232串行接口向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),同時實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)編碼處理、存儲、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)識號。RS232采取單端通信傳輸方式。一個完整的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電壓級數(shù),以及標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率和連接器類型。信號大小在正的和負(fù)的3V~15V之間。RS232規(guī)定接近0的電平是無效的,邏輯1規(guī)定為負(fù)電平,有效負(fù)電平的信號狀態(tài)稱為傳號(Marking),它的功能意義為OFF;邏輯0規(guī)定為正電平,有效正電平的信號狀態(tài)稱為空號(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發(fā)送和接收信號。一般來說,計算機(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接口的信號和管腳分配。

數(shù)據(jù)分析軟件采用Visual C++6.0開發(fā)系統(tǒng),具有一個良好的人機(jī)操作界面,可以隨時測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)曲線以及歷史運行記錄。

圖4是本系統(tǒng)的PC機(jī)虛擬儀器中的測量結(jié)果和數(shù)據(jù)分析窗口,其中顯示出的8個通道的傳感器在正??諝庵械脑娮枳柚禐镽O,當(dāng)注入兩種已知濃度不同的氣體時,元件電阻阻值分別為R1和R2,以此可計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)定時間內(nèi)的輸出特性。從圖中可看出,第一通道的被測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,即傳感器輸出開始穩(wěn)定。輸出特性參數(shù)見圖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。

語音功能的實現(xiàn)

圖4 PC機(jī)虛擬儀器分析窗口

圖5 響應(yīng)曲線

氣敏傳感器測試系統(tǒng)的語音功能的實現(xiàn),主要體現(xiàn)在當(dāng)測量傳感器數(shù)據(jù)的同時,揚聲器中會發(fā)出語音提示,如“開始測量”、“開始測量電阻RO”、“開始測量電阻R1”、“開始測量電阻R2”、“開始響應(yīng)曲線繪制”、“復(fù)位”等。當(dāng)測量結(jié)束后,系統(tǒng)會播報:“RO測量完畢”、“R1測量完畢”、“R2測量完畢”等。語音播報電路如圖6所示。

圖6 語音播報電路

凌陽SPCE061A單片機(jī)自帶雙通道DAC音頻輸出(DAC1、DAC2為SPCE061A單片機(jī)的(21)(22)腳),DAC1、DAC2的模擬信號分別通過插件CON3①③管腳輸出,由于DAC輸出為電流型,所以DAC輸出經(jīng)過SPY0030音頻放大,便可驅(qū)動喇叭發(fā)音,這為單片機(jī)的音頻設(shè)計提供了極大方便,而語音的具體功能主要通過程序來實現(xiàn)。語音處理大致可以分為A/D轉(zhuǎn)換、編碼處理、存儲、解碼處理以及D/A轉(zhuǎn)換等步驟。SPCE061A的開發(fā)軟件具有一個SACM-LI庫,可以將A/D、編碼、解碼、存儲、D/A做成相應(yīng)的模塊,對于每個模塊都有其應(yīng)用程序接口API,在了解每個模塊所要實現(xiàn)的功能及其參數(shù)的內(nèi)容后,調(diào)用該API函數(shù)即可實現(xiàn)語音處理功能。對于常用的SACM_S480和SACM_A2000兩種放音算法則要涉及到語音資源的添加問題,即將所需要的WAV文件按照需要的壓縮比進(jìn)行壓縮,變成資源表形式在程序中調(diào)用。這樣,當(dāng)把錄制好的語音文件經(jīng)過壓縮存入存儲器后,在程序執(zhí)行過程中調(diào)用該語音模塊的API函數(shù)即可實現(xiàn)語音輸出功能。

結(jié)束語

SPCE061A單片機(jī)應(yīng)用于氣敏傳感器測試系統(tǒng)中,并對傳感器測試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計,實現(xiàn)了傳感器測試系統(tǒng)對待測傳感器信號的精確測量,滿足了使用要求。該系統(tǒng)具有測量精度高、速度快、硬件電路簡單等優(yōu)點,克服了原來使用手工測量精度低、速度慢的缺點。同時,采用了與計算機(jī)相連接的方式,操作方便、通用性強、智能程度高,為傳感器測試的自動化奠定了良好的基礎(chǔ),對其它同類測試系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)也有一定的參考價值。

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