基于89S51的TiO2氧敏傳感器測(cè)量電路

一、 前言
研究氣敏機(jī)理，分析制備工藝，監(jiān)督生產(chǎn)過(guò)程，檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，以及利用氣敏元件裝各種整機(jī)等，都要對(duì)氣敏元件的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。因此，如何測(cè)試氣敏元件是從事氣敏專業(yè)工作的人員十分關(guān)心的問(wèn)題。氣敏元件的電參量是隨外界氣體種類和濃度變化而變化的敏感元件，圍繞傳感器參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量，我們?cè)O(shè)計(jì)了利用單片機(jī)89S51的測(cè)試系統(tǒng)。
二、氧敏元件性能特點(diǎn)闡述
氣敏元件種類很多，特性各異。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件近年來(lái)發(fā)展較快，應(yīng)用較廣，主要用于檢測(cè)可燃燒性氣體和有毒性氣體。其工作原理是當(dāng)接觸某種氣體時(shí)，本身的電阻值發(fā)生變化。表示其特異性的參數(shù)有靈敏度、選擇性、濃度特性、響應(yīng)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)問(wèn)、加熱特性、溫濕度特性、穩(wěn)定特性等，這些參數(shù)都與氣敏元件電阻值變化的大小和快慢有關(guān)。因此說(shuō)，電阻值是氣敏元件的本征參數(shù)，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件實(shí)質(zhì)是電阻變換器。氣敏元件的特性與工作條件有關(guān)，當(dāng)工作溫度不同時(shí)，靈敏度、響應(yīng)時(shí)問(wèn)、恢復(fù)時(shí)間也不同，甚至選擇性也不一樣。另外工作電壓(氣敏元件各極間的電壓)，工作電流(氣敏元件兩個(gè)極間的電流)對(duì)其特性都有一定的影響。因此，在測(cè)試中要特別注意保持工作條件的相對(duì)穩(wěn)定，并應(yīng)測(cè)出最佳工作條件及在該條件下氣敏元件的特性。
本文中所研究的TiO2 氧敏傳感器阻值即體現(xiàn)了敏感器隨環(huán)境氧氣濃度的密切變化，由于阻值較高（范圍0~200M，一般都在100M左右），而且課題要求阻值測(cè)量精度為±0.5%，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的難度。
三、 系統(tǒng)總體方案
TiO2 氧敏傳感器經(jīng)加熱，輸出為0~200M的電阻信號(hào)，首先經(jīng)分壓電路（分量程）進(jìn)行阻壓變換處理再放大，然后通過(guò)線性化電路進(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償，送A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)送單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)數(shù)值大小判斷是否需要量程切換從而控制換擋，還可以進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件誤差補(bǔ)償處理，最后驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示輸出。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

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•控制核心：采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89S51單片機(jī)為控制處理核心，由它完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集，處理以及量程控制。它帶有一個(gè)4KB的可編程／可擦除／只讀存儲(chǔ)器；其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容，并且具有ISP功能；
•線性化放大電路部分：采用以AD538（8）為核心的處理電路，恒流源供電、高精度運(yùn)放OP77實(shí)現(xiàn)放大、阻抗匹配和隔離；
•量程轉(zhuǎn)換部分：采用不同的分壓電阻，用繼電器控制實(shí)現(xiàn)最多6個(gè)量程檔位劃分需要；
•A/D轉(zhuǎn)換部分：根據(jù)顯示精度±0.5%的要求，采用12位AD574實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單可靠；
•驅(qū)動(dòng)顯示部分：采用專用芯片7219驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，用6位高精度穩(wěn)定顯示，根據(jù)實(shí)際最多可擴(kuò)展為8位。
1．自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路
由于采用電阻分壓原理來(lái)測(cè)量傳感器的的電阻值，為了適合不同傳感器的測(cè)量需要，所以本儀器設(shè)置了6個(gè)檔位來(lái)保證測(cè)量精度。由于常用自動(dòng)換檔模擬電子開(kāi)關(guān)CD4051在測(cè)量阻值比較高的情況下，產(chǎn)生誤差很大，對(duì)于本課題所研究的這種傳感器不適用，因此改用了繼電器機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管機(jī)械開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速率不如電子開(kāi)關(guān)，但完全可以滿足本課題氣體濃度變換不太劇烈情況下的測(cè)量需要。儀器開(kāi)始工作時(shí)啟動(dòng)默認(rèn)量程工作，然后單片機(jī)采樣數(shù)據(jù)，檢測(cè)量程是否合適，如果不合適則發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)換檔，直到合適為止。兩量程劃分見(jiàn)表1。
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2．A/D轉(zhuǎn)換電路 (3)
為了滿足高精度測(cè)量，采用了12位快速逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器AD574，其最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為25ms，轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB。接成單極性方式，輸入電壓范圍為0~20V。為了使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，AD574的2腳接地，這樣數(shù)據(jù)分時(shí)傳送。
3．線性化電路（8）[!--empirenews.page--]
由于氣敏傳感器電阻特性的非線性，為了滿足高精度測(cè)量的要求，有必要加入線性化電路進(jìn)行補(bǔ)償。半導(dǎo)體Ti02是缺氧型氧化物，在氧分壓低的介質(zhì)氣體中由于氧缺位而構(gòu)成電子傳導(dǎo)型半導(dǎo)體。圖3對(duì)應(yīng)于TiO2 氧敏傳感器電阻與氧分壓P的關(guān)系?？杀硎緸椋?00)this.style.width=500;" border="0" />其中：A----常數(shù)；E----導(dǎo)電活化能；k----波爾茲曼常數(shù)；T----溫度；n----敏感材料與氣氛相平衡時(shí)主導(dǎo)缺陷所決定的常數(shù)，在n型半導(dǎo)體中為負(fù)，即電阻隨分壓升高而下降。
線性化電路最重要的集成電路是平方律電路。該電路采用模擬運(yùn)算電路AD538。AD538是美國(guó)ＡＤＩ公司出品的單片實(shí)時(shí)模擬計(jì)算芯片，它能實(shí)時(shí)完成對(duì)數(shù)、指數(shù)、乘方和開(kāi)方等運(yùn)算，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、運(yùn)算速度快，可在高速工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)、航空航天以及國(guó)防領(lǐng)域得到應(yīng)用，它有三個(gè)輸入電壓VX，VY，VZ。其輸出電壓可以按照公式（1）的函數(shù)關(guān)系輸出。由于線性化電路的前級(jí)是比例運(yùn)放電路，其輸出關(guān)系為公式（2），為，這樣TiO2氧敏傳感器的輸出電阻與氧氣濃度之間的非線性關(guān)系經(jīng)過(guò)變換可表示為公式（3），這里設(shè)置m=n-1，就可以得到輸出電壓與氧分壓P之間的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，簡(jiǎn)化為公式（4）。這樣只需要適當(dāng)添加一些外圍元件，其工作系數(shù)m由R23和R30決定，即可實(shí)現(xiàn)。
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線性化電路示于圖4。檢測(cè)氣體時(shí)，用穩(wěn)壓電源5V對(duì)氣敏傳感器進(jìn)行間接加熱，其氣體濃度的等效電阻隨著氣體濃度增加而呈非線性減少。

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在沒(méi)有線性化電路時(shí)，具有接近-1%的非線性誤差；而增加線性化電路后，非線性誤差變?yōu)榇蠹s0.1%~0.2%。
4．MAXIM7219組成的顯示電路
在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)與LED的連接方式有并行和串行方式，并行方式由于占用口線多，不利于系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展，串行方式一般采用74LS164或74LS595，由于它們一個(gè)芯片只能驅(qū)動(dòng)一位LED，要想輸出8位LED顯示，則需要8片集成電路，造成電路復(fù)雜，體積增大。
MAX7219（1）是單片機(jī)和共陰極七段——八位LED 顯示或64 點(diǎn)陣顯示接口的小型串行輸入/輸出芯片，一片就可以驅(qū)動(dòng)8位LED，電路簡(jiǎn)單又節(jié)約口線。片內(nèi)包括BCD 譯碼器、多路掃描控制器、字和位驅(qū)動(dòng)器和8×8 靜態(tài)RAM。外部只需要一個(gè)電阻設(shè)置所有LED 顯示器字段電流。MAX7219 和單片機(jī)只需三根導(dǎo)線連接，每位顯示數(shù)字有一個(gè)地址由微處理器寫入。允許使用者選擇每位是BCD 譯碼或不譯碼。
MAX7219 和單片機(jī)之間有三條引線（DIN、CLK、LOAD），采用16 位數(shù)據(jù)串行移位接收方式。即單片機(jī)將16 位二進(jìn)制數(shù)逐位發(fā)送到DIN 端，在CLK 上升沿到來(lái)前準(zhǔn)備就緒，CLK 的每個(gè)上升沿將一位數(shù)據(jù)移入MAX7219 內(nèi)移位寄存器，當(dāng)16 位數(shù)據(jù)移入完，在LOAD 引腳信號(hào)上升沿將16 位數(shù)據(jù)裝入MAX7219 內(nèi)的相應(yīng)位置，在MAX7219 內(nèi)部硬件動(dòng)態(tài)掃描顯示控制電路作用下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。