一、 前言
研究氣敏機(jī)理,分析制備工藝,監(jiān)督生產(chǎn)過程,檢驗產(chǎn)品質(zhì)量,以及利用氣敏元件裝各種整機(jī)等,都要對氣敏元件的性能參數(shù)進(jìn)行測試。因此,如何測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)的自動測量,我們設(shè)計了利用單片機(jī)89S51的測試系統(tǒng)。
二、氧敏元件性能特點闡述
氣敏元件種類很多,特性各異。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件近年來發(fā)展較快,應(yīng)用較廣,主要用于檢測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,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)時間、恢復(fù)時問、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,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,靈敏度、響應(yīng)時問、恢復(fù)時間也不同,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(氣敏元件兩個極間的電流)對其特性都有一定的影響。因此,在測試中要特別注意保持工作條件的相對穩(wěn)定,并應(yīng)測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量精度為±0.5%,因此實現(xiàn)起來有一定的難度。
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,首先經(jīng)分壓電路(分量程)進(jìn)行阻壓變換處理再放大,然后通過線性化電路進(jìn)行非線性誤差補償,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)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件誤差補償處理,最后驅(qū)動數(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,由它完成對數(shù)據(jù)的采集,處理以及量程控制。它帶有一個4KB的可編程/可擦除/只讀存儲器;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、高精度運放OP77實現(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,用繼電器控制實現(xiàn)最多6個量程檔位劃分需要;
•A/D轉(zhuǎn)換部分:根據(jù)顯示精度±0.5%的要求,采用12位AD574實現(xiàn),電路簡單可靠;
•驅(qū)動顯示部分:采用專用芯片7219驅(qū)動數(shù)碼管,用6位高精度穩(wěn)定顯示,根據(jù)實際最多可擴(kuò)展為8位。
1.自動量程轉(zhuǎn)換電路
由于采用電阻分壓原理來測量傳感器的的電阻值,為了適合不同傳感器的測量需要,所以本儀器設(shè)置了6個檔位來保證測量精度。由于常用自動換檔模擬電子開關(guān)CD4051在測量阻值比較高的情況下,產(chǎn)生誤差很大,對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)械開關(guān)來實現(xiàn)。盡管機(jī)械開關(guān)轉(zhuǎn)換速率不如電子開關(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量需要。儀器開始工作時啟動默認(rèn)量程工作,然后單片機(jī)采樣數(shù)據(jù),檢測量程是否合適,如果不合適則發(fā)出控制信號,啟動換檔,直到合適為止。兩量程劃分見表1。
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2.A/D轉(zhuǎn)換電路 (3)
為了滿足高精度測量,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)計簡潔,AD574的2腳接地,這樣數(shù)據(jù)分時傳送。
3.線性化電路(8)[!--empirenews.page--]
由于氣敏傳感器電阻特性的非線性,為了滿足高精度測量的要求,有必要加入線性化電路進(jìn)行補償。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。該電路采用模擬運算電路AD538。AD538是美國ADI公司出品的單片實時模擬計算芯片,它能實時完成對數(shù)、指數(shù)、乘方和開方等運算,結(jié)構(gòu)簡單、精度高、運算速度快,可在高速工業(yè)測控系統(tǒng)、航空航天以及國防領(lǐng)域得到應(yīng)用,它有三個輸入電壓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是比例運放電路,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之間的線性對應(yīng)關(guān)系,簡化為公式(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,即可實現(xiàn)。
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線性化電路示于圖4。檢測氣體時,用穩(wěn)壓電源5V對氣敏傳感器進(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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在沒有線性化電路時,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,由于它們一個芯片只能驅(qū)動一位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 點陣顯示接口的小型串行輸入/輸出芯片,一片就可以驅(qū)動8位LED,電路簡單又節(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)動器和8×8 靜態(tài)RAM。外部只需要一個電阻設(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 上升沿到來前準(zhǔn)備就緒,CLK 的每個上升沿將一位數(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)部硬件動態(tài)掃描顯示控制電路作用下實現(xiàn)動態(tài)顯示。