基于單片機(jī)的氫氣傳感器電路研究

陳侃松+劉含+張小環(huán)+黃平+盧磊

摘 要：針對半導(dǎo)體型氫氣傳感器的實用化問題，設(shè)計了一種基于單片機(jī)的氫氣傳感器電路，該電路由傳感探頭、信號調(diào)理電路、控制單元、人機(jī)交互模塊、報警電路等構(gòu)成。通過Tina-TkeilKeil軟件進(jìn)行仿真與調(diào)試證明，該電路結(jié)構(gòu)簡單、對氫氣濃度探測范圍大、測精度高，、報警靈敏、顯示直觀，易于實現(xiàn)傳感器的小型化與集成化。

關(guān)鍵詞：傳感器；信號調(diào)理；阻抗測量；STC89C51單片機(jī)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0032-03

0 引 言

氫氣作為理想的可再生替代型清潔能源，已被廣泛應(yīng)用于金屬焊接、半導(dǎo)體制造、食品工業(yè)、化工生產(chǎn)、軍事、航空航天和能源等領(lǐng)域。然而，氫氣是一種無色無味的可燃性氣體，當(dāng)空氣中含量超過4%時遇明火可能發(fā)生劇烈的爆炸。長期以來，氫氣探測器的可靠性、穩(wěn)定問題已經(jīng)成為是制約氫能大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一。因此，研制在室溫下具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、選擇性好、穩(wěn)定可靠、成本低廉的氫氣含量檢測裝置，對于避免或減少氫氣爆炸事故發(fā)生，推動氫能源的廣泛應(yīng)用具有重要意義。目前氫氣傳感器主要包括熱傳導(dǎo)型、催化燃燒型、電化學(xué)型及半導(dǎo)體型。熱傳導(dǎo)型和催化燃燒型傳感器的靈敏度偏低，且對氫氣選擇性不佳；電化學(xué)型氫氣傳感器雖在室溫下具有較高靈敏度和較快響應(yīng)速度，但其使用的電解液易縮短了器件的使用壽命短，且價格也比較昂貴；半導(dǎo)體型傳感器由于具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、易于集成等特點，特別適用于還原性氣體的檢測，近年來引起了廣泛重視。

基于此，本文設(shè)計了一種半導(dǎo)體型氫氣傳感器電路。該裝置通過敏感探頭檢測到一定濃度氫氣后其阻值會發(fā)生改變，統(tǒng)計并記錄出阻值變化與氫氣濃度之間的關(guān)系，通過信號調(diào)理與單片機(jī)處理，得到輸出電壓與氫氣濃度間的關(guān)系，并顯示其濃度值。當(dāng)環(huán)境中氫氣濃度達(dá)到危險值時啟用蜂鳴器報警。

1 系統(tǒng)分析與總體設(shè)計

本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖2所示是其系統(tǒng)原理。圖2中的Rx為可變電阻，用于模擬敏感探頭與不同濃度氫氣發(fā)生反應(yīng)后的阻值變化，被測電阻上的壓降通過放大轉(zhuǎn)換為0～3 V直流電壓后送入A/D輸入端，經(jīng)STC89C51單片機(jī)處理后在液晶屏上顯示氫氣濃度值。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)原理圖

2 信號處理模塊設(shè)計與實現(xiàn)

信號處理模塊主要由電平變換電路、A/D檢測電路等構(gòu)成。電平變換電路使傳感器輸出滿足A/D最大量程要求，提高測量精度；另一方面，為了測量阻值的微小變化，要求放大器的分辨率高、輸入阻抗大、線性度好、漂移低、抑制噪聲和抗干擾能力強(qiáng)，信號處理模塊電路設(shè)計如圖3所示。

該放大器由運(yùn)U1、U2組成第一級差分電路，U3組成第二級差分式電路R3、R4、 RW組成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故具有較高的輸入阻抗。此外，U1、U2都選同相端作為輸入端，其共模輸出電壓和漂移電壓都相經(jīng)過U3組成的差分式電路可互相抵消，因此，該電路也具有較強(qiáng)共模抑制能力和較小輸出漂壓；U4是電壓反向跟隨器，以使得前后級隔離。

在電阻測試中常常會由于忽略某些小阻值的影響而造成測試數(shù)據(jù)與實際值之間的較大誤差，降低了測試精度。由于其數(shù)值較小，一般的指針萬用表無法測量出來；通常在實驗室會采用電橋法提高測量精度，但電橋測試繁瑣，不易直接給出被測阻值。鑒于此，本文采用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計測量電路，并在LCD屏上直接顯示所測阻值，同時可將測試數(shù)據(jù)儲存，通過串口送入上位機(jī)進(jìn)行再處理。由于采用四端測量法，阻值不受引線長短及接觸電阻的影響，該電路測量精度達(dá)±0.1%，測量范圍10 μΩ～2.999 9 kΩ，高于一般電橋測量。

（1）

（2）

（3）

從上式（3）可知，測量電路輸出電壓U4與被測電阻RX成正比。為保證放大器的分辨率和穩(wěn)定性，集成運(yùn)放A1、A2、A3選用高精度、低噪聲、低漂移的MAX495，反饋支路均選用高精度、低溫度系數(shù)的精密電阻，此外還采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪聲和干擾。被測電阻與測量電路之間采用四端接線法，恒流源電流IN1輸入，IN2輸出。當(dāng)被測電阻較小時，利用特性一致、阻抗相同的四根連接導(dǎo)線，消除導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響。在電路設(shè)計仿真中由于受Tina-TI仿真軟件庫的限制，采用OPA364代替理想運(yùn)放，仿真結(jié)果仍達(dá)到預(yù)期狀態(tài)，圖4所示是其信號調(diào)理電路仿真圖。該仿果為RX取500 Ω，R3= R4=12 kΩ，Rw=5 kΩ，I=5 μA，最終值約6 mV。

圖4 信號調(diào)理電路仿真圖

3 主控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件電路設(shè)計

主控制模塊以STC89C51單片機(jī)作為控制單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、儲存、顯示、下載、報警等功能，硬件電路包括A/D轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互、監(jiān)測報警、接口下載等，圖5所示是其裝置的硬件電路圖。

3.2 主芯片及外圍電路的軟件設(shè)計

當(dāng)傳感器檢測到氫氣時，其敏感層的電阻值發(fā)生改變，且隨著氫氣濃度的變化而變化。通過信號調(diào)理電路將該阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入A/D模塊，控制模塊單片機(jī)讀取該信號進(jìn)行處理，在液晶屏上顯示當(dāng)前氫氣濃度值，若該濃度值達(dá)到允許上限，則啟動報警電路。控制程序流程圖如圖6所示。

該軟件程序可采用C語言，并在keilKeil內(nèi)編譯實現(xiàn)，主函數(shù)如下：

void ma） // 主程序

{

float R，max，min；

max=125.0；

min=0；

diola=0；

） //主循環(huán)程序不斷的采樣、顯示

{

dwr=0； ； //AD寫入（啟動AD轉(zhuǎn)換）

_（）； //一個延時字函數(shù)

adwr=1；

adrd=0；

a=P1； ； //AD數(shù)據(jù)讀取U值

adrd=1；

delay（4）；

R = adval/pow6）； ）； // R和U的關(guān)系轉(zhuǎn)換

displayR）； // 輸出到顯示輸出控制引腳。

if （R>max）

{

Playng（0））； // 輸出到聲音輸出控制引腳P2^3，也就是蜂鳴器

}

delay1（200）；

}

}

圖6 程序運(yùn)行流程圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的氫氣傳感器電路，分析了信號調(diào)理電路輸出電壓與氫氣濃度之間的關(guān)聯(lián)性，并根據(jù)Dxp、Multisim、Tina-TI、Keil等工具對各個模塊電路進(jìn)行了設(shè)計與仿真；通過單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)分析處理，在液晶屏上顯示氫氣濃度值并在達(dá)到設(shè)定濃度上限值時報警，實現(xiàn)了監(jiān)測環(huán)境中氫氣含量的目標(biāo)。該電路易于集成、成本低廉、可靠性高、穩(wěn)定性好，可應(yīng)用在氣體能源的安全生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等諸多方面。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]謝子殿，梁柱.基于氫傳感器的管道泄漏檢測儀電路設(shè)計[J].中國儀器儀表，2009（17）：71-74.

[2]孫鑫，余安萍. VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]歐陽越軍，余剛.電阻型氫氣傳感器研究發(fā)展[J].化學(xué)傳感器，200，29（2） ：1-7.

[4]鄭劍翔，吳青海.高靈敏度氫氣傳感器的開發(fā)應(yīng)用[J].福建電腦，2002（9）：46-47.

[5]劉海峰.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的安全與防范技術(shù)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，200，17（9） ：718-722.

[6]劉海峰. HJC-5000型氫氣檢測報警儀的研制[J].低溫與特氣，1993（3）：49-51.

[7]網(wǎng)岡廸夫.OP放大電路設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

摘 要：針對半導(dǎo)體型氫氣傳感器的實用化問題，設(shè)計了一種基于單片機(jī)的氫氣傳感器電路，該電路由傳感探頭、信號調(diào)理電路、控制單元、人機(jī)交互模塊、報警電路等構(gòu)成。通過Tina-TkeilKeil軟件進(jìn)行仿真與調(diào)試證明，該電路結(jié)構(gòu)簡單、對氫氣濃度探測范圍大、測精度高，、報警靈敏、顯示直觀，易于實現(xiàn)傳感器的小型化與集成化。

關(guān)鍵詞：傳感器；信號調(diào)理；阻抗測量；STC89C51單片機(jī)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0032-03

0 引 言

氫氣作為理想的可再生替代型清潔能源，已被廣泛應(yīng)用于金屬焊接、半導(dǎo)體制造、食品工業(yè)、化工生產(chǎn)、軍事、航空航天和能源等領(lǐng)域。然而，氫氣是一種無色無味的可燃性氣體，當(dāng)空氣中含量超過4%時遇明火可能發(fā)生劇烈的爆炸。長期以來，氫氣探測器的可靠性、穩(wěn)定問題已經(jīng)成為是制約氫能大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一。因此，研制在室溫下具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、選擇性好、穩(wěn)定可靠、成本低廉的氫氣含量檢測裝置，對于避免或減少氫氣爆炸事故發(fā)生，推動氫能源的廣泛應(yīng)用具有重要意義。目前氫氣傳感器主要包括熱傳導(dǎo)型、催化燃燒型、電化學(xué)型及半導(dǎo)體型。熱傳導(dǎo)型和催化燃燒型傳感器的靈敏度偏低，且對氫氣選擇性不佳；電化學(xué)型氫氣傳感器雖在室溫下具有較高靈敏度和較快響應(yīng)速度，但其使用的電解液易縮短了器件的使用壽命短，且價格也比較昂貴；半導(dǎo)體型傳感器由于具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、易于集成等特點，特別適用于還原性氣體的檢測，近年來引起了廣泛重視。

基于此，本文設(shè)計了一種半導(dǎo)體型氫氣傳感器電路。該裝置通過敏感探頭檢測到一定濃度氫氣后其阻值會發(fā)生改變，統(tǒng)計并記錄出阻值變化與氫氣濃度之間的關(guān)系，通過信號調(diào)理與單片機(jī)處理，得到輸出電壓與氫氣濃度間的關(guān)系，并顯示其濃度值。當(dāng)環(huán)境中氫氣濃度達(dá)到危險值時啟用蜂鳴器報警。

1 系統(tǒng)分析與總體設(shè)計

本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖2所示是其系統(tǒng)原理。圖2中的Rx為可變電阻，用于模擬敏感探頭與不同濃度氫氣發(fā)生反應(yīng)后的阻值變化，被測電阻上的壓降通過放大轉(zhuǎn)換為0～3 V直流電壓后送入A/D輸入端，經(jīng)STC89C51單片機(jī)處理后在液晶屏上顯示氫氣濃度值。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)原理圖

2 信號處理模塊設(shè)計與實現(xiàn)

信號處理模塊主要由電平變換電路、A/D檢測電路等構(gòu)成。電平變換電路使傳感器輸出滿足A/D最大量程要求，提高測量精度；另一方面，為了測量阻值的微小變化，要求放大器的分辨率高、輸入阻抗大、線性度好、漂移低、抑制噪聲和抗干擾能力強(qiáng)，信號處理模塊電路設(shè)計如圖3所示。

該放大器由運(yùn)U1、U2組成第一級差分電路，U3組成第二級差分式電路R3、R4、 RW組成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故具有較高的輸入阻抗。此外，U1、U2都選同相端作為輸入端，其共模輸出電壓和漂移電壓都相經(jīng)過U3組成的差分式電路可互相抵消，因此，該電路也具有較強(qiáng)共模抑制能力和較小輸出漂壓；U4是電壓反向跟隨器，以使得前后級隔離。

在電阻測試中常常會由于忽略某些小阻值的影響而造成測試數(shù)據(jù)與實際值之間的較大誤差，降低了測試精度。由于其數(shù)值較小，一般的指針萬用表無法測量出來；通常在實驗室會采用電橋法提高測量精度，但電橋測試繁瑣，不易直接給出被測阻值。鑒于此，本文采用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計測量電路，并在LCD屏上直接顯示所測阻值，同時可將測試數(shù)據(jù)儲存，通過串口送入上位機(jī)進(jìn)行再處理。由于采用四端測量法，阻值不受引線長短及接觸電阻的影響，該電路測量精度達(dá)±0.1%，測量范圍10 μΩ～2.999 9 kΩ，高于一般電橋測量。

（1）

（2）

（3）

從上式（3）可知，測量電路輸出電壓U4與被測電阻RX成正比。為保證放大器的分辨率和穩(wěn)定性，集成運(yùn)放A1、A2、A3選用高精度、低噪聲、低漂移的MAX495，反饋支路均選用高精度、低溫度系數(shù)的精密電阻，此外還采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪聲和干擾。被測電阻與測量電路之間采用四端接線法，恒流源電流IN1輸入，IN2輸出。當(dāng)被測電阻較小時，利用特性一致、阻抗相同的四根連接導(dǎo)線，消除導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響。在電路設(shè)計仿真中由于受Tina-TI仿真軟件庫的限制，采用OPA364代替理想運(yùn)放，仿真結(jié)果仍達(dá)到預(yù)期狀態(tài)，圖4所示是其信號調(diào)理電路仿真圖。該仿果為RX取500 Ω，R3= R4=12 kΩ，Rw=5 kΩ，I=5 μA，最終值約6 mV。

圖4 信號調(diào)理電路仿真圖

3 主控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件電路設(shè)計

主控制模塊以STC89C51單片機(jī)作為控制單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、儲存、顯示、下載、報警等功能，硬件電路包括A/D轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互、監(jiān)測報警、接口下載等，圖5所示是其裝置的硬件電路圖。

3.2 主芯片及外圍電路的軟件設(shè)計

當(dāng)傳感器檢測到氫氣時，其敏感層的電阻值發(fā)生改變，且隨著氫氣濃度的變化而變化。通過信號調(diào)理電路將該阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入A/D模塊，控制模塊單片機(jī)讀取該信號進(jìn)行處理，在液晶屏上顯示當(dāng)前氫氣濃度值，若該濃度值達(dá)到允許上限，則啟動報警電路。控制程序流程圖如圖6所示。

該軟件程序可采用C語言，并在keilKeil內(nèi)編譯實現(xiàn)，主函數(shù)如下：

void ma） // 主程序

{

float R，max，min；

max=125.0；

min=0；

diola=0；

） //主循環(huán)程序不斷的采樣、顯示

{

dwr=0； ； //AD寫入（啟動AD轉(zhuǎn)換）

_（）； //一個延時字函數(shù)

adwr=1；

adrd=0；

a=P1； ； //AD數(shù)據(jù)讀取U值

adrd=1；

delay（4）；

R = adval/pow6）； ）； // R和U的關(guān)系轉(zhuǎn)換

displayR）； // 輸出到顯示輸出控制引腳。

if （R>max）

{

Playng（0））； // 輸出到聲音輸出控制引腳P2^3，也就是蜂鳴器

}

delay1（200）；

}

}

圖6 程序運(yùn)行流程圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的氫氣傳感器電路，分析了信號調(diào)理電路輸出電壓與氫氣濃度之間的關(guān)聯(lián)性，并根據(jù)Dxp、Multisim、Tina-TI、Keil等工具對各個模塊電路進(jìn)行了設(shè)計與仿真；通過單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)分析處理，在液晶屏上顯示氫氣濃度值并在達(dá)到設(shè)定濃度上限值時報警，實現(xiàn)了監(jiān)測環(huán)境中氫氣含量的目標(biāo)。該電路易于集成、成本低廉、可靠性高、穩(wěn)定性好，可應(yīng)用在氣體能源的安全生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等諸多方面。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]謝子殿，梁柱.基于氫傳感器的管道泄漏檢測儀電路設(shè)計[J].中國儀器儀表，2009（17）：71-74.

[2]孫鑫，余安萍. VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]歐陽越軍，余剛.電阻型氫氣傳感器研究發(fā)展[J].化學(xué)傳感器，200，29（2） ：1-7.

[4]鄭劍翔，吳青海.高靈敏度氫氣傳感器的開發(fā)應(yīng)用[J].福建電腦，2002（9）：46-47.

[5]劉海峰.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的安全與防范技術(shù)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，200，17（9） ：718-722.

[6]劉海峰. HJC-5000型氫氣檢測報警儀的研制[J].低溫與特氣，1993（3）：49-51.

[7]網(wǎng)岡廸夫.OP放大電路設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

摘 要：針對半導(dǎo)體型氫氣傳感器的實用化問題，設(shè)計了一種基于單片機(jī)的氫氣傳感器電路，該電路由傳感探頭、信號調(diào)理電路、控制單元、人機(jī)交互模塊、報警電路等構(gòu)成。通過Tina-TkeilKeil軟件進(jìn)行仿真與調(diào)試證明，該電路結(jié)構(gòu)簡單、對氫氣濃度探測范圍大、測精度高，、報警靈敏、顯示直觀，易于實現(xiàn)傳感器的小型化與集成化。

關(guān)鍵詞：傳感器；信號調(diào)理；阻抗測量；STC89C51單片機(jī)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0032-03

0 引 言

氫氣作為理想的可再生替代型清潔能源，已被廣泛應(yīng)用于金屬焊接、半導(dǎo)體制造、食品工業(yè)、化工生產(chǎn)、軍事、航空航天和能源等領(lǐng)域。然而，氫氣是一種無色無味的可燃性氣體，當(dāng)空氣中含量超過4%時遇明火可能發(fā)生劇烈的爆炸。長期以來，氫氣探測器的可靠性、穩(wěn)定問題已經(jīng)成為是制約氫能大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一。因此，研制在室溫下具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、選擇性好、穩(wěn)定可靠、成本低廉的氫氣含量檢測裝置，對于避免或減少氫氣爆炸事故發(fā)生，推動氫能源的廣泛應(yīng)用具有重要意義。目前氫氣傳感器主要包括熱傳導(dǎo)型、催化燃燒型、電化學(xué)型及半導(dǎo)體型。熱傳導(dǎo)型和催化燃燒型傳感器的靈敏度偏低，且對氫氣選擇性不佳；電化學(xué)型氫氣傳感器雖在室溫下具有較高靈敏度和較快響應(yīng)速度，但其使用的電解液易縮短了器件的使用壽命短，且價格也比較昂貴；半導(dǎo)體型傳感器由于具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、易于集成等特點，特別適用于還原性氣體的檢測，近年來引起了廣泛重視。

基于此，本文設(shè)計了一種半導(dǎo)體型氫氣傳感器電路。該裝置通過敏感探頭檢測到一定濃度氫氣后其阻值會發(fā)生改變，統(tǒng)計并記錄出阻值變化與氫氣濃度之間的關(guān)系，通過信號調(diào)理與單片機(jī)處理，得到輸出電壓與氫氣濃度間的關(guān)系，并顯示其濃度值。當(dāng)環(huán)境中氫氣濃度達(dá)到危險值時啟用蜂鳴器報警。

1 系統(tǒng)分析與總體設(shè)計

本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖2所示是其系統(tǒng)原理。圖2中的Rx為可變電阻，用于模擬敏感探頭與不同濃度氫氣發(fā)生反應(yīng)后的阻值變化，被測電阻上的壓降通過放大轉(zhuǎn)換為0～3 V直流電壓后送入A/D輸入端，經(jīng)STC89C51單片機(jī)處理后在液晶屏上顯示氫氣濃度值。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)原理圖

2 信號處理模塊設(shè)計與實現(xiàn)

信號處理模塊主要由電平變換電路、A/D檢測電路等構(gòu)成。電平變換電路使傳感器輸出滿足A/D最大量程要求，提高測量精度；另一方面，為了測量阻值的微小變化，要求放大器的分辨率高、輸入阻抗大、線性度好、漂移低、抑制噪聲和抗干擾能力強(qiáng)，信號處理模塊電路設(shè)計如圖3所示。

該放大器由運(yùn)U1、U2組成第一級差分電路，U3組成第二級差分式電路R3、R4、 RW組成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故具有較高的輸入阻抗。此外，U1、U2都選同相端作為輸入端，其共模輸出電壓和漂移電壓都相經(jīng)過U3組成的差分式電路可互相抵消，因此，該電路也具有較強(qiáng)共模抑制能力和較小輸出漂壓；U4是電壓反向跟隨器，以使得前后級隔離。

在電阻測試中常常會由于忽略某些小阻值的影響而造成測試數(shù)據(jù)與實際值之間的較大誤差，降低了測試精度。由于其數(shù)值較小，一般的指針萬用表無法測量出來；通常在實驗室會采用電橋法提高測量精度，但電橋測試繁瑣，不易直接給出被測阻值。鑒于此，本文采用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計測量電路，并在LCD屏上直接顯示所測阻值，同時可將測試數(shù)據(jù)儲存，通過串口送入上位機(jī)進(jìn)行再處理。由于采用四端測量法，阻值不受引線長短及接觸電阻的影響，該電路測量精度達(dá)±0.1%，測量范圍10 μΩ～2.999 9 kΩ，高于一般電橋測量。

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（2）

（3）

從上式（3）可知，測量電路輸出電壓U4與被測電阻RX成正比。為保證放大器的分辨率和穩(wěn)定性，集成運(yùn)放A1、A2、A3選用高精度、低噪聲、低漂移的MAX495，反饋支路均選用高精度、低溫度系數(shù)的精密電阻，此外還采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪聲和干擾。被測電阻與測量電路之間采用四端接線法，恒流源電流IN1輸入，IN2輸出。當(dāng)被測電阻較小時，利用特性一致、阻抗相同的四根連接導(dǎo)線，消除導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響。在電路設(shè)計仿真中由于受Tina-TI仿真軟件庫的限制，采用OPA364代替理想運(yùn)放，仿真結(jié)果仍達(dá)到預(yù)期狀態(tài)，圖4所示是其信號調(diào)理電路仿真圖。該仿果為RX取500 Ω，R3= R4=12 kΩ，Rw=5 kΩ，I=5 μA，最終值約6 mV。

圖4 信號調(diào)理電路仿真圖

3 主控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件電路設(shè)計

主控制模塊以STC89C51單片機(jī)作為控制單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、儲存、顯示、下載、報警等功能，硬件電路包括A/D轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互、監(jiān)測報警、接口下載等，圖5所示是其裝置的硬件電路圖。

3.2 主芯片及外圍電路的軟件設(shè)計

當(dāng)傳感器檢測到氫氣時，其敏感層的電阻值發(fā)生改變，且隨著氫氣濃度的變化而變化。通過信號調(diào)理電路將該阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入A/D模塊，控制模塊單片機(jī)讀取該信號進(jìn)行處理，在液晶屏上顯示當(dāng)前氫氣濃度值，若該濃度值達(dá)到允許上限，則啟動報警電路。控制程序流程圖如圖6所示。

該軟件程序可采用C語言，并在keilKeil內(nèi)編譯實現(xiàn)，主函數(shù)如下：

void ma） // 主程序

{

float R，max，min；

max=125.0；

min=0；

diola=0；

） //主循環(huán)程序不斷的采樣、顯示

{

dwr=0； ； //AD寫入（啟動AD轉(zhuǎn)換）

_（）； //一個延時字函數(shù)

adwr=1；

adrd=0；

a=P1； ； //AD數(shù)據(jù)讀取U值

adrd=1；

delay（4）；

R = adval/pow6）； ）； // R和U的關(guān)系轉(zhuǎn)換

displayR）； // 輸出到顯示輸出控制引腳。

if （R>max）

{

Playng（0））； // 輸出到聲音輸出控制引腳P2^3，也就是蜂鳴器

}

delay1（200）；

}

}

圖6 程序運(yùn)行流程圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的氫氣傳感器電路，分析了信號調(diào)理電路輸出電壓與氫氣濃度之間的關(guān)聯(lián)性，并根據(jù)Dxp、Multisim、Tina-TI、Keil等工具對各個模塊電路進(jìn)行了設(shè)計與仿真；通過單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)分析處理，在液晶屏上顯示氫氣濃度值并在達(dá)到設(shè)定濃度上限值時報警，實現(xiàn)了監(jiān)測環(huán)境中氫氣含量的目標(biāo)。該電路易于集成、成本低廉、可靠性高、穩(wěn)定性好，可應(yīng)用在氣體能源的安全生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等諸多方面。

參 考 文 獻(xiàn)

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