高精度氣敏傳感器測試系統的研制

1 引言

　　氣敏傳感器在工業及日常生活中有著廣泛的應用，尤其是可燃氣體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氣體濃度進行監控，當濃度超過指標時，傳感器就會輸出警告信號觸發報警裝置。傳感器參數標定的準確度非常重要，因為一旦標定的參數有偏差，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。為準確快速大量的對氣體傳感器的參數進行標定，我們采用80c196單片機結合邏輯電路研制出一套測試精度高，速度快，可與計算機通信的多通道氣體傳感器參數測試系統。

2 硬件電路設計

　　多通道氣體傳感器參數測試儀的硬件電路如圖1所示。采用80c196自帶的A/D轉換器，對標準化的參數電壓進行準確的測量。由于一次性要測量的傳感器數量較大，故設計了通道切換控制電路，以便分時測量。為提高測試人員的安全性，測試儀通過串口與計算機進行遠距離的通信，可以方便的使用計算機遠程操作進行傳感器的測試及測量結果的保存和打印。

　　計算機主要用于控制測試系統以及對數據的分析，整理和保存。測試部分主要包括主控電路和8個輔助電路兩部分。測試部分的基本結構如圖2所示：

　　其中，主控電路包括：80c196擴展電路，串行通信電路，分壓網絡和其它輔助電路。單片機通過串行通信接收計算機的命令然后進行指定的操作：測量傳感器和傳送測量結果。主控電路結構如圖3所示：

　　輔助電路結構如圖4所示，包含開關網絡，用于通道切換。由圖可知，每個4051邏輯開關有8個輸入端，一個輔助電路可以同時連接64個傳感器，故整個系統可一次性測量512個感器的參數，大大提高了測量效率。

　　為了消除數字系統頻譜混疊，濾除高頻噪聲對控制系統的影響，故在數控系統的傳感器信號前端設計了二階低通抗混疊濾波器。抗混疊濾波器采用壓控電壓源二階低通濾波電路如圖5所示，其傳遞函數為：

　　

3 測試系統軟件設計

　　單片機通過串口接收上位機的命令進行指定的操作，其軟件流程如圖6所示：

　　雖然硬件電路已經有抗混疊濾波電路，為了進一步提高測試的準確性，加入了軟件濾波。用雙線性變換法設計IIR數字低通濾波器，系統所需數字濾波器的傳遞函數為：

　　

　　其中用matlab計算得到。

4 上位機軟件設計

　　計算機作為上位機，通過串口給單片機發送命令進行測量和讀數操作。其軟件框圖如圖7所示：

　　界面的設計主要是從使用者的角度來設計的包括以下幾點：

　　1）.界面做到顧名思義，即操作界面上的各個部分的意義明確

　　2）.操作方式通用化，采用大眾化的操作，即通過菜單、工具條和按鈕來實現操作

　　3）.通過禁用控件、菜單等方式禁止非法操作

　　4）.通過鼠標放置時的提示語句來提醒操作人員此項的功能

　　5）.采用大量的對話框來幫助操作人員，提示當前和隨后的工作

　　為達到以上要求，采用VB進行界面的設計，不僅可進行傳感器的快速測量，而且能快速在界面上顯示測量結果，并指示出傳感器是否合格。

　　數據讀取和保存

　　單片機將測量結果保存到自己的存儲區，測量結果暫時存在單片機的外部數據存儲區，A/D轉換值存儲在8000H————-83FFH，共1024個存儲單元，轉換值低8位存在偶數單元，高8位存在奇數單元 。當收到單片機的命令要求傳送結果時，單片機通過串行口將數據傳給計算機。計算機將測量結果進行必要的處理后存儲到數據庫中。

5 系統特點

　　（1）大批量傳感器：

　　可一次性對512個傳感器進行快速準確測量。

　　（2）測量精度：

　　對測量結果影響較大的幾個方面為：A/D轉換器基準參考點電壓的設定，繼電器的接觸電阻和整個系統進行采樣時對采樣電路的影響。

　　80c196的A/D轉換器為10位所以對0——5伏的分辨力為: 0.0049V,則 對0——12伏的分辨力為：0.0049＊12/5= 0.0117V 。

　　4051，分壓網絡以及繼電器的接觸電阻都會對參數電壓VRL造成影響，造成系統誤差，可用實驗的方法進行估計。

　　同時還存在隨機誤差，是不可測量的。

　　通過對測試儀的調試可對測量誤差進行補償，如果軟硬件調試無誤，本測試儀的測量精度可達±2%V。

　　（3）分壓網絡：

　　為提高測量精度，適應更為廣泛的測量范圍，采用繼電器對分壓網絡進行換檔。電路如圖8

　　軟件功能

　　1） 實現對512路傳感器的測試自動化。

　　2） 能夠對單片機的RAM進行檢測

　　3） 能夠清楚顯示測量結果

　　4） 能夠對指定的傳感器進行快速重測

　　5） 能夠保存測試結果

6 結語

　　多通道氣體傳感器測試儀研制完成后經實際使用證明，具有測量精度高，測量速度快，硬件電路簡單，易于拆卸安裝，克服了原來使用手工測量精度低，速度慢的缺點。同時與計算機連接，方便操作，智能程度高，且可實現傳感器的即插即測功能等特點，為傳感器參數測量的自動化奠定了良好的基礎。

　　本文的創新點：開關網絡的設計，信號的抗干擾處理。