高精度气敏传感器测试系统的研制

分类：技术教程日期：2010-01-29 00:00:00 来源：网络转载

1 引言

　　气敏传感器在工业及日常生活中有着广泛的应用，尤其是可燃气体传感器在防火防爆方面起着举足轻重的作用，这类传感器主要用来测定环境中易燃性气体比如氢气，天然气，瓦斯等的浓度，通常制成报警器用来对空气中的可燃气体浓度进行监控，当浓度超过指标时，传感器就会输出警告信号触发报警装置。传感器参数标定的准确度非常重要，因为一旦标定的参数有偏差，那么传感器将会在非指定浓度误报警，报警过早和过迟都是不可取的。为准确快速大量的对气体传感器的参数进行标定，我们采用80c196单片机结合逻辑电路研制出一套测试精度高，速度快，可与计算机通信的多通道气体传感器参数测试系统。

2 硬件电路设计

　　多通道气体传感器参数测试仪的硬件电路如图1所示。采用80c196自带的A/D转换器，对标准化的参数电压进行准确的测量。由于一次性要测量的传感器数量较大，故设计了通道切换控制电路，以便分时测量。为提高测试人员的安全性，测试仪通过串口与计算机进行远距离的通信，可以方便的使用计算机远程操作进行传感器的测试及测量结果的保存和打印。

图1多通道气体传感器参数测试仪硬件原理图

　　计算机主要用于控制测试系统以及对数据的分析，整理和保存。测试部分主要包括主控电路和8个辅助电路两部分。测试部分的基本结构如图2所示：

图2 测试部分电路结构图

　　其中，主控电路包括：80c196扩展电路，串行通信电路，分压网络和其它辅助电路。单片机通过串行通信接收计算机的命令然后进行指定的操作：测量传感器和传送测量结果。主控电路结构如图3所示：

图3 主控电路结构图

　　辅助电路结构如图4所示，包含开关网络，用于通道切换。由图可知，每个4051逻辑开关有8个输入端，一个辅助电路可以同时连接64个传感器，故整个系统可一次性测量512个感器的参数，大大提高了测量效率。

图4 辅助电路原理图

　　为了消除数字系统频谱混叠，滤除高频噪声对控制系统的影响，故在数控系统的传感器信号前端设计了二阶低通抗混叠滤波器。抗混叠滤波器采用压控电压源二阶低通滤波电路如图5所示，其传递函数为：

图5 抗混叠滤波器电路原理图

3 测试系统软件设计

　　单片机通过串口接收上位机的命令进行指定的操作，其软件流程如图6所示：

图6 软件流程图

　　虽然硬件电路已经有抗混叠滤波电路，为了进一步提高测试的准确性，加入了软件滤波。用双线性变换法设计IIR数字低通滤波器，系统所需数字滤波器的传递函数为：

　　其中用matlab计算得到。

4 上位机软件设计

　　计算机作为上位机，通过串口给单片机发送命令进行测量和读数操作。其软件框图如图7所示：

图 7 上位机软件框图

　　界面的设计主要是从使用者的角度来设计的包括以下几点：

　　1）.界面做到顾名思义，即操作界面上的各个部分的意义明确

　　2）.操作方式通用化，采用大众化的操作，即通过菜单、工具条和按钮来实现操作

　　3）.通过禁用控件、菜单等方式禁止非法操作

　　4）.通过鼠标放置时的提示语句来提醒操作人员此项的功能

　　5）.采用大量的对话框来帮助操作人员，提示当前和随后的工作

　　为达到以上要求，采用VB进行界面的设计，不仅可进行传感器的快速测量，而且能快速在界面上显示测量结果，并指示出传感器是否合格。

　　数据读取和保存

　　单片机将测量结果保存到自己的存储区，测量结果暂时存在单片机的外部数据存储区，A/D转换值存储在8000H————-83FFH，共1024个存储单元，转换值低8位存在偶数单元，高8位存在奇数单元。当收到单片机的命令要求传送结果时，单片机通过串行口将数据传给计算机。计算机将测量结果进行必要的处理后存储到数据库中。

5 系统特点

　　（1）大批量传感器：

　　可一次性对512个传感器进行快速准确测量。

　　（2）测量精度：

　　对测量结果影响较大的几个方面为：A/D转换器基准参考点电压的设定，继电器的接触电阻和整个系统进行采样时对采样电路的影响。

　　80c196的A/D转换器为10位所以对0——5伏的分辨力为: 0.0049V,则对0——12伏的分辨力为：0.0049＊12/5= 0.0117V 。

　　4051，分压网络以及继电器的接触电阻都会对参数电压VRL造成影响，造成系统误差，可用实验的方法进行估计。

　　同时还存在随机误差，是不可测量的。

　　通过对测试仪的调试可对测量误差进行补偿，如果软硬件调试无误，本测试仪的测量精度可达±2%V。

　　（3）分压网络：

　　为提高测量精度，适应更为广泛的测量范围，采用继电器对分压网络进行换档。电路如图8