SPCE061A在傳感器測試系統中的應用與設計

引言

近些年來(lái)，氣敏傳感器研究發(fā)展迅速，對氣敏傳感器的測試也越來(lái)越普遍。傳感器測試主要是為了檢測傳感器的指標從而判斷該傳感器是否為合格產(chǎn)品，傳感器的性能指標一般包括靜態(tài)指標和動(dòng)態(tài)指標，靜態(tài)指標的檢測是必需要進(jìn)行的一道工序。采用傳感器自動(dòng)測試系統可以解決人工檢測造成的效率低下、人為造成的誤差及操作人員勞動(dòng)強度大等諸多問(wèn)題。氣敏傳感器在工業(yè)及日常生活中有著(zhù)廣泛的應用，尤其是可燃氣體傳感器在防火防爆方面起著(zhù)舉足輕重的作用，這類(lèi)傳感器主要用來(lái)測定環(huán)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(lái)對空氣中的可燃氣體濃度進(jìn)行監控，當濃度超過(guò)指標時(shí)，傳感器就會(huì )輸出警告信號觸發(fā)報警裝置。傳感器的指標檢測非常重要，因為一旦指標有偏差，那么傳感器將會(huì )在非指定濃度誤報警，報警過(guò)早和過(guò)遲都是不可取的。而語(yǔ)音信號是信息的又一主要載體，如果在測量場(chǎng)合能用語(yǔ)音直接報出結果，將給操作人員帶來(lái)極大方便。為準確快速大量地對氣敏傳感器進(jìn)行指標檢測，本文采用SPCE061A單片機結合邏輯電路設計出一套測試精度高、速度快、可與計算機通信的多通道氣敏傳感器測試系統。

SPCE061A概述

凌陽(yáng)科技推出的性?xún)r(jià)比很高的16位單片機SPCE061A，具有易學(xué)易用的效率較高的一套指令系統和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(μapos;nsp IDE)。此開(kāi)發(fā)環(huán)境支持標準C語(yǔ)言，可以實(shí)現C語(yǔ)言與凌陽(yáng)匯編語(yǔ)言的互相調用，并且提供了語(yǔ)音錄放的庫函數，可方便實(shí)現語(yǔ)音播放、錄制、合成和辨識等功能。SPCE061A片內還集成了一個(gè)ICE（在線(xiàn)仿真電路）接口，使得對該芯片的編程、仿真都變得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件資源，結合集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(μapos;nsp IDE)用戶(hù)可以利用它對芯片進(jìn)行真實(shí)的仿真，而程序的下載也是通過(guò)該接口進(jìn)行下載。它具有兩個(gè)16位通用可編程I/O端口，相當于32個(gè)通用I/O口，可以輕易連接并驅動(dòng)液晶顯示模塊(LCD)，實(shí)現字符和圖形的顯示。

SPCE061A性能特點(diǎn)

• 16位 微處理器；

• 工作電壓：(CPU)VDD：3.0V~3.6V，

(I/O)VDDH為3.0V~5.5V；

• CPU時(shí)鐘：0.32MHz~49.152MHz；

• 內置2K字SRAM；

• 內置32K字FLASH；

• 可編程音頻處理；

• 晶體振蕩器；

• 系統處于備用狀態(tài)下（時(shí)鐘處于停止狀態(tài)），耗電僅為2μA/3.6V；

• 2個(gè)16位可編程定時(shí)器計數器（可自動(dòng)預置初始計數值）；

• 2個(gè)10位DAC（數/模轉換）輸出通道；

• 32位通用可編程輸入/輸出通道；

• 14個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器A/B、時(shí)基、2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入和鍵喚醒；

• 具備觸鍵喚醒的功能；

• 使用凌陽(yáng)音頻編碼SACM_S480、SACM_A2000可以播放壓縮的語(yǔ)音資源；

• 鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統時(shí)鐘信號；

• 32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；

• 7通道10位電壓模/數轉換器(ADC)和單通道聲音模/數轉換器；

• 聲音模/數轉換器輸入通道內置麥克風(fēng)放大器，并具有自動(dòng)增益控制(AGC)功能；

• 具備串行設備接口；

• 具備低電壓復位功能和低電壓檢測功能；

• 內置在線(xiàn)仿真電路接口；

• 具有Watchdog功能。

氣敏傳感器工作原理和系統測試原理

氣敏傳感器主要有半導體式、接觸燃燒方式、化學(xué)反應式、光干涉式、熱傳導式、紅外線(xiàn)吸收散式等。而半導體氣敏傳感器應用更為廣泛。

氣敏傳感器工作原理

半導體氣敏傳感器由氣敏部分、加熱絲以及防爆網(wǎng)等構成，它是在氣敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金屬氧化物中添加Pt、Pd等敏化劑的傳感器。傳感器的選擇性由添加敏化劑的多少進(jìn)行控制，例如，對于ZnO2系列傳感器，若添加Pt，則傳感器對丙烷與異丁烷有較高的靈敏度；若添加Pd，則對CO與H2比較敏感。

氣敏傳感器以陶瓷管為框架，外覆一層敏感膜的材料，利用膜兩端的鍍金引腳進(jìn)行測量。敏感膜的材料最常用的有金屬氧化物、高分子聚合物材料和膠體敏感膜等。它的兩個(gè)關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜，其結構原理如圖1所示。金電極連接氣敏材料的兩端，使其等效為一個(gè)阻值隨外部待測氣體濃度變化的電阻。由于金屬氧化物有很高的熱穩定性，而且這種傳感器僅在半導體表面層產(chǎn)生可逆氧化還原反應，半導體內部化學(xué)結構不變，因此，長(cháng)期使用也可獲得較高的穩定性。原理簡(jiǎn)介如下：金屬氧化物一旦加熱，空氣中的氧就會(huì )從金屬氧化物半導體結晶粒子的施主能級中奪走電子，而在結晶表面上吸附負電子，使表面電位增高，從而阻礙導電電子的移動(dòng)，所以，氣敏傳感器在空氣中為恒定的電阻值。這時(shí)還原性氣體與半導體表面吸附的氧發(fā)生氧化反應，由于氣體分子的離吸作用使其表面電位高低發(fā)生變化，因此，傳感器的電阻值要發(fā)生變化。對于還原性氣體，電阻值減??；對于氧化性氣體，則電阻值增大。這樣，根據電阻值的變化就能檢測氣體的濃度。

系統測試原理

作為氣體敏感材料的半導體氧化物的氣—電轉換機理是：在不同氣體中，半導體氧化物材料發(fā)生的氧化—還原反應不同，從而引起材料電導（電導與電阻互為倒數）的不同變化，使傳感器分辨出被測氣體。因此，只要能測量出已知氣體中氣體傳感器電導的變化，就可測量出該氣敏傳感器的性能指標。氣敏傳感器的測試電路如圖1所示，負載電阻RL串聯(lián)在傳感器中，串聯(lián)回路施加工作電壓VC，VF為熱絲兩端加熱電壓。在潔凈空氣中，傳感器的電阻RO較大，在負載電阻RL上的輸出電壓較??；當在待測氣體中時(shí)，傳感器的電阻RO變得較小，則負載電阻RL上的輸出電壓較大，其電壓值與VRL器件的電阻值RO之間的關(guān)系如下：

(1)

式中：為VC測量電壓，一般為5V；VRL為負載電壓；為RL負載電阻（已知）；RO為元件的電阻值。隨著(zhù)已知氣體濃度不同，負載電壓產(chǎn)生不同變化，傳感器的元件阻值也會(huì )產(chǎn)生相應的變化，而根據不同氣體環(huán)境下元件電阻的阻值，就可判斷出該傳感器的指標是否符合標準值。

系統硬件設計

氣敏傳感器測試系統以測量傳感器的電阻值為基礎，采用單片機SPCE061A進(jìn)行數據處理。氣敏傳感器測試系統如圖2所示，由元件測試箱和PC微機兩部分組成。元件測試箱主要包括了元件箱和單片機系統兩部分。元件箱的主要作用是模擬氣敏元件的各種現場(chǎng)使用環(huán)境，所有被測傳感器就放置在元件板上，可由單片機系統中的電子開(kāi)關(guān)巡回選擇。當充入某種濃度氣體時(shí)，被測傳感器的阻值發(fā)生相應的變化，引起傳感器負載輸出電壓也發(fā)生變化，該電壓信號被采樣保持后，送入單片機系統進(jìn)行處理。

在單片機系統中選用SPCE061A單片機，其內部具有7通道10位電壓A/D模數轉換器和兩個(gè)10位D/A數模轉換通道，這樣節省電路板面積，簡(jiǎn)化了硬件電路。使用者只需在軟件編程時(shí)加入啟動(dòng)A/D轉換的指令即可完成操作。為了保持數據采集的準確性，需要進(jìn)行N次數據采集然后取平均值，即每次采集進(jìn)來(lái)的負載電壓VRL經(jīng)過(guò)A/D轉換后要送給單片機的算術(shù)邏輯單元，同N-1次的A/D轉化結果進(jìn)行取算術(shù)平均值運算。把最終結果放到存儲區，等待上位機進(jìn)行數據分析和判斷。SPCE061A內部自帶兩個(gè)10位D/A轉換通道，對于語(yǔ)音功能的實(shí)現，可以利用單片機內部的D/A數模轉換器，把事先已設置好的語(yǔ)音信號如“開(kāi)始測量”、“測量結束”等經(jīng)過(guò)該數模轉換通道送到揚聲器。

系統軟件設計

系統的軟件包括下位機的軟件和數據分析軟件兩部分。

下位機的軟件主要完成對傳感器輸入信號的采集、存儲以及定時(shí)，通過(guò)RS-232串行接口向PC機發(fā)送數據，同時(shí)實(shí)現語(yǔ)音數據編碼處理、存儲、解碼處理以及D/A轉換等功能。下位機主程序框圖如圖3所示，而中斷子程序和語(yǔ)音子程序在此不再贅述。目前RS232是PC與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口，RS代表推薦標準，232是標識號。RS232采取單端通信傳輸方式。一個(gè)完整的RS232接口有22根線(xiàn)，采用標準的25芯插頭座。除此之外，目前廣泛應用的還有一種9芯的RS232接口。

RS232標準中定義了邏輯1和邏輯0電壓級數，以及標準的傳輸速率和連接器類(lèi)型。信號大小在正的和負的3V~15V之間。RS232規定接近0的電平是無(wú)效的，邏輯1規定為負電平，有效負電平的信號狀態(tài)稱(chēng)為傳號(Marking)，它的功能意義為OFF；邏輯0規定為正電平，有效正電平的信號狀態(tài)稱(chēng)為空號(Spacing)，它的功能意義為ON。在RS232標準中規定的設備可以分為數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)兩類(lèi)，這種分類(lèi)定義了不同的線(xiàn)路用來(lái)發(fā)送和接收信號。一般來(lái)說(shuō)，計算機和終端設備有DTE連接器，調制解調器和打印機有DCE連接器。本文采用被廣泛使用的9芯RS232接口進(jìn)行數據采集。表1所示為在PC機網(wǎng)絡(luò )設備中使用的9芯RS232接口的信號和管腳分配。

數據分析軟件采用Visual C++6.0開(kāi)發(fā)系統，具有一個(gè)良好的人機操作界面，可以隨時(shí)測量和采集傳感器的任意參數，并可查看系統任一通道的響應曲線(xiàn)以及歷史運行記錄。

圖4是本系統的PC機虛擬儀器中的測量結果和數據分析窗口，其中顯示出的8個(gè)通道的傳感器在正?？諝庵械脑娮枳柚禐镽O，當注入兩種已知濃度不同的氣體時(shí)，元件電阻阻值分別為R1和R2，以此可計算出它在這兩種情況下的靈敏度。圖5是隨機抽取的第一通道傳感器的響應曲線(xiàn)，它能較全面地反映出某一通道的傳感器在設定時(shí)間內的輸出特性。從圖中可看出，第一通道的被測氣敏元件在注入已知濃度氣體的情況下，在1.7s左右阻值達到穩定，即傳感器輸出開(kāi)始穩定。輸出特性參數見(jiàn)圖5窗口顯示數據，可判斷、比較該傳感器的指標是否符合標準值。

語(yǔ)音功能的實(shí)現

氣敏傳感器測試系統的語(yǔ)音功能的實(shí)現，主要體現在當測量傳感器數據的同時(shí)，揚聲器中會(huì )發(fā)出語(yǔ)音提示，如“開(kāi)始測量”、“開(kāi)始測量電阻RO”、“開(kāi)始測量電阻R1”、“開(kāi)始測量電阻R2”、“開(kāi)始響應曲線(xiàn)繪制”、“復位”等。當測量結束后，系統會(huì )播報：“RO測量完畢”、“R1測量完畢”、“R2測量完畢”等。語(yǔ)音播報電路如圖6所示。

凌陽(yáng)SPCE061A單片機自帶雙通道DAC音頻輸出(DAC1、DAC2為SPCE061A單片機的(21)(22)腳)，DAC1、DAC2的模擬信號分別通過(guò)插件CON3①③管腳輸出，由于DAC輸出為電流型，所以DAC輸出經(jīng)過(guò)SPY0030音頻放大，便可驅動(dòng)喇叭發(fā)音，這為單片機的音頻設計提供了極大方便，而語(yǔ)音的具體功能主要通過(guò)程序來(lái)實(shí)現。語(yǔ)音處理大致可以分為A/D轉換、編碼處理、存儲、解碼處理以及D/A轉換等步驟。SPCE061A的開(kāi)發(fā)軟件具有一個(gè)SACM-LI庫，可以將A/D、編碼、解碼、存儲、D/A做成相應的模塊，對于每個(gè)模塊都有其應用程序接口A(yíng)PI，在了解每個(gè)模塊所要實(shí)現的功能及其參數的內容后，調用該API函數即可實(shí)現語(yǔ)音處理功能。對于常用的SACM_S480和SACM_A2000兩種放音算法則要涉及到語(yǔ)音資源的添加問(wèn)題，即將所需要的WAV文件按照需要的壓縮比進(jìn)行壓縮，變成資源表形式在程序中調用。這樣，當把錄制好的語(yǔ)音文件經(jīng)過(guò)壓縮存入存儲器后，在程序執行過(guò)程中調用該語(yǔ)音模塊的API函數即可實(shí)現語(yǔ)音輸出功能。

結束語(yǔ)

將SPCE061A單片機應用于氣敏傳感器測試系統中，并對傳感器測試系統進(jìn)行了設計，實(shí)現了傳感器測試系統對待測傳感器信號的精確測量，滿(mǎn)足了使用要求。該系統具有測量精度高、速度快、硬件電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，克服了原來(lái)使用手工測量精度低、速度慢的缺點(diǎn)。同時(shí)，采用了與計算機相連接的方式，操作方便、通用性強、智能程度高，為傳感器測試的自動(dòng)化奠定了良好的基礎，對其它同類(lèi)測試系統的設計開(kāi)發(fā)也有一定的參考價(jià)值。