基于89S51的TiO2氧敏傳感器測量電路

一、 前言
研究氣敏機理，分析制備工藝，監督生產(chǎn)過(guò)程，檢驗產(chǎn)品質(zhì)量，以及利用氣敏元件裝各種整機等，都要對氣敏元件的性能參數進(jìn)行測試。因此，如何測試氣敏元件是從事氣敏專(zhuān)業(yè)工作的人員十分關(guān)心的問(wèn)題。氣敏元件的電參量是隨外界氣體種類(lèi)和濃度變化而變化的敏感元件，圍繞傳感器參數的自動(dòng)測量，我們設計了利用單片機89S51的測試系統。
二、氧敏元件性能特點(diǎn)闡述
氣敏元件種類(lèi)很多，特性各異。電阻型半導體氣敏元件近年來(lái)發(fā)展較快，應用較廣，主要用于檢測可燃燒性氣體和有毒性氣體。其工作原理是當接觸某種氣體時(shí)，本身的電阻值發(fā)生變化。表示其特異性的參數有靈敏度、選擇性、濃度特性、響應時(shí)間、恢復時(shí)問(wèn)、加熱特性、溫濕度特性、穩定特性等，這些參數都與氣敏元件電阻值變化的大小和快慢有關(guān)。因此說(shuō)，電阻值是氣敏元件的本征參數，電阻型半導體氣敏元件實(shí)質(zhì)是電阻變換器。氣敏元件的特性與工作條件有關(guān)，當工作溫度不同時(shí)，靈敏度、響應時(shí)問(wèn)、恢復時(shí)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(gè)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定，并應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(shí)現起來(lái)有一定的難度。
三、 系統總體方案
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(guò)線(xiàn)性化電路進(jìn)行非線(xiàn)性誤差補償，送A/D轉換電路進(jìn)行模數轉換，將數據送單片機。單片機根據數值大小判斷是否需要量程切換從而控制換擋，還可以進(jìn)一步對數據進(jìn)行軟件誤差補償處理，最后驅動(dòng)數碼管顯示輸出。其系統總體框圖如圖1所示：

控制核心：采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89S51單片機為控制處理核心，由它完成對數據的采集，處理以及量程控制。它帶有一個(gè)4KB的可編程／可擦除／只讀存儲器；其輸出引腳和指令系統都與MCS-51兼容，并且具有ISP功能；
線(xiàn)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(shí)現放大、阻抗匹配和隔離；
量程轉換部分：采用不同的分壓電阻，用繼電器控制實(shí)現最多6個(gè)量程檔位劃分需要；
A/D轉換部分：根據顯示精度±0.5%的要求，采用12位AD574實(shí)現，電路簡(jiǎn)單可靠；
驅動(dòng)顯示部分：采用專(zhuān)用芯片7219驅動(dòng)數碼管，用6位高精度穩定顯示，根據實(shí)際最多可擴展為8位。
1．自動(dòng)量程轉換電路
由于采用電阻分壓原理來(lái)測量傳感器的的電阻值，為了適合不同傳感器的測量需要，所以本儀器設置了6個(gè)檔位來(lái)保證測量精度。由于常用自動(dòng)換檔模擬電子開(kāi)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械開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。盡管機械開(kāi)關(guān)轉換速率不如電子開(kāi)關(guān)，但完全可以滿(mǎn)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(kāi)始工作時(shí)啟動(dòng)默認量程工作，然后單片機采樣數據，檢測量程是否合適，如果不合適則發(fā)出控制信號，啟動(dòng)換檔，直到合適為止。兩量程劃分見(jiàn)表1。

2．A/D轉換電路 (3)
為了滿(mǎn)足高精度測量，采用了12位快速逐次逼近型A/D轉換器AD574，其最快轉換時(shí)間為25ms，轉換誤差為±1LSB。接成單極性方式，輸入電壓范圍為0~20V。為了使電路設計簡(jiǎn)潔，AD574的2腳接地，這樣數據分時(shí)傳送。
3．線(xiàn)性化電路（8）