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，監督生產過程，檢驗產品質量，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行測試。因此，如何測試氣敏元件是從事氣敏專業工作的人員十分關心的問題。氣敏元件的電參量是隨外界氣體種類和濃度變化而變化的敏感元件，圍繞傳感器參數的自動測量，我們設計了利用單片機89S51的測試系統。
二、氧敏元件性能特點闡述
氣敏元件種類很多，特性各異。電阻型半導體氣敏元件近年來發展較快，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，本身的電阻值發生變化。表示其特異性的參數有靈敏度、選擇性、濃度特性、響應時間、恢復時問、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。因此說，電阻值是氣敏元件的本征參數，電阻型半導體氣敏元件實質是電阻變換器。氣敏元件的特性與工作條件有關，當工作溫度不同時，靈敏度、響應時問、恢復時間也不同，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%，因此實現起來有一定的難度。
三、 系統總體方案
TiO2 氧敏傳感器經加熱，輸出為0~200M的電阻信號，首先經分壓電路（分量程）進行阻壓變換處理再放大，然后通過線性化電路進行非線性誤差補償，送A/D轉換電路進行模數轉換，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，還可以進一步對數據進行軟件誤差補償處理，最后驅動數碼管顯示輸出。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，用繼電器控制實現最多6個量程檔位劃分需要；
A/D轉換部分：根據顯示精度±0.5%的要求，采用12位AD574實現，電路簡單可靠；
驅動顯示部分：采用專用芯片7219驅動數碼管，用6位高精度穩定顯示，根據實際最多可擴展為8位。
1．自動量程轉換電路
由于采用電阻分壓原理來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個檔位來保證測量精度。由于常用自動換檔模擬電子開關CD4051在測量阻值比較高的情況下，產生誤差很大，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關來實現。盡管機械開關轉換速率不如電子開關，但完全可以滿足本課題氣體濃度變換不太劇烈情況下的測量需要。儀器開始工作時啟動默認量程工作，然后單片機采樣數據，檢測量程是否合適，如果不合適則發出控制信號，啟動換檔，直到合適為止。兩量程劃分見表1。

2．A/D轉換電路 (3)
為了滿足高精度測量，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。為了使電路設計簡潔，AD574的2腳接地，這樣數據分時傳送。
3．線性化電路（8）