基于SPCE061A傳感器測試系統的應用與設計

　　近些年來，氣敏傳感器研究發展迅速，對氣敏傳感器的測試也越來越普遍。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品，傳感器的性能指標一般包括靜態指標和動態指標，靜態指標的檢測是必需要進行的一道工序。采用傳感器自動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強度大等諸多問題。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，那么傳感器將會在非指定濃度誤報警，報警過早和過遲都是不可取的。而語音信號是信息的又一主要載體，如果在測量場合能用語音直接報出結果，將給操作人員帶來極大方便。為準確快速大量地對氣敏傳感器進行指標檢測，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

　　凌陽科技推出的性價比很高的16位單片機SPCE061A，具有易學易用的效率較高的一套指令系統和集成開發環境(μapos;nsp IDE)。此開發環境支持標準C語言，可以實現C語言與凌陽匯編語言的互相調用，并且提供了語音錄放的庫函數，可方便實現語音播放、錄制、合成和辨識等功能。SPCE061A片內還集成了一個ICE（在線仿真電路）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，結合集成開發環境(μapos;nsp IDE)用戶可以利用它對芯片進行真實的仿真，而程序的下載也是通過該接口進行下載。它具有兩個16位通用可編程I/O端口，相當于32個通用I/O口，可以輕易連接并驅動液晶顯示模塊(LCD)，實現字符和圖形的顯示。

　　SPCE061A性能特點

　　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；

　　系統處于備用狀態下（時鐘處于停止狀態），耗電僅為2μA/3.6V；

　　2個16位可編程定時器計數器（可自動預置初始計數值）；

　　2個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個中斷源可來自定時器A/B、時基、2個外部時鐘源輸入和鍵喚醒；

　　具備觸鍵喚醒的功能；

　　使用凌陽音頻編碼SACM_S480、SACM_A2000可以播放壓縮的語音資源；

　　鎖相環PLL振蕩器提供系統時鐘信號；

　　32768Hz實時時鐘；

　　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放大器，并具有自動增益控制(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、化學反應式、光干涉式、熱傳導式、紅外線吸收散式等。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。它的兩個關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生可逆氧化還原反應，半導體內部化學結構不變，因此，長期使用也可獲得較高的穩定性。原理簡介如下：金屬氧化物一旦加熱，空氣中的氧就會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，所以，氣敏傳感器在空氣中為恒定的電阻值。這時還原性氣體與半導體表面吸附的氧發生氧化反應，由于氣體分子的離吸作用使其表面電位高低發生變化，因此，傳感器的電阻值要發生變化。對于還原性氣體，電阻值減小；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。