基于SPCE061A傳感器測試系統的應用與設計

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串聯在傳感器中，串聯回路施加工作電壓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上的輸出電壓較小；當在待測氣體中時，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。隨著已知氣體濃度不同，負載電壓產生不同變化，傳感器的元件阻值也會產生相應的變化，而根據不同氣體環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使用環境，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關巡回選擇。當充入某種濃度氣體時，被測傳感器的阻值發生相應的變化，引起傳感器負載輸出電壓也發生變化，該電壓信號被采樣保持后，送入單片機系統進行處理。

　　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10位D/A數模轉換通道，這樣節省電路板面積，簡化了硬件電路。使用者只需在軟件編程時加入啟動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，需要進行N次數據采集然后取平均值，即每次采集進來的負載電壓VRL經過A/D轉換后要送給單片機的算術邏輯單元，同N-1次的A/D轉化結果進行取算術平均值運算。把最終結果放到存儲區，等待上位機進行數據分析和判斷。SPCE061A內部自帶兩個10位D/A轉換通道，對于語音功能的實現，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音信號如“開始測量”、“測量結束”等經過該數模轉換通道送到揚聲器。

　　圖1 氣敏傳感器結構原理和測試電路

　　圖2 測試系統

　　表1 9芯RS232接口

　　圖3 主程序框圖

　　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，通過RS-232串行接口向PC機發送數據，同時實現語音數據編碼處理、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，而中斷子程序和語音子程序在此不再贅述。目前RS232是PC與通信工業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。一個完整的RS232接口有22根線，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的電平是無效的，邏輯1規定為負電平，有效負電平的信號狀態稱為傳號(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稱為空號(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，這種分類定義了不同的線路用來發送和接收信號。一般來說，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接口進行數據采集。表1所示為在PC機網絡設備中使用的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開發系統，具有一個良好的人機操作界面，可以隨時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個通道的傳感器在正常空氣中的元件電阻阻值為RO，當注入兩種已知濃度不同的氣體時，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，它能較全面地反映出某一通道的傳感器在設定時間內的輸出特性。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，即傳感器輸出開始穩定。輸出特性參數見圖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。