基于51單片機的低功耗甲烷檢測系統設計方案

1引言

　　氣體檢測系統表是工礦企業、社會公用事業、環境保護等領域必備的安全裝備。經過幾十年的發展，在可測氣體種類、測量范圍、精度、穩定性、壽命等主要技術指標方面均有明顯提高，隨著大規模集成電路技術的發展，儀表向微型化、多參數組合與智能化方向發展。新型甲烷氣體檢測系統應具有智能化的特點，能在一定其他氣體干擾的情況下工作，可以采用電子鼻。系統的結構，通過模式識別方法辨識甲烷氣體。以小型化的電子鼻系統為基礎的甲烷氣體檢測系統，在設計上應考慮減小系統的體積、簡化氣體的進樣裝置和改進電路以滿足低功耗要求等問題；另外便攜式檢測系統的操作者通常情況下是現場人員，屬于非專業人員，系統的操作不能復雜，因此對于系統的人機交互功能在設計上也應得到重視。

　　傳統的基于金屬氧化物氣體傳感器存在氣體選擇性不高、抗干擾性差的問題，采用單個傳感器的檢測系統在檢測中如果有其它氣體干擾，容易出現相似的響應而出現誤判。本文所討論基于單片機的高靈敏度甲烷檢測系統是以微結構金屬氧化物氣體傳感器陣列為敏感元件，結合模式識別技術進行甲烷氣體檢測的便攜式系統。整個系統由四單元傳感器陣列器件、氣體進樣裝置及高速單片機為核心的信號處理電路組成，具有體積小、準確度高、抗干擾能力強等優良性能。本文要介紹該檢測系統的工作原理和設計，著重于低功耗電路的設計。

　　2 檢測系統基本結構

　　由細導管、微型抽氣泵和小氣室組成的氣體進樣部分，以單片機為核心的控制、信號采集處理電路以及顯示、鍵盤、PC接口電路，還有在PC機上運行的用于人工神經網絡訓練的應用軟件，如圖1所示。檢測系統進行氣體檢測的工作步驟是，單片機控制抽氣泵將待檢測的氣體抽入氣室，同時采集氣體傳感器陣列的響應信號，并進行轉換，儲存在數據存儲器中，然后單片機從保存的數據中提取特征值，由識別網絡進行氣體識別，并將結果輸出到LCD顯示屏幕上。針對便攜式系統的特點，檢測系統設計了具有較小的體積、較低功耗的處理電路。

　　圖1 甲烷檢測系統的組成原理圖

　　低功耗傳感器陣列的制備技術: 采用由MEMS工藝制造的微結構金屬氧化物氣體傳感器陣列作為檢測系統的氣體敏感元件。微結構金屬氧化物氣體傳感器陣列的特點在引言中有討論。選用的陣列器件體積小，器件面積3 X 3 mm2，在同一膜片中集成了2X2個傳感器單元，每個單元的工作功耗小于50mW，并用掩模濺射的方法在每個單元鍍上相應的敏感薄膜，各單元膜電阻在一定的工作溫度下能對特定氣體濃度的變化產生程度不同的變化。傳感器單元敏感薄膜的膜電阻變化能迅速的反映氣室中氣體組分和濃度的變化情況，將其轉變為電壓信號后，可由單片機通過A/D電路采集量化為可以進行模式識別的數據。

　　此外由于便攜式系統采用電池供電，對設備各部分電路的功耗要求較嚴格，因而在電路中采用低工作電壓、低功耗的元器件，并且優化設計了電源管理功能，保證在電池供電的情況下能工作較長時間。

　　3檢測系統電路

　　3.1 Cygnal C805lF020單片機介紹

　　圖2 甲烷檢測系統電路框圖

　　內置A/D電路的Cygnal C805lF020是采用8052內核的8位單片機1201，屬于高速混合信號系統級芯片。它能很好的滿足甲烷檢測系統的設計要求，所以系統采用它作為處理控制核心。圖2是檢測系統電路的組成原理框圖。下面就電路的各部分功能在下面展開具體的描述。