SPCE061A在傳感器測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

引言

近些年來，氣敏傳感器研究發(fā)展迅速，對(duì)氣敏傳感器的測(cè)試也越來越普遍。傳感器測(cè)試主要是為了檢測(cè)傳感器的指標(biāo)從而判斷該傳感器是否為合格產(chǎn)品，傳感器的性能指標(biāo)一般包括靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，靜態(tài)指標(biāo)的檢測(cè)是必需要進(jìn)行的一道工序。采用傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以解決人工檢測(cè)造成的效率低下、人為造成的誤差及操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等諸多問題。氣敏傳感器在工業(yè)及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是可燃?xì)怏w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(cè)定環(huán)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(bào)警器用來對(duì)空氣中的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)濃度超過指標(biāo)時(shí)，傳感器就會(huì)輸出警告信號(hào)觸發(fā)報(bào)警裝置。傳感器的指標(biāo)檢測(cè)非常重要，因?yàn)橐坏┲笜?biāo)有偏差，那么傳感器將會(huì)在非指定濃度誤報(bào)警，報(bào)警過早和過遲都是不可取的。而語音信號(hào)是信息的又一主要載體，如果在測(cè)量場(chǎng)合能用語音直接報(bào)出結(jié)果，將給操作人員帶來極大方便。為準(zhǔn)確快速大量地對(duì)氣敏傳感器進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)，本文采用SPCE061A單片機(jī)結(jié)合邏輯電路設(shè)計(jì)出一套測(cè)試精度高、速度快、可與計(jì)算機(jī)通信的多通道氣敏傳感器測(cè)試系統(tǒng)。

SPCE061A概述

凌陽科技推出的性價(jià)比很高的16位單片機(jī)SPCE061A，具有易學(xué)易用的效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境(μapos;nsp IDE)。此開發(fā)環(huán)境支持標(biāo)準(zhǔn)C語言，可以實(shí)現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用，并且提供了語音錄放的庫函數(shù)，可方便實(shí)現(xiàn)語音播放、錄制、合成和辨識(shí)等功能。SPCE061A片內(nèi)還集成了一個(gè)ICE（在線仿真電路）接口，使得對(duì)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(jié)合集成開發(fā)環(huán)境(μapos;nsp IDE)用戶可以利用它對(duì)芯片進(jìn)行真實(shí)的仿真，而程序的下載也是通過該接口進(jìn)行下載。它具有兩個(gè)16位通用可編程I/O端口，相當(dāng)于32個(gè)通用I/O口，可以輕易連接并驅(qū)動(dòng)液晶顯示模塊(LCD)，實(shí)現(xiàn)字符和圖形的顯示。

SPCE061A性能特點(diǎn)

• 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(shí)鐘：0.32MHz~49.152MHz；

• 內(nèi)置2K字SRAM；

• 內(nèi)置32K字FLASH；

• 可編程音頻處理；

• 晶體振蕩器；

• 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài)），耗電僅為2μA/3.6V；

• 2個(gè)16位可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器（可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值）；

• 2個(gè)10位DAC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）輸出通道；

• 32位通用可編程輸入/輸出通道；

• 14個(gè)中斷源可來自定時(shí)器A/B、時(shí)基、2個(gè)外部時(shí)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(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；

• 32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；

• 7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；

• 聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器，并具有自動(dòng)增益控制(AGC)功能；

• 具備串行設(shè)備接口；

• 具備低電壓復(fù)位功能和低電壓檢測(cè)功能；

• 內(nèi)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(tǒng)測(cè)試原理

氣敏傳感器主要有半導(dǎo)體式、接觸燃燒方式、化學(xué)反應(yīng)式、光干涉式、熱傳導(dǎo)式、紅外線吸收散式等。而半導(dǎo)體氣敏傳感器應(yīng)用更為廣泛。

氣敏傳感器工作原理

半導(dǎo)體氣敏傳感器由氣敏部分、加熱絲以及防爆網(wǎng)等構(gòu)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(jìn)行控制，例如，對(duì)于ZnO2系列傳感器，若添加Pt，則傳感器對(duì)丙烷與異丁烷有較高的靈敏度；若添加Pd，則對(duì)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(jìn)行測(cè)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(gè)關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜，其結(jié)構(gòu)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(gè)阻值隨外部待測(cè)氣體濃度變化的電阻。由于金屬氧化物有很高的熱穩(wěn)定性，而且這種傳感器僅在半導(dǎo)體表面層產(chǎn)生可逆氧化還原反應(yīng)，半導(dǎo)體內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)不變，因此，長期使用也可獲得較高的穩(wěn)定性。原理簡(jiǎn)介如下：金屬氧化物一旦加熱，空氣中的氧就會(huì)從金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)晶粒子的施主能級(jí)中奪走電子，而在結(jié)晶表面上吸附負(fù)電子，使表面電位增高，從而阻礙導(dǎo)電電子的移動(dòng)，所以，氣敏傳感器在空氣中為恒定的電阻值。這時(shí)還原性氣體與半導(dǎo)體表面吸附的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，由于氣體分子的離吸作用使其表面電位高低發(fā)生變化，因此，傳感器的電阻值要發(fā)生變化。對(duì)于還原性氣體，電阻值減小；對(duì)于氧化性氣體，則電阻值增大。這樣，根據(jù)電阻值的變化就能檢測(cè)氣體的濃度。

系統(tǒng)測(cè)試原理

作為氣體敏感材料的半導(dǎo)體氧化物的氣—電轉(zhuǎn)換機(jī)理是：在不同氣體中，半導(dǎo)體氧化物材料發(fā)生的氧化—還原反應(yīng)不同，從而引起材料電導(dǎo)（電導(dǎo)與電阻互為倒數(shù)）的不同變化，使傳感器分辨出被測(cè)氣體。因此，只要能測(cè)量出已知?dú)怏w中氣體傳感器電導(dǎo)的變化，就可測(cè)量出該氣敏傳感器的性能指標(biāo)。氣敏傳感器的測(cè)試電路如圖1所示，負(fù)載電阻RL串聯(lián)在傳感器中，串聯(lián)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(fù)載電阻RL上的輸出電壓較小；當(dāng)在待測(cè)氣體中時(shí)，傳感器的電阻RO變得較小，則負(fù)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(guān)系如下：

(1)

式中：為VC測(cè)量電壓，一般為5V；VRL為負(fù)載電壓；為RL負(fù)載電阻（已知）；RO為元件的電阻值。隨著已知?dú)怏w濃度不同，負(fù)載電壓產(chǎn)生不同變化，傳感器的元件阻值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，而根據(jù)不同氣體環(huán)境下元件電阻的阻值，就可判斷出該傳感器的指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)值。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

氣敏傳感器測(cè)試系統(tǒng)以測(cè)量傳感器的電阻值為基礎(chǔ)，采用單片機(jī)SPCE061A進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。氣敏傳感器測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，由元件測(cè)試箱和PC微機(jī)兩部分組成。元件測(cè)試箱主要包括了元件箱和單片機(jī)系統(tǒng)兩部分。元件箱的主要作用是模擬氣敏元件的各種現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境，所有被測(cè)傳感器就放置在元件板上，可由單片機(jī)系統(tǒng)中的電子開關(guān)巡回選擇。當(dāng)充入某種濃度氣體時(shí)，被測(cè)傳感器的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，引起傳感器負(fù)載輸出電壓也發(fā)生變化，該電壓信號(hào)被采樣保持后，送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

在單片機(jī)系統(tǒng)中選用SPCE061A單片機(jī)，其內(nèi)部具有7通道10位電壓A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)10位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，這樣節(jié)省電路板面積，簡(jiǎn)化了硬件電路。使用者只需在軟件編程時(shí)加入啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的指令即可完成操作。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行N次數(shù)據(jù)采集然后取平均值，即每次采集進(jìn)來的負(fù)載電壓VRL經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后要送給單片機(jī)的算術(shù)邏輯單元，同N-1次的A/D轉(zhuǎn)化結(jié)果進(jìn)行取算術(shù)平均值運(yùn)算。把最終結(jié)果放到存儲(chǔ)區(qū)，等待上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和判斷。SPCE061A內(nèi)部自帶兩個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換通道，對(duì)于語音功能的實(shí)現(xiàn)，可以利用單片機(jī)內(nèi)部的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，把事先已設(shè)置好的語音信號(hào)如“開始測(cè)量”、“測(cè)量結(jié)束”等經(jīng)過該數(shù)模轉(zhuǎn)換通道送到揚(yáng)聲器。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件包括下位機(jī)的軟件和數(shù)據(jù)分析軟件兩部分。

下位機(jī)的軟件主要完成對(duì)傳感器輸入信號(hào)的采集、存儲(chǔ)以及定時(shí)，通過RS-232串行接口向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)編碼處理、存儲(chǔ)、解碼處理以及D/A轉(zhuǎn)換等功能。下位機(jī)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(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，RS代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)。RS232采取單端通信傳輸方式。一個(gè)完整的RS232接口有22根線，采用標(biāo)準(zhǔn)的25芯插頭座。除此之外，目前廣泛應(yīng)用的還有一種9芯的RS232接口。

RS232標(biāo)準(zhǔn)中定義了邏輯1和邏輯0電壓級(jí)數(shù)，以及標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率和連接器類型。信號(hào)大小在正的和負(fù)的3V~15V之間。RS232規(guī)定接近0的電平是無效的，邏輯1規(guī)定為負(fù)電平，有效負(fù)電平的信號(hào)狀態(tài)稱為傳號(hào)(Marking)，它的功能意義為OFF；邏輯0規(guī)定為正電平，有效正電平的信號(hào)狀態(tài)稱為空號(hào)(Spacing)，它的功能意義為ON。在RS232標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的設(shè)備可以分為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)兩類，這種分類定義了不同的線路用來發(fā)送和接收信號(hào)。一般來說，計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備有DTE連接器，調(diào)制解調(diào)器和打印機(jī)有DCE連接器。本文采用被廣泛使用的9芯RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。表1所示為在PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中使用的9芯RS232接口的信號(hào)和管腳分配。

數(shù)據(jù)分析軟件采用Visual C++6.0開發(fā)系統(tǒng)，具有一個(gè)良好的人機(jī)操作界面，可以隨時(shí)測(cè)量和采集傳感器的任意參數(shù)，并可查看系統(tǒng)任一通道的響應(yīng)曲線以及歷史運(yùn)行記錄。

圖4是本系統(tǒng)的PC機(jī)虛擬儀器中的測(cè)量結(jié)果和數(shù)據(jù)分析窗口，其中顯示出的8個(gè)通道的傳感器在正?？諝庵械脑娮枳柚禐镽O，當(dāng)注入兩種已知濃度不同的氣體時(shí)，元件電阻阻值分別為R1和R2，以此可計(jì)算出它在這兩種情況下的靈敏度。圖5是隨機(jī)抽取的第一通道傳感器的響應(yīng)曲線，它能較全面地反映出某一通道的傳感器在設(shè)定時(shí)間內(nèi)的輸出特性。從圖中可看出，第一通道的被測(cè)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(dá)到穩(wěn)定，即傳感器輸出開始穩(wěn)定。輸出特性參數(shù)見圖5窗口顯示數(shù)據(jù)，可判斷、比較該傳感器的指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)值。

語音功能的實(shí)現(xiàn)

氣敏傳感器測(cè)試系統(tǒng)的語音功能的實(shí)現(xiàn)，主要體現(xiàn)在當(dāng)測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，揚(yáng)聲器中會(huì)發(fā)出語音提示，如“開始測(cè)量”、“開始測(cè)量電阻RO”、“開始測(cè)量電阻R1”、“開始測(cè)量電阻R2”、“開始響應(yīng)曲線繪制”、“復(fù)位”等。當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)播報(bào)：“RO測(cè)量完畢”、“R1測(cè)量完畢”、“R2測(cè)量完畢”等。語音播報(bào)電路如圖6所示。

凌陽SPCE061A單片機(jī)自帶雙通道DAC音頻輸出(DAC1、DAC2為SPCE061A單片機(jī)的(21)(22)腳)，DAC1、DAC2的模擬信號(hào)分別通過插件CON3①③管腳輸出，由于DAC輸出為電流型，所以DAC輸出經(jīng)過SPY0030音頻放大，便可驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)音，這為單片機(jī)的音頻設(shè)計(jì)提供了極大方便，而語音的具體功能主要通過程序來實(shí)現(xiàn)。語音處理大致可以分為A/D轉(zhuǎn)換、編碼處理、存儲(chǔ)、解碼處理以及D/A轉(zhuǎn)換等步驟。SPCE061A的開發(fā)軟件具有一個(gè)SACM-LI庫，可以將A/D、編碼、解碼、存儲(chǔ)、D/A做成相應(yīng)的模塊，對(duì)于每個(gè)模塊都有其應(yīng)用程序接口API，在了解每個(gè)模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能及其參數(shù)的內(nèi)容后，調(diào)用該API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)語音處理功能。對(duì)于常用的SACM_S480和SACM_A2000兩種放音算法則要涉及到語音資源的添加問題，即將所需要的WAV文件按照需要的壓縮比進(jìn)行壓縮，變成資源表形式在程序中調(diào)用。這樣，當(dāng)把錄制好的語音文件經(jīng)過壓縮存入存儲(chǔ)器后，在程序執(zhí)行過程中調(diào)用該語音模塊的API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)語音輸出功能。

結(jié)束語

將SPCE061A單片機(jī)應(yīng)用于氣敏傳感器測(cè)試系統(tǒng)中，并對(duì)傳感器測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了傳感器測(cè)試系統(tǒng)對(duì)待測(cè)傳感器信號(hào)的精確測(cè)量，滿足了使用要求。該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、速度快、硬件電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，克服了原來使用手工測(cè)量精度低、速度慢的缺點(diǎn)。同時(shí)，采用了與計(jì)算機(jī)相連接的方式，操作方便、通用性強(qiáng)、智能程度高，為傳感器測(cè)試的自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)，對(duì)其它同類測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)也有一定的參考價(jià)值。