SPCE061A在傳感器測試系統(tǒng)中的應用與設計

引言

近些年來，氣敏傳感器研究發(fā)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(chǎn)品，傳感器的性能指標一般包括靜態(tài)指標和動態(tài)指標，靜態(tài)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(tǒng)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(yè)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(huán)境中易燃性氣體比如氫氣、天然氣、瓦斯等的濃度，通常制成報警器用來對空氣中的可燃氣體濃度進行監(jiān)控，當濃度超過指標時，傳感器就會輸出警告信號觸發(fā)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(jié)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(jié)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(tǒng)。

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(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境(μ'nsp IDE)。此開發(fā)環(huán)境支持標準C語言，可以實現(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)，可方便實現(xiàn)語音播放、錄制、合成和辨識等功能。SPCE061A片內(nèi)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(jié)合集成開發(fā)環(huán)境(μ'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(qū)動液晶顯示模塊(LCD)，實現(xiàn)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(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（時鐘處于停止狀態(tài)），耗電僅為2μA/3.6V；

• 2個16位可編程定時器計數(shù)器（可自動預置初始計數(shù)值）；

• 2個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(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；

• 32768Hz實時時鐘；

• 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(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(wǎng)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(jié)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(wěn)定性，而且這種傳感器僅在半導體表面層產(chǎn)生可逆氧化還原反應，半導體內(nèi)部化學結(jié)構不變，因此，長期使用也可獲得較高的穩(wěn)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(jié)晶粒子的施主能級中奪走電子，而在結(jié)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(fā)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(fā)生變化，因此，傳感器的電阻值要發(fā)生變化。對于還原性氣體，電阻值減??；對于氧化性氣體，則電阻值增大。這樣，根據(jù)電阻值的變化就能檢測氣體的濃度。

系統(tǒng)測試原理

作為氣體敏感材料的半導體氧化物的氣—電轉(zhuǎn)換機理是：在不同氣體中，半導體氧化物材料發(fā)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(shù)）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(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，在負載電阻RL上的輸出電壓較??；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(chǎn)生不同變化，傳感器的元件阻值也會產(chǎn)生相應的變化，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是否符合標準值。

系統(tǒng)硬件設計

氣敏傳感器測試系統(tǒng)以測量傳感器的電阻值為基礎，采用單片機SPCE061A進行數(shù)據(jù)處理。氣敏傳感器測試系統(tǒng)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(tǒng)兩部分。元件箱的主要作用是模擬氣敏元件的各種現(xiàn)場使用環(huán)境，所有被測傳感器就放置在元件板上，可由單片機系統(tǒng)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(fā)生相應的變化，引起傳感器負載輸出電壓也發(fā)生變化，該電壓信號被采樣保持后，送入單片機系統(tǒng)進行處理。

在單片機系統(tǒng)中選用SPCE061A單片機，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10位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，這樣節(jié)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(zhuǎn)換的指令即可完成操作。為了保持數(shù)據(jù)采集的準確性，需要進行N次數(shù)據(jù)采集然后取平均值，即每次采集進來的負載電壓VRL經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后要送給單片機的算術邏輯單元，同N-1次的A/D轉(zhuǎn)化結(jié)果進行取算術平均值運算。把最終結(jié)果放到存儲區(qū)，等待上位機進行數(shù)據(jù)分析和判斷。SPCE061A內(nèi)部自帶兩個10位D/A轉(zhuǎn)換通道，對于語音功能的實現(xiàn)，可以利用單片機內(nèi)部的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，把事先已設置好的語音信號如“開始測量”、“測量結(jié)束”等經(jīng)過該數(shù)模轉(zhuǎn)換通道送到揚聲器。

系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件包括下位機的軟件和數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)編碼處理、存儲、解碼處理以及D/A轉(zhuǎn)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(yè)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(shù)，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(guī)定接近0的電平是無效的，邏輯1規(guī)定為負電平，有效負電平的信號狀態(tài)稱為傳號(Marking)，它的功能意義為OFF；邏輯0規(guī)定為正電平，有效正電平的信號狀態(tài)稱為空號(Spacing)，它的功能意義為ON。在RS232標準中規(guī)定的設備可以分為數(shù)據(jù)終端設備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設備(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。一般來說，計算機和終端設備有DTE連接器，調(diào)制解調(diào)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(shù)據(jù)采集。表1所示為在PC機網(wǎng)絡設備中使用的9芯RS232接口的信號和管腳分配。

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(shù)，并可查看系統(tǒng)任一通道的響應曲線以及歷史運行記錄。

圖4是本系統(tǒng)的PC機虛擬儀器中的測量結(jié)果和數(shù)據(jù)分析窗口，其中顯示出的8個通道的傳感器在正?？諝庵械脑娮枳柚禐镽O，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(nèi)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(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是否符合標準值。

語音功能的實現(xiàn)

氣敏傳感器測試系統(tǒng)的語音功能的實現(xiàn)，主要體現(xiàn)在當測量傳感器數(shù)據(jù)的同時，揚聲器中會發(fā)出語音提示，如“開始測量”、“開始測量電阻RO”、“開始測量電阻R1”、“開始測量電阻R2”、“開始響應曲線繪制”、“復位”等。當測量結(jié)束后，系統(tǒng)會播報：“RO測量完畢”、“R1測量完畢”、“R2測量完畢”等。語音播報電路如圖6所示。

凌陽SPCE061A單片機自帶雙通道DAC音頻輸出(DAC1、DAC2為SPCE061A單片機的(21)(22)腳)，DAC1、DAC2的模擬信號分別通過插件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)動喇叭發(fā)音，這為單片機的音頻設計提供了極大方便，而語音的具體功能主要通過程序來實現(xiàn)。語音處理大致可以分為A/D轉(zhuǎn)換、編碼處理、存儲、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SACM-LI庫，可以將A/D、編碼、解碼、存儲、D/A做成相應的模塊，對于每個模塊都有其應用程序接口API，在了解每個模塊所要實現(xiàn)的功能及其參數(shù)的內(nèi)容后，調(diào)用該API函數(shù)即可實現(xiàn)語音處理功能。對于常用的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行壓縮，變成資源表形式在程序中調(diào)用。這樣，當把錄制好的語音文件經(jīng)過壓縮存入存儲器后，在程序執(zhí)行過程中調(diào)用該語音模塊的API函數(shù)即可實現(xiàn)語音輸出功能。

結(jié)束語

將SPCE061A單片機應用于氣敏傳感器測試系統(tǒng)中，并對傳感器測試系統(tǒng)進行了設計，實現(xiàn)了傳感器測試系統(tǒng)對待測傳感器信號的精確測量，滿足了使用要求。該系統(tǒng)具有測量精度高、速度快、硬件電路簡單等優(yōu)點，克服了原來使用手工測量精度低、速度慢的缺點。同時，采用了與計算機相連接的方式，操作方便、通用性強、智能程度高，為傳感器測試的自動化奠定了良好的基礎，對其它同類測試系統(tǒng)的設計開發(fā)也有一定的參考價值。