基于單片機(jī)的氫氣傳感器電路研究

引言

氫氣作為理想的可再生替代型清潔能源，已被廣泛應(yīng)用 于金屬焊接、半導(dǎo)體制造、食品工業(yè)、化工生產(chǎn)、軍事、航 空航天和能源等領(lǐng)域。然而，氫氣是一種無(wú)色無(wú)味的可燃性氣 體，當(dāng)空氣中含量超過(guò)4%時(shí)遇明火可能發(fā)生劇烈的爆炸。長(zhǎng) 期以來(lái)，氫氣探測(cè)器的可靠性、穩(wěn)定問(wèn)題已經(jīng)成為是制約氫能 大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一。因此，研制在室溫下具有靈敏度高、 響應(yīng)速度快、選擇性好、穩(wěn)定可靠、成本低廉的氫氣含量檢 測(cè)裝置，對(duì)于避免或減少氫氣爆炸事故發(fā)生，推動(dòng)氫能源的 廣泛應(yīng)用具有重要意義。目前氫氣傳感器主要包括熱傳導(dǎo)型、 催化燃燒型、電化學(xué)型及半導(dǎo)體型。熱傳導(dǎo)型和催化燃燒型 傳感器的靈敏度偏低，且對(duì)氫氣選擇性不佳；電化學(xué)型氫氣 傳感器雖在室溫下具有較高靈敏度和較快響應(yīng)速度，但其使 用的電解液易縮短了器件的使用壽命短，且價(jià)格也比較昂貴； 半導(dǎo)體型傳感器由于具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、易 于集成等特點(diǎn)，特別適用于還原性氣體的檢測(cè)，近年來(lái)引起了 廣泛重視。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體型氫氣傳感器電路。該 裝置通過(guò)敏感探頭檢測(cè)到一定濃度氫氣后其阻值會(huì)發(fā)生改變, 統(tǒng)計(jì)并記錄出阻值變化與氫氣濃度之間的關(guān)系，通過(guò)信號(hào)調(diào)理 與單片機(jī)處理，得到輸出電壓與氫氣濃度間的關(guān)系，并顯示其 濃度值。當(dāng)環(huán)境中氫氣濃度達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)啟用蜂鳴器報(bào)警。

1系統(tǒng)分析與總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖2所示是其系統(tǒng) 原理。圖2中的R,為可變電阻，用于模擬敏感探頭與不同濃度氫氣發(fā)生反應(yīng)后的阻值變化，被測(cè)電阻上的壓降通過(guò)放大 轉(zhuǎn)換為0?3 V直流電壓后送入A/D輸入端，經(jīng)STC89C51 單片機(jī)處理后在液晶屏上顯示氫氣濃度值。

2信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

信號(hào)處理模塊主要由電平變換電路、A/D檢測(cè)電路等構(gòu) 成。電平變換電路使傳感器輸出滿(mǎn)足A/D最大量程要求，提 高測(cè)量精度；另一方面，為了測(cè)量阻值的微小變化，要求放大 器的分辨率高、輸入阻抗大、線(xiàn)性度好、漂移低、抑制噪聲 和抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)處理模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

該放大器由運(yùn)U U組成第一級(jí)差分電路，U組成第二 級(jí)差分式電路R3、R4、Rw組成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度電壓串聯(lián) 負(fù)反饋，故具有較高的輸入阻抗。此外，R%都選同相端作 為輸入端，其共模輸出電壓和漂移電壓都相經(jīng)過(guò)U3組成的差 分式電路可互相抵消，因此，該電路也具有較強(qiáng)共模抑制能 力和較小輸出漂壓也是電壓反向跟隨器，以使得前后級(jí)隔離。

在電阻測(cè)試中常常會(huì)由于忽略某些小阻值的影響而造成 測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際值之間的較大誤差，降低了測(cè)試精度。由于 其數(shù)值較小，一般的指針萬(wàn)用表無(wú)法測(cè)量出來(lái)；通常在實(shí)驗(yàn)室 會(huì)采用電橋法提高測(cè)量精度，但電橋測(cè)試繁瑣，不易直接給出被測(cè)阻值。鑒于此，本文采用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)量電路， 在LCD屏上直接顯示所測(cè)阻值，同時(shí)可將測(cè)試數(shù)據(jù)儲(chǔ)存， 過(guò)串口送入上位機(jī)進(jìn)行再處理。由于采用四端測(cè)量法，阻值 不受引線(xiàn)長(zhǎng)短及接觸電阻的影響，該電路測(cè)量精度達(dá)±0.1%, 測(cè)量范圍10 nQ?2.999 9 kQ,高于一般電橋測(cè)量。

從上式(3)可知，測(cè)量電路輸出電壓U與被測(cè)電阻Rx 成正比。為保證放大器的分辨率和穩(wěn)定性，集成運(yùn)放&、&、 』3選用高精度、低噪聲、低漂移的MAX495,反饋支路均選 用高精度、低溫度系數(shù)的精密電阻，此外還采取了一些屏蔽措 施有效地抑制了噪聲和干擾。被測(cè)電阻與測(cè)量電路之間采用四 端接線(xiàn)法，恒流源電流IN1輸入,IN2輸出。當(dāng)被測(cè)電阻較小時(shí), 利用特性一致、阻抗相同的四根連接導(dǎo)線(xiàn)，消除導(dǎo)線(xiàn)電阻和 接觸電阻的影響。在電路設(shè)計(jì)仿真中由于受Tina-TI仿真軟件 庫(kù)的限制，采用OPA364代替理想運(yùn)放，仿真結(jié)果仍達(dá)到預(yù) 期狀態(tài)，圖4所示是其信號(hào)調(diào)理電路仿真圖。該仿果為Rx取 500 Q,R3= R4=12 kQ,Rw=5 kQ,I=5 nA，最終值約 6 mV。

3主控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1硬件電路設(shè)計(jì)

主控制模塊以STC89C51單片機(jī)作為 控制單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、儲(chǔ)存、顯示、下 載、報(bào)警等功能，硬件電路包括A/D轉(zhuǎn)換、 人機(jī)交互、監(jiān)測(cè)報(bào)警、接口下載等，圖5所 示是其裝置的硬件電路圖。

3.2主芯片及外圍電路的軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)傳感器檢測(cè)到氫氣時(shí)，其敏感層的 電阻值發(fā)生改變，且隨著氫氣濃度的變化而 變化。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將該阻值變化轉(zhuǎn)換 為電壓信號(hào)輸入A/D模塊，控制模塊單片機(jī)讀取該信號(hào)進(jìn)行 處理，在液晶屏上顯示當(dāng)前氫氣濃度值，若該濃度值達(dá)到允 許上限，貝脂動(dòng)報(bào)警電路?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖6所示。

該軟件程序可采用C語(yǔ)言，并在keilKeil內(nèi)編譯實(shí)現(xiàn), 主函數(shù)如下：

void ma)

// 主程序

{

float R,max,min;

max=125.0;

min=0;

diola=0;

)

// 主循環(huán)程序不斷的采樣、顯示

{

dwr=0; ; //AD 寫(xiě)入（啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換）

_();

// 一個(gè)延時(shí)字函數(shù)

adwr=1;

adrd=0;

a=P1; ; //AD 數(shù)據(jù)讀取 U 值

adrd=1;

delay(4);

R = adval/pow6); ); // R 和 U 的關(guān)系轉(zhuǎn)換

displayR);

// 輸出到顯示輸出控制引腳。

if (R>max)

{

Playng(0));

// 輸出到聲音輸出控制引腳 P2^3，

也就是蜂鳴器

}

delay1(200);

}

}

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的氫氣傳感器電路，分析了信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓與氫氣濃度之間的關(guān)聯(lián)性，并根據(jù) Dxp、Multisim、Tina-TI、Keil 等工具對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真 ；通過(guò)單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析處理，在液晶屏上顯示氫氣濃度值并在達(dá)到設(shè)定濃度上限值時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)環(huán)境中氫氣含量的目標(biāo)。該電路易于集成、成本低廉、可靠性高、穩(wěn)定性好，可應(yīng)用在氣體能源的安全生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等諸多方面。

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