基于單片機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，已被廣泛應用 于金屬焊接、半導體制造、食品工業(yè)、化工生產(chǎn)、軍事、航 空航天和能源等領域。然而，氫氣是一種無色無味的可燃性氣 體，當空氣中含量超過4%時遇明火可能發(fā)生劇烈的爆炸。長 期以來，氫氣探測器的可靠性、穩(wěn)定問題已經(jīng)成為是制約氫能 大規(guī)模應用的瓶頸之一。因此，研制在室溫下具有靈敏度高、 響應速度快、選擇性好、穩(wěn)定可靠、成本低廉的氫氣含量檢 測裝置，對于避免或減少氫氣爆炸事故發(fā)生，推動氫能源的 廣泛應用具有重要意義。目前氫氣傳感器主要包括熱傳導型、 催化燃燒型、電化學型及半導體型。熱傳導型和催化燃燒型 傳感器的靈敏度偏低，且對氫氣選擇性不佳；電化學型氫氣 傳感器雖在室溫下具有較高靈敏度和較快響應速度，但其使 用的電解液易縮短了器件的使用壽命短，且價格也比較昂貴； 半導體型傳感器由于具有穩(wěn)定性好、結構簡單、價格便宜、易 于集成等特點，特別適用于還原性氣體的檢測，近年來引起了 廣泛重視。

基于此，本文設計了一種半導體型氫氣傳感器電路。該 裝置通過敏感探頭檢測到一定濃度氫氣后其阻值會發(fā)生改變, 統(tǒng)計并記錄出阻值變化與氫氣濃度之間的關系，通過信號調理 與單片機處理，得到輸出電壓與氫氣濃度間的關系，并顯示其 濃度值。當環(huán)境中氫氣濃度達到危險值時啟用蜂鳴器報警。

1系統(tǒng)分析與總體設計

本系統(tǒng)的整體結構框圖如圖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)生反應后的阻值變化，被測電阻上的壓降通過放大 轉換為0?3 V直流電壓后送入A/D輸入端，經(jīng)STC89C51 單片機處理后在液晶屏上顯示氫氣濃度值。

2信號處理模塊設計與實現(xiàn)

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

該放大器由運U U組成第一級差分電路，U組成第二 級差分式電路R3、R4、Rw組成反饋網(wǎng)絡，引入深度電壓串聯(lián) 負反饋，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U3組成的差 分式電路可互相抵消，因此，該電路也具有較強共模抑制能 力和較小輸出漂壓也是電壓反向跟隨器，以使得前后級隔離。

在電阻測試中常常會由于忽略某些小阻值的影響而造成 測試數(shù)據(jù)與實際值之間的較大誤差，降低了測試精度。由于 其數(shù)值較小，一般的指針萬用表無法測量出來；通常在實驗室 會采用電橋法提高測量精度，但電橋測試繁瑣，不易直接給出被測阻值。鑒于此，本文采用單片機系統(tǒng)設計測量電路， 在LCD屏上直接顯示所測阻值，同時可將測試數(shù)據(jù)儲存， 過串口送入上位機進行再處理。由于采用四端測量法，阻值 不受引線長短及接觸電阻的影響，該電路測量精度達±0.1%, 測量范圍10 nQ?2.999 9 kQ,高于一般電橋測量。

從上式(3)可知，測量電路輸出電壓U與被測電阻Rx 成正比。為保證放大器的分辨率和穩(wěn)定性，集成運放&、&、 』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。被測電阻與測量電路之間采用四 端接線法，恒流源電流IN1輸入,IN2輸出。當被測電阻較小時, 利用特性一致、阻抗相同的四根連接導線，消除導線電阻和 接觸電阻的影響。在電路設計仿真中由于受Tina-TI仿真軟件 庫的限制，采用OPA364代替理想運放，仿真結果仍達到預 期狀態(tài)，圖4所示是其信號調理電路仿真圖。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主控制模塊的設計與實現(xiàn)

3.1硬件電路設計

主控制模塊以STC89C51單片機作為 控制單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、儲存、顯示、下 載、報警等功能，硬件電路包括A/D轉換、 人機交互、監(jiān)測報警、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計

當傳感器檢測到氫氣時，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。通過信號調理電路將該阻值變化轉換 為電壓信號輸入A/D模塊，控制模塊單片機讀取該信號進行 處理，在液晶屏上顯示當前氫氣濃度值，若該濃度值達到允 許上限，貝脂動報警電路。控制程序流程圖如圖6所示。

該軟件程序可采用C語言，并在keilKeil內(nèi)編譯實現(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 寫入（啟動 AD 轉換）

_();

// 一個延時字函數(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 的關系轉換

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 語

本文設計了一種基于單片機的氫氣傳感器電路，分析了信號調理電路輸出電壓與氫氣濃度之間的關聯(lián)性，并根據(jù) Dxp、Multisim、Tina-TI、Keil 等工具對各個模塊電路進行了設計與仿真 ；通過單片機對采集的數(shù)據(jù)分析處理，在液晶屏上顯示氫氣濃度值并在達到設定濃度上限值時報警，實現(xiàn)了監(jiān)測環(huán)境中氫氣含量的目標。該電路易于集成、成本低廉、可靠性高、穩(wěn)定性好，可應用在氣體能源的安全生產(chǎn)、運輸、使用等諸多方面。

20211120_6198cb22a9883__基于單片機的氫氣傳感器電路研究