SPCE061A傳感器測試系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 SPCE061A傳感器測試系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計 SPCE061A性能特點 16位 微處理器； 工作電壓：(CPU)VDD：3.0V3.6V， (I/O)VDDH為3.0V5.5V； CPU時鐘：0.32MHz49.152MHz； 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?fàn)顟B(tài)），耗電僅為2A/3.6V； 2個16位可編程定時器計數(shù)器（可自動預(yù)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

2、； 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(fēng)放大器，并具有自動增益控制(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(dǎo)體式、接觸燃燒方式、化學(xué)反應(yīng)式、光干預(yù)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

3、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開展控制，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開展測量。敏感膜的材料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(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜，其構(gòu)造原理如圖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

4、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)生可逆氧化復(fù)原反應(yīng)，半導(dǎo)體內(nèi)部化學(xué)構(gòu)造不變，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(dǎo)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(fù)電子，使表面電位增高，從而阻礙導(dǎo)電電子的移動，所以，氣敏傳感器在空氣中為恒定的電阻值。這時復(fù)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。對于復(fù)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(dǎo)體

5、氧化物的氣電轉(zhuǎn)換機理是：在不同氣體中，半導(dǎo)體氧化物材料發(fā)生的氧化復(fù)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氣體。因此，只要能測量出已知氣體中氣體傳感器電導(dǎo)的變化，就可測量出該氣敏傳感器的性能指標(biāo)。氣敏傳感器的測試電路如圖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)在待測氣體中時，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測量電壓，一般為5V；VRL為負(fù)載電壓；

6、為RL負(fù)載電阻（已知）；RO為元件的電阻值。隨著已知氣體濃度不同，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 氣敏傳感器測試系統(tǒng)以測量傳感器的電阻值為根底，采用單片機SPCE061A開展數(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(guān)巡回選擇。當(dāng)充入某種濃度氣體時，被測傳感器的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，引起傳感器負(fù)載輸

7、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)開展處理。 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參加啟動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，需要開展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)換后要送給單片機的算術(shù)邏輯單元，同N-1次的A/D轉(zhuǎn)化結(jié)果開展取算術(shù)平均值運算。把終結(jié)果放到存儲區(qū)，等待上位機開展數(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

8、的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，把事先已設(shè)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。 圖1 氣敏傳感器構(gòu)造原理和測試電路 圖2 測試系統(tǒng) 表1 9芯RS232接口 圖3 主程序框圖 系統(tǒng)軟件設(shè)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(yīng)用廣泛的一種串行接口，RS代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識號。RS232采取單

9、端通信傳輸方式。一個完整的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電壓級數(shù)，以及標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率和連接器類型。信號大小在正的和負(fù)的3V15V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(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。一般來說

10、，計算機和終端設(shè)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接口開展數(shù)據(jù)采集。表1所示為在PC機網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yīng)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(dāng)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是隨機抽取的通道傳感器

11、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)定時間內(nèi)的輸出特性。從圖中可看出，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左右阻值到達(dá)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。 語音功能的實現(xiàn) 圖4 PC機虛擬儀器分析窗口 圖5 響應(yīng)曲線 氣敏傳感器測試系統(tǒng)的語音功能的實現(xiàn)，主要表達(dá)在當(dāng)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(yīng)曲線繪制”、“復(fù)位”等。當(dāng)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

12、完畢”等。語音播報電路如圖6所示。 圖6 語音播報電路 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CON3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(shè)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(yīng)的模塊，對于每個模塊都有其應(yīng)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開展壓縮，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。