基于单片机的氢气传感器电路研究

【前言】基于单片机的氢气传感器电路研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。基于此，本文设计了一种半导体型氢气传感器电路。该装置通过敏感探头检测到一定浓度氢气后其阻值会发生改变，统计并记录出阻值变化与氢气浓度之间的关系，通过信号调理与单片机处理，得到输出电压与氢气浓度间的关系，并显示其浓度值。当环境中氢气浓度达到危险值时启...

摘 要：针对半导体型氢气传感器的实用化问题，设计了一种基于单片机的氢气传感器电路，该电路由传感探头、信号调理电路、控制单元、人机交互模块、报警电路等构成。通过Tina-TkeilKeil软件进行仿真与调试证明，该电路结构简单、对氢气浓度探测范围大、测精度高，、报警灵敏、显示直观，易于实现传感器的小型化与集成化。

关键词：传感器；信号调理；阻抗测量；STC89C51单片机

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）04-0032-03

0 引 言

氢气作为理想的可再生替代型清洁能源，已被广泛应用于金属焊接、半导体制造、食品工业、化工生产、军事、航空航天和能源等领域。然而，氢气是一种无色无味的可燃性气体，当空气中含量超过4%时遇明火可能发生剧烈的爆炸。长期以来，氢气探测器的可靠性、稳定问题已经成为是制约氢能大规模应用的瓶颈之一。因此，研制在室温下具有灵敏度高、响应速度快、选择性好、稳定可靠、成本低廉的氢气含量检测装置，对于避免或减少氢气爆炸事故发生，推动氢能源的广泛应用具有重要意义。目前氢气传感器主要包括热传导型、催化燃烧型、电化学型及半导体型。热传导型和催化燃烧型传感器的灵敏度偏低，且对氢气选择性不佳；电化学型氢气传感器虽在室温下具有较高灵敏度和较快响应速度，但其使用的电解液易缩短了器件的使用寿命短，且价格也比较昂贵；半导体型传感器由于具有稳定性好、结构简单、价格便宜、易于集成等特点，特别适用于还原性气体的检测，近年来引起了广泛重视。

基于此，本文设计了一种半导体型氢气传感器电路。该装置通过敏感探头检测到一定浓度氢气后其阻值会发生改变，统计并记录出阻值变化与氢气浓度之间的关系，通过信号调理与单片机处理，得到输出电压与氢气浓度间的关系，并显示其浓度值。当环境中氢气浓度达到危险值时启用蜂鸣器报警。

1 系统分析与总体设计

本系统的整体结构框图如图1所示，图2所示是其系统原理。图2中的Rx为可变电阻，用于模拟敏感探头与不同浓度氢气发生反应后的阻值变化，被测电阻上的压降通过放大转换为0～3 V直流电压后送入A/D输入端，经STC89C51单片机处理后在液晶屏上显示氢气浓度值。

图1 系统整体结构框图

图2 系统原理图

2 信号处理模块设计与实现

信号处理模块主要由电平变换电路、A/D检测电路等构成。电平变换电路使传感器输出满足A/D最大量程要求，提高测量精度；另一方面，为了测量阻值的微小变化，要求放大器的分辨率高、输入阻抗大、线性度好、漂移低、抑制噪声和抗干扰能力强，信号处理模块电路设计如图3所示。

该放大器由运U1、U2组成第一级差分电路，U3组成第二级差分式电路R3、R4、 RW组成反馈网络，引入深度电压串联负反馈，故具有较高的输入阻抗。此外，U1、U2都选同相端作为输入端，其共模输出电压和漂移电压都相经过U3组成的差分式电路可互相抵消，因此，该电路也具有较强共模抑制能力和较小输出漂压；U4是电压反向跟随器，以使得前后级隔离。

在电阻测试中常常会由于忽略某些小阻值的影响而造成测试数据与实际值之间的较大误差，降低了测试精度。由于其数值较小，一般的指针万用表无法测量出来；通常在实验室会采用电桥法提高测量精度，但电桥测试繁琐，不易直接给出被测阻值。鉴于此，本文采用单片机系统设计测量电路，并在LCD屏上直接显示所测阻值，同时可将测试数据储存，通过串口送入上位机进行再处理。由于采用四端测量法，阻值不受引线长短及接触电阻的影响，该电路测量精度达±0.1%，测量范围10 μΩ～2.999 9 kΩ，高于一般电桥测量。

（1）

（2）

（3）

从上式（3）可知，测量电路输出电压U4与被测电阻RX成正比。为保证放大器的分辨率和稳定性，集成运放A1、A2、A3选用高精度、低噪声、低漂移的MAX495，反馈支路均选用高精度、低温度系数的精密电阻，此外还采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪声和干扰。被测电阻与测量电路之间采用四端接线法，恒流源电流IN1输入，IN2输出。当被测电阻较小时，利用特性一致、阻抗相同的四根连接导线，消除导线电阻和接触电阻的影响。在电路设计仿真中由于受Tina-TI仿真软件库的限制，采用OPA364代替理想运放，仿真结果仍达到预期状态，图4所示是其信号调理电路仿真图。该仿果为RX取500 Ω，R3= R4=12 kΩ，Rw=5 kΩ，I=5 μA，最终值约6 mV。

图4 信号调理电路仿真图

3 主控制模块的设计与实现

3.1 硬件电路设计

主控制模块以STC89C51单片机作为控制单元，实现数据处理、储存、显示、下载、报警等功能，硬件电路包括A/D转换、人机交互、监测报警、接口下载等，图5所示是其装置的硬件电路图。

3.2 主芯片及电路的软件设计

当传感器检测到氢气时，其敏感层的电阻值发生改变，且随着氢气浓度的变化而变化。通过信号调理电路将该阻值变化转换为电压信号输入A/D模块，控制模块单片机读取该信号进行处理，在液晶屏上显示当前氢气浓度值，若该浓度值达到允许上限，则启动报警电路。控制程序流程图如图6所示。

该软件程序可采用C语言，并在keilKeil内编译实现，主函数如下：

void ma） // 主程序

{

float R，max，min；

max=125.0；

min=0；

diola=0；

） //主循环程序不断的采样、显示

{

dwr=0； ； //AD写入（启动AD转换）

_（）； //一个延时字函数

adwr=1；

adrd=0；

a=P1； ； //AD数据读取U值

adrd=1；

delay（4）；

R = adval/pow6）； ）； // R和U的关系转换

displayR）； // 输出到显示输出控制引脚。

if （R>max）

{

Playng（0））； // 输出到声音输出控制引脚P2^3，也就是蜂鸣器

}

delay1（200）；

}

}

图6 程序运行流程图

4 结 语

本文设计了一种基于单片机的氢气传感器电路，分析了信号调理电路输出电压与氢气浓度之间的关联性，并根据Dxp、Multisim、Tina-TI、Keil等工具对各个模块电路进行了设计与仿真；通过单片机对采集的数据分析处理，在液晶屏上显示氢气浓度值并在达到设定浓度上限值时报警，实现了监测环境中氢气含量的目标。该电路易于集成、成本低廉、可靠性高、稳定性好，可应用在气体能源的安全生产、运输、使用等诸多方面。

参 考 文 献

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