陳侃松+劉含+張小環(huán)+黃平+盧磊

摘 要：針對半導體型氫氣傳感器的實用化問題，設計了一種基于單片機的氫氣傳感器電路，該電路由傳感探頭、信號調理電路、控制單元、人機交互模塊、報警電路等構成。通過Tina-TkeilKeil軟件進行仿真與調試證明，該電路結構簡單、對氫氣濃度探測范圍大、測精度高，、報警靈敏、顯示直觀，易于實現傳感器的小型化與集成化。

關鍵詞：傳感器；信號調理；阻抗測量；STC89C51單片機

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0032-03

0 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、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 系統分析與總體設計

本系統的整體結構框圖如圖1所示，圖2所示是其系統原理。圖2中的Rx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STC89C51單片機處理后在液晶屏上顯示氫氣濃度值。

圖1 系統整體結構框圖

圖2 系統原理圖

2 信號處理模塊設計與實現

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U1、U2組成第一級差分電路，U3組成第二級差分式電路R3、R4、 RW組成反饋網絡，引入深度電壓串聯負反饋，故具有較高的輸入阻抗。此外，U1、U2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；U4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據與實際值之間的較大誤差，降低了測試精度。由于其數值較小，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設計測量電路，并在LCD屏上直接顯示所測阻值，同時可將測試數據儲存，通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 μΩ～2.999 9 kΩ，高于一般電橋測量。

（1）

（2）

（3）

從上式（3）可知，測量電路輸出電壓U4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A1、A2、A3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 Ω，R3= R4=12 kΩ，Rw=5 kΩ，I=5 μA，最終值約6 mV。

圖4 信號調理電路仿真圖

3 主控制模塊的設計與實現

3.1 硬件電路設計

主控制模塊以STC89C51單片機作為控制單元，實現數據處理、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，則啟動報警電路?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖6所示。

該軟件程序可采用C語言，并在keilKeil內編譯實現，主函數如下：

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

adwr=1；

adrd=0；

a=P1； ； //AD數據讀取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）；

}

}

圖6 程序運行流程圖

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性，并根據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據分析處理，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、運輸、使用等諸多方面。

參 考 文 獻

[1]謝子殿，梁柱.基于氫傳感器的管道泄漏檢測儀電路設計[J].中國儀器儀表，2009（17）：71-74.

[2]孫鑫，余安萍. VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]歐陽越軍，余剛.電阻型氫氣傳感器研究發(fā)展[J].化學傳感器，200，29（2） ：1-7.

[4]鄭劍翔，吳青海.高靈敏度氫氣傳感器的開發(fā)應用[J].福建電腦，2002（9）：46-47.

[5]劉海峰.網絡控制系統的安全與防范技術[J].工業(yè)控制計算機，200，17（9） ：718-722.

[6]劉海峰. HJC-5000型氫氣檢測報警儀的研制[J].低溫與特氣，1993（3）：49-51.

[7]網岡廸夫.OP放大電路設計[M].北京：科學出版社，2004.

摘 要：針對半導體型氫氣傳感器的實用化問題，設計了一種基于單片機的氫氣傳感器電路，該電路由傳感探頭、信號調理電路、控制單元、人機交互模塊、報警電路等構成。通過Tina-TkeilKeil軟件進行仿真與調試證明，該電路結構簡單、對氫氣濃度探測范圍大、測精度高，、報警靈敏、顯示直觀，易于實現傳感器的小型化與集成化。

關鍵詞：傳感器；信號調理；阻抗測量；STC89C51單片機

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0032-03

0 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、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 系統分析與總體設計

本系統的整體結構框圖如圖1所示，圖2所示是其系統原理。圖2中的Rx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STC89C51單片機處理后在液晶屏上顯示氫氣濃度值。

圖1 系統整體結構框圖

圖2 系統原理圖

2 信號處理模塊設計與實現

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U1、U2組成第一級差分電路，U3組成第二級差分式電路R3、R4、 RW組成反饋網絡，引入深度電壓串聯負反饋，故具有較高的輸入阻抗。此外，U1、U2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；U4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據與實際值之間的較大誤差，降低了測試精度。由于其數值較小，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設計測量電路，并在LCD屏上直接顯示所測阻值，同時可將測試數據儲存，通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 μΩ～2.999 9 kΩ，高于一般電橋測量。

（1）

（2）

（3）

從上式（3）可知，測量電路輸出電壓U4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A1、A2、A3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 Ω，R3= R4=12 kΩ，Rw=5 kΩ，I=5 μA，最終值約6 mV。

圖4 信號調理電路仿真圖

3 主控制模塊的設計與實現

3.1 硬件電路設計

主控制模塊以STC89C51單片機作為控制單元，實現數據處理、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，則啟動報警電路?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖6所示。

該軟件程序可采用C語言，并在keilKeil內編譯實現，主函數如下：

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

adwr=1；

adrd=0；

a=P1； ； //AD數據讀取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）；

}

}

圖6 程序運行流程圖

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性，并根據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據分析處理，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、運輸、使用等諸多方面。

參 考 文 獻

[1]謝子殿，梁柱.基于氫傳感器的管道泄漏檢測儀電路設計[J].中國儀器儀表，2009（17）：71-74.

[2]孫鑫，余安萍. VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]歐陽越軍，余剛.電阻型氫氣傳感器研究發(fā)展[J].化學傳感器，200，29（2） ：1-7.

[4]鄭劍翔，吳青海.高靈敏度氫氣傳感器的開發(fā)應用[J].福建電腦，2002（9）：46-47.

[5]劉海峰.網絡控制系統的安全與防范技術[J].工業(yè)控制計算機，200，17（9） ：718-722.

[6]劉海峰. HJC-5000型氫氣檢測報警儀的研制[J].低溫與特氣，1993（3）：49-51.

[7]網岡廸夫.OP放大電路設計[M].北京：科學出版社，2004.

摘 要：針對半導體型氫氣傳感器的實用化問題，設計了一種基于單片機的氫氣傳感器電路，該電路由傳感探頭、信號調理電路、控制單元、人機交互模塊、報警電路等構成。通過Tina-TkeilKeil軟件進行仿真與調試證明，該電路結構簡單、對氫氣濃度探測范圍大、測精度高，、報警靈敏、顯示直觀，易于實現傳感器的小型化與集成化。

關鍵詞：傳感器；信號調理；阻抗測量；STC89C51單片機

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0032-03

0 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、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 系統分析與總體設計

本系統的整體結構框圖如圖1所示，圖2所示是其系統原理。圖2中的Rx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STC89C51單片機處理后在液晶屏上顯示氫氣濃度值。

圖1 系統整體結構框圖

圖2 系統原理圖

2 信號處理模塊設計與實現

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U1、U2組成第一級差分電路，U3組成第二級差分式電路R3、R4、 RW組成反饋網絡，引入深度電壓串聯負反饋，故具有較高的輸入阻抗。此外，U1、U2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；U4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據與實際值之間的較大誤差，降低了測試精度。由于其數值較小，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設計測量電路，并在LCD屏上直接顯示所測阻值，同時可將測試數據儲存，通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 μΩ～2.999 9 kΩ，高于一般電橋測量。

（1）

（2）

（3）

從上式（3）可知，測量電路輸出電壓U4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A1、A2、A3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 Ω，R3= R4=12 kΩ，Rw=5 kΩ，I=5 μA，最終值約6 mV。

圖4 信號調理電路仿真圖

3 主控制模塊的設計與實現

3.1 硬件電路設計

主控制模塊以STC89C51單片機作為控制單元，實現數據處理、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，則啟動報警電路。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內編譯實現，主函數如下：

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

adwr=1；

adrd=0；

a=P1； ； //AD數據讀取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）；

}

}

圖6 程序運行流程圖

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性，并根據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據分析處理，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、運輸、使用等諸多方面。

參 考 文 獻

[1]謝子殿，梁柱.基于氫傳感器的管道泄漏檢測儀電路設計[J].中國儀器儀表，2009（17）：71-74.

[2]孫鑫，余安萍. VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]歐陽越軍，余剛.電阻型氫氣傳感器研究發(fā)展[J].化學傳感器，200，29（2） ：1-7.

[4]鄭劍翔，吳青海.高靈敏度氫氣傳感器的開發(fā)應用[J].福建電腦，2002（9）：46-47.

[5]劉海峰.網絡控制系統的安全與防范技術[J].工業(yè)控制計算機，200，17（9） ：718-722.

[6]劉海峰. HJC-5000型氫氣檢測報警儀的研制[J].低溫與特氣，1993（3）：49-51.

[7]網岡廸夫.OP放大電路設計[M].北京：科學出版社，2004.