貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院　羅　儒　陳進(jìn)軍

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氣敏傳感器信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院羅儒陳進(jìn)軍

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活水平的提高，煤氣、液化石油氣作為家庭燃料迅速普及，它們?nèi)粜孤冻鋈?，輕者引起中毒，重者造成火災(zāi)，甚至爆炸，危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以對氣體的檢測就變得尤為重要?；赟TC12C5A60S2單片機(jī)的氣敏傳感器信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要由氣敏傳感器模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、上位機(jī)程序存儲構(gòu)成，核心部分是STC12C5A60S2系列單片機(jī)。該單片機(jī)主要完成氣敏傳感器信號的采集,對該信號進(jìn)行處理分析，看是否超過某個預(yù)設(shè)值，如果超過則會啟動報(bào)警電路，反之則為正常狀態(tài)，用戶啟動PC機(jī)上氣敏傳感器信號采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件，接收單片機(jī)發(fā)送的不同濃度下的采樣值。

【關(guān)鍵詞】氣敏傳感器；STC12C5A60S2；上位機(jī)

0　引言

天然氣逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫哪茉慈剂?，它給人們生產(chǎn)生活提供方便的同時，它本身是易燃的化學(xué)物品，給天然氣用戶留下了中毒和火災(zāi)，甚至爆炸的隱患，使人們?nèi)松碡?cái)產(chǎn)安全受到極大威脅。我們?nèi)祟惐旧韺@些氣體的濃度定量缺乏判斷能力，所以研制能夠感知并判別氣體的種類和測量氣體濃度的儀器系統(tǒng)就變得尤為必要。本論文擬設(shè)計(jì)氣敏傳感器信號采集系統(tǒng)，能實(shí)時記錄并存儲空氣中的天然氣氣體的濃度，并在濃度超某一臨界值時具有報(bào)警功能，從而給人們的生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來安全保障[1]。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括傳感器模塊、單片機(jī)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、電源模塊及上位機(jī)模塊，如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控制模塊的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)使用STC12C5A60S2單片機(jī)。STC12C5A60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示：

圖2　單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

由傳感器采集回來的模擬信號需要轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識別的數(shù)字信號才能進(jìn)行分析處理，STC12C5A60S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到250KHz。

2.2電源電路設(shè)計(jì)

圖3　電源電路圖

如圖3所示，此設(shè)計(jì)需要有+5V的供電，可以通過7805三端穩(wěn)壓集成電路將+12V的干電池穩(wěn)壓成為+5V的電源。

2.3傳感器模塊設(shè)計(jì)

由于被測氣體是天然氣，天然氣是一種多組分的混合氣態(tài)化石燃料，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。甲烷是其主要成分，根據(jù)系統(tǒng)檢測氣體種類的要求，可選擇半導(dǎo)體氣體傳感器?；诖耍驹O(shè)計(jì)選用MQ-4型氣敏傳感器，這種型號的傳感器具有能在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃?xì)怏w有良好的靈敏度、對甲烷的靈敏度較高、成本低廉、使用壽命長、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[2]。

2.4報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路采用聲音報(bào)警，選用蜂鳴器，當(dāng)濃度值超過預(yù)設(shè)值時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器就以一定的頻率開始發(fā)聲；當(dāng)氣體濃度低于預(yù)設(shè)值時，報(bào)警電路處于截止?fàn)顟B(tài)。如圖4所示：

圖4　報(bào)警電路原理圖

2.5LCD顯示

對于顯示器的選擇，選擇LCD1602液晶顯示器，這種顯示器工作電壓低、體積小、壽命長、制造工藝簡單成本低廉、配置靈活、可靠性高，與單片機(jī)接口方便[3]。

圖5　顯示電路原理圖

2.6上位機(jī)模塊

氣體濃度變化是一個較為緩慢變化的信號，所以本設(shè)計(jì)中取采樣頻率為f=1Hz，則對應(yīng)的采樣周期Ts=1/f=1s，即1s采樣一次。對于數(shù)據(jù)的存儲，采用基于VC++編寫的上位機(jī)程序進(jìn)行存儲，將數(shù)據(jù)存儲在電腦中[4]。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由硬件電路的設(shè)計(jì)可知，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序及聲光報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)[5]。系統(tǒng)流程圖如圖6所示：

圖6　系統(tǒng)程序流程圖

氣體濃度變化是一個較為緩慢變化的信號，本設(shè)計(jì)中取采樣頻率為f=1Hz，1秒采集一次，由上位機(jī)程序在電腦中顯示出來，如圖7所示：

圖7　上位機(jī)顯示圖

4　結(jié)論

本設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，以氣敏傳感器模塊檢測天然氣氣體的濃度，讀入單片機(jī)中，單片機(jī)對檢測到的信號數(shù)據(jù)處理之后進(jìn)行判斷，如果質(zhì)量濃度超過預(yù)定數(shù)值，將發(fā)出聲音報(bào)警，最后再由上位機(jī)程序存儲氣體濃度。

參考文獻(xiàn)

[1]王化祥,張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津大學(xué)出版社,2007.

[2]高國偉.氣敏傳感器[J].傳感器世界,1996(03).

[3]譚永紅,雷躍.基于單片機(jī)的氣敏傳感器測試系統(tǒng)[J].中國科技信息,2007(06).

[4]宋金珂,高麗華,張迎新.VC++程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程[M].清華大學(xué)出版社,2010.

[5]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].電子工業(yè)出版社,2009.

羅儒（1992—），貴州人，貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)碩士研究生，研究方向：傳感器技術(shù)。

陳進(jìn)軍，貴州人，教授，主要研究方向：傳感器技術(shù)。

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