氣敏傳感器信號采集系統設計

貴州大學電氣工程學院　羅　儒　陳進軍

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氣敏傳感器信號采集系統設計

貴州大學電氣工程學院羅儒陳進軍

【摘要】隨著科學技術和經濟的高速發展，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，它們若泄露出去，輕者引起中毒，重者造成火災，甚至爆炸，危及人們的生命財產安全，所以對氣體的檢測就變得尤為重要?；赟TC12C5A60S2單片機的氣敏傳感器信號采集系統設計，主要由氣敏傳感器模塊、單片機最小系統、上位機程序存儲構成，核心部分是STC12C5A60S2系列單片機。該單片機主要完成氣敏傳感器信號的采集,對該信號進行處理分析，看是否超過某個預設值，如果超過則會啟動報警電路，反之則為正常狀態，用戶啟動PC機上氣敏傳感器信號采集系統上位機軟件，接收單片機發送的不同濃度下的采樣值。

【關鍵詞】氣敏傳感器；STC12C5A60S2；上位機

0　引言

天然氣逐漸成為人們日常生活中使用的能源燃料，它給人們生產生活提供方便的同時，它本身是易燃的化學物品，給天然氣用戶留下了中毒和火災，甚至爆炸的隱患，使人們人身財產安全受到極大威脅。我們人類本身對這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就變得尤為必要。本論文擬設計氣敏傳感器信號采集系統，能實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警功能，從而給人們的生活和工業生產帶來安全保障[1]。

1　系統總體設計

系統包括傳感器模塊、單片機模塊、顯示模塊、報警模塊、電源模塊及上位機模塊，如圖1所示：

圖1　系統總體設計框圖

2　系統硬件設計

2.1主控制模塊的設計

本次設計使用STC12C5A60S2單片機。STC12C5A60S2系列單片機是STC生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。單片機最小系統如圖2所示：

圖2　單片機最小系統圖

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

2.2電源電路設計

圖3　電源電路圖

如圖3所示，此設計需要有+5V的供電，可以通過7805三端穩壓集成電路將+12V的干電池穩壓成為+5V的電源。

2.3傳感器模塊設計

由于被測氣體是天然氣，天然氣是一種多組分的混合氣態化石燃料，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。甲烷是其主要成分，根據系統檢測氣體種類的要求，可選擇半導體氣體傳感器?；诖?，本設計選用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對可燃氣體有良好的靈敏度、對甲烷的靈敏度較高、成本低廉、使用壽命長、穩定性高等特點[2]。

2.4報警電路設計

報警電路采用聲音報警，選用蜂鳴器，當濃度值超過預設值時，三極管導通，蜂鳴器就以一定的頻率開始發聲；當氣體濃度低于預設值時，報警電路處于截止狀態。如圖4所示：

圖4　報警電路原理圖

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，與單片機接口方便[3]。

圖5　顯示電路原理圖

2.6上位機模塊

氣體濃度變化是一個較為緩慢變化的信號，所以本設計中取采樣頻率為f=1Hz，則對應的采樣周期Ts=1/f=1s，即1s采樣一次。對于數據的存儲，采用基于VC++編寫的上位機程序進行存儲，將數據存儲在電腦中[4]。

3　系統軟件設計

由硬件電路的設計可知，系統的應用軟件設計主要包括初始化程序、A/D轉換子程序、顯示子程序、數據存儲子程序及聲光報警子程序的設計[5]。系統流程圖如圖6所示：

圖6　系統程序流程圖

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

圖7　上位機顯示圖

4　結論

本設計以STC12C5A60S2單片機為核心，以氣敏傳感器模塊檢測天然氣氣體的濃度，讀入單片機中，單片機對檢測到的信號數據處理之后進行判斷，如果質量濃度超過預定數值，將發出聲音報警，最后再由上位機程序存儲氣體濃度。

參考文獻

[1]王化祥,張淑英.傳感器原理及應用[M].天津大學出版社,2007.

[2]高國偉.氣敏傳感器[J].傳感器世界,1996(03).

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

[4]宋金珂,高麗華,張迎新.VC++程序設計基礎教程[M].清華大學出版社,2010.

[5]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].電子工業出版社,2009.

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

陳進軍，貴州人，教授，主要研究方向：傳感器技術。

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