收稿日期:2006-04-16 收修改稿日期:2006-05-30基于ARM 的高阻气敏传感器测试电路潘国峰,刘兰普,孙以材,何 平(河北工业大学,天津 300130) 摘要:将ARM7应用到气敏传感器中,利用其强大的数据计算处理能力及控制能力,结合气敏薄膜材料的高阻值特点,设计出了显示气敏元件阻值及其所处气体浓度的测试电路。
该电路以LPC2131实时监测电源电压,自动调整占空比,实现对温度的准确控制,并测量气敏薄膜的电阻。
经气体浓度和元件阻值的校准后,电路可显示被测气体浓度,同时提供一个友好的用户界面,并具备报警功能,实现了智能气敏传感器的测量电路。
完全满足气敏测试需要,电阻的测量精度达到±012%。
关键词:ARM ;高阻测量;气敏传感器中图分类号:TP212.6;TP216 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2006)10-0045-03N e w Testing Circult B ased on ARM for H igh Eesistance G as SensorsPAN G uo 2feng ,LI U Lan 2pu ,S UN Y i 2cai ,HE Ping (H ebei U niversity of T echnology ,Tianjin 300130,China)Abstract :The increasingly popular ARM microprocess or was applied to the testing circuit for gas sens ors.C ombining the powerful data calculation and control capability of ARM with the high resistance characteristic of gas sensitive film ,the microprocess or LPC2131controls instantly power πs v oltage ,the functions of the circuit are controlling the gas sens ors w orking temperatures ,and measuring the re 2sistance of gas sensitivefilm.A fter calibration of relationship between the gas concentration and component resistance ,this circuit not on 2ly can display the gas sens or πs resistance and the tested gasconcentration ,but als o can provide us with a user πs interface very friendly ,it fulfill the needs of gas sens or test perfectly ,the resistance measuement precision is 012%.K ey w ords :ARM ;high resistance test ;gas sens ors 0 引言近些年来,我国的气敏传感器研究发展迅速,对气敏传感器的检测与应用也越来越普遍[1-3]。
文中采用了当前普遍用于工业控制与测量中的具有ARM7内核的LPC2131,成功设计了高阻值气敏传感器测量电路。
ARM7系列为低功耗32位微控制器,最适用于低价位、低功耗和高敏感器件的应用,它具有嵌入式在线仿真调试逻辑,非常低的功耗,能提供0.9MIPS/MH z 的3级流水线和冯・诺依曼结构。
用带ARM7核的微处理器为核心构成的系统,可以大大简化主机电路和外围电路的设计,真正做到根据仪器、仪表的功能需求进行配置、裁剪、扩充和移植,以实现强实时和高可靠性[4]。
1 气敏传感器的工作原理气敏传感器以陶瓷管为框架,外覆一层敏感膜的材料,利用膜两端的镀金引脚进行测量。
敏感膜的材料最常用的有金属氧化物、高分子聚合物材料和胶体敏感膜等。
它的两个关键部分是加热电阻和气体敏感膜,其结构原理如图1所示。
金电极连接气敏材料的两端,使其等效为一个阻值随外部待测气体浓度变化的电阻。
当待测气体的浓度发生变化时,电阻阻值也相应发生变化[6],该电路即以测量气敏传感器的电阻值为基础,通过中心处理单元———带有ARM7内核的LPC2131,进行数据处理、误差补偿,经校准气体的浓度和元件的阻值后,间接得到气体的浓度值,将其输出到显示电路进行显示。
图1 气敏传感器结构原理2 系统设计2.1 系统总体设计系统共分为6个部分:电源电路、加热电路、传感器信号采集电路、中心处理电路、显示电路、电压转换电路。
总体电路框图如图2所示。
图2 系统原理框图2.2 电源电路该系统为9V 单电源供电,但由于系统内各芯片工作电压及对电源稳定性的要求不同,所以电源部分由几部分构成:(1)微控制器的工作电压为313V ,采用的AS1117进行电 2006年 第10期仪表技术与传感器Instrument T echnique and Sens or N o 110 压变换,此芯片适宜低压差工作(112V ),输出电流大(800mA ),发热量小,外围电路简单,只需要在输入输出分别加一个10μF 电解电容。
(2)微控制器内的A/D 参考电压和被测电阻两端所加的电压要求稳定高,否则将严重影响测量的精确度,采用了带有温度补偿精度为0105%的M AX 6175,M AX 6177能够分别提供5V 和313V 电压。
(3)运算放大器LF353的负电源使用MC34063进行变换,输出电压的计算方法为:U out =1125(1+R 3/R 2)。
系统中电压转换电路有着重要作用。
其中,供微控制器使用的电源电路见图3。
图3 微控制器使用的电源电路2.3 加热电路采用了LPC2131中的PW M 功能,免去了D/A 转换电路,简化电路形式,节约开发成本。
PW M (Pluse Width M odulation )控制技术是利用电力电子开关器件的导通和关断作用把输入的直流电变成输出脉冲列,并通过控制脉冲宽度或周期来达到变压、变流或变频的目的。
基于ARM 的软件实现方法,主要是利用其内部提供的定时器,通过改变定时器的定时初值获得不同的脉冲持续时间,如果把系统的控制信号和定时器的定时初值线性对应起来,就可获得对脉宽可调制的PW M 信号。
利用PW M 占空比调节加热电压,使气敏元件获得不同的加热温度,以满足在不同测试条件下,气敏元件的灵敏度的要求。
其电路原理如图4所示。
图4 加热电路原理图2.4 气敏传感器信号采集电路信号采集电路原理如图5所示。
气敏传感器信号采集电路采用传统的电阻分压形式[7-8],图中R s 表示气敏传感器电阻,R 1为参考电阻,可根据需要设置N 种量程以便自动换档。
两端所加测量电压为V c ,一般情况下V c 为5V.根据欧姆定律,当V R 1输出为高阻时,R 1上的分压V R 1为R 1V c /(R 1+R s )。
因为电路中R s 与R 1的阻值均为高阻(其中反应溅射的SnO 2气敏薄膜一般阻值范围R s 为4～150MΩ,而溅射的T iO 2等气敏薄膜的阻值R s 则在20～400MΩ之间),故而分压电路后要有电压跟随电路,以保证V R 1不随负载而改变。
选用C M OS 器件的LM353双极型运算放大器,其输入电阻可以达到可达1012Ω,能够有效的隔离前后电路,使测量电路不受后面电路的影响。
因此便有V in =V R 1,实验测得的R s /R 1和V R 1/V C 的关系如图6所示。
图5 气敏传感器信号采集电路图6 R S /R 1和V R 1/V C 的关系 R s /R 1为110时,V R 1/V C 的斜率最大。
在这一点上,可获得探测气体浓度下的最佳信号分辨率。
因此,推荐使用使检测浓度下的R s /R 1值为110的R 1,由于气敏元件在使用过程中阻值会不断变化,要实现这一点可以通过量程转换来实现。
但常用自动换档模拟电子开关C D4051的漏电流较大,在测量高阻值时下,产生误差会很大,因此改用继电器机械开关予以实现。
尽管机械开关转换速率不如电子开关,但完全可以满足气体浓度变换不太剧烈情况下的测量需要。
仪器开始工作时,会启动默认量程工作,然后采集数据,检测量程是否合适。
如果不合适则发出控制信号,启动换档,直到合适为止。
所能测量的最高电阻值可达900M Ω,电阻的测量精度达到±012%。
2.5 中心处理单元在数据处理单元当中,利用具有ARM7内核的LPC2131取代传统的51单片机,其优点在于:LPC2131是基于一个支持实时仿真的32位ARM7T DMI -S T M CPU 的微控制器,带有32K B 嵌入的高速Flash 存储器,128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。
较小的封装和极低的功耗使LPC2131可理想的应用于小型设备中,2个32位定时器、1个10位8路ADC ,6个PW M 通道和多达47个G PI O 以及多达9个边沿或电平触发的外部中断,使其特别适用于工业控制。
LPC2131将测量电路的输出接入其A/D 转换的引脚,进行10位A/D 转换,所需测量的模拟量为2路:一路测量电源电压,因为在实际测量中,电源电压会随着使用时间逐渐减小,为保证加热电压不受其影响,应实时监测电源电压,自动调整占空比,保证一定的加热电压;另一路测量气敏传感器测量电路中的分压,转换为电阻,并利用气敏传感器电阻与气体浓度之间的标准曲线经转换后,将所测气体的浓度输出到显示电路中。
同时其G PI O 要留出足够的引脚用来与显示电路进行并行连接,以及中断处理,人机联系按键,量程控制引脚等等。
2.6 显示电路在该设备中显示部分可采用两种不同方式:(1)采用LC D1602,此方式可显示的内容较少,显示所测传感器的电阻、所在气体浓度以及加热电压,其优点在于体积小、可携带性强,能够用于手持设备中;(2)采用上位机显示多种数值,由LPC2131串行口传送到上位机,利用E ASY ARM 软件进行多数值显示。
采用LC D 显示时,可采用LPC2131的G PI O 直接相连,即并行输出,同时也可以采用I2C 接口进行串口输出。
LC D1602与LPC2131的并行接 46 Instrument T echnique and Sens orOct 12006 口如图7所示。
