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气体传感器静态测试系统设计

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 162次



 

摘  要:本文主要设计了一个气体传感器静态测试系统。完成该系统需要设计气体传感器检测电路,将气体传感器在VOC气氛中电导率的变化转换为电压信号,以STM32为主控芯片,利用A/D转换芯片采集待测传感器的检测值并通过串口传输至上位机,再利用液晶屏实时显示待测传感器的电压信号以及其他的辅助信息。最后,利用LabVIEW编写上位机代码,对待测传感器的气敏特性进行分析、显示和保存。本次设计对于气敏材料的研究可以提供有力的工具支持。

关键词:气体传感器;STM32;气敏特性;LabVIEW

中图分类号:          文献标识码:          文章编号:

 

A kind of Static Test System for Gas Sensor

Li Qing    Sun Yanhui

(College of Information & Communication Engineering,Dalian NationalitiesUniversity, 116600,China)

Abstract: Thesis mainly presents a design of the static testing system of gas sensor. Designing a gas sensor circuit, the gas sensor of VOC conversion conditions conductivity change is converted into a voltage signal. The STM32 is used to the master chip, capturing the detection value of the sensor to be measured by A/D converting chip and transporting it to position machine by serial port, and displaying the voltage signal and other auxiliary information timely by LCD. Finally, writing the code of position machine by LabVIEW, analyzing, displaying and saving the gas sensing properties of the sensor to be detected. The design can provide a powerful tool support for the further study of gas-sensitive materials.

Key Words: Gas SensorSTM32Gas Sensing PropertiesLabVIEW

 


0 引   言

近些年,随着人们生活水平的不断提高及对于高品质生活的追求,以及科学技术的进步和社会经济的发展,对环境问题的关注也越来越多。气体传感器检测技术也越来越受到人们的重视[1]。现今,随着电子技术迅速发展及计算机广泛普及,人们对测量结果要求越加准确,因此,环境信息准确获取在监测过程中也越加显得重要[2]。所以,一个简易、方便并且获得信息准确的气体传感器静态测试系统就显得尤为重要。

针对半导体气体传感器敏感材料的工作机理,研究它的气敏特性和最佳工作温度等,以便定性的对气体传感器性能进行分析[3]。该系统的设计希望能够对气敏材料的研究提供一些帮助和借鉴,并为之后对于气敏机理分析提供一些参考。

1  方案选定

设计一个气体传感器静态测试系统,将气体传感器在VOC气氛中电导率的变化转换为电压信号。用来检测气敏传感器的气敏响应特性。以STM32为主控芯片,根据在不同的气体浓度和不同的温度传感器电阻值发生响应变化的原理,将电阻的变化转换成03.3V的电压变化,利用STM32单片机对信号进行采样保持、A/D转换,最终转化为标准的数字信号,再通过串口传输至上位机,再利用液晶屏实时显示待测传感器的相关信息。最后,利用LabVIEW编写上位机代码,用来显示待测传感器的气敏响应对待测传感器的气敏特性进行分析、显示和保存。

系统采用静态测试方法,即把一定量的气态或蒸汽态的原料加入已知容积的容器中,充入稀释气后混匀气体制得[4]。静态配气法配气设备简单、操作方便,缺点是对于一些化学性质活泼的气体,长时间与容器壁接触可能会被吸附或者发生化学反应[5]。在这种情况下经行检测会产生较大的误差,因此对于化学性质不活泼的气体通常采用静态配气法操作较为简单。

 



2  系统硬件分析

2.1  系统硬件总体设计


本系统的核心处理器的选择是STM32F103芯片。STM32F103最小系统有电源部分、复位部分、时钟部分、下载电路和启动模式[6]。整个装置先进行信息采集,STM32芯片将采集到的信息处理,并将数据信息进行A/D转换以后,通过数据通信将数据发送给上位机进行显示。并且,LCD上显示电压信息及一些辅助信息。系统功能框图如图3.1

1 系统功能框图

2.2  系统各部分分析

2.2.1  STM32最小系统

本次设计的核心芯片是STM32F103。作为一款大容量的微处理器,该芯片共有144个引脚,其中可用的I/O口多大90个,拥有两个晶振,一个频率为8MHz,另一个为32.768KHz。该芯片还支持JTAG在线调试以及一键下载调试。该芯片的电路原理图如下所示:

2 硬件MCU原理图

3 启动选择端口电路

4 复位电路

2.2.2      分压电路

VOC气体传感器初试状态即没有检测到气体时为阻性,阻值较大。当检测到气体时,阻值会随着浓度的升高而减小[7]。分压电路中串联一个已知电阻RL,我们只要测量VOC气体传感器两端的电压值Uout,就可以计算出VOC传感器对应浓度或温度下的电阻值Rs

对于P型气体传感器,气体响应灵敏度(S)定义为元件在空气中阻值与元件吸附气体后阻值的比:

而对于N型气体传感器,气体响应灵敏度(S)定义为元件在空气中阻值与元件吸附气体后阻值的比:

其中,分别为传感器脱附后在空气中的电压和传感器吸附时在被测气体中的电压。

一般地,我们选取分压电阻的值RL能够分担电路供电电压的1/5,即是VOC气体传感器在初始状态下两端电压在2.6V左右即可。通过跟换分压电阻观察VOC气体传感器两端的电压值,我们选取150K大小的电阻作为电路的分压电阻。


滤波电路用于滤去输出电压中的纹波,我们可在电阻RL两端并联一个104电容器,当供电电压升高时,电容器把部分能量储存起来,当电源电压降低时,就把电场能量释放出来,使负载电压比较平滑,通过这种方式,可以减少VOC气体传感器两端的电压波动[8]

2.2.3      TFTLCD显示电路

关于整个系统的显示部分,可以选择LCD1602液晶显示模块或是TFTLCD显示模块。LCD1602是一种工业字符型液晶,是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它只能够同时显示32个字符。TFT是指薄膜晶体管,意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动,从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息[9]TFTLCD显示屏的亮度好,对比度高,层次感强,颜色鲜艳。所以,此次设计显示部分选用的TFTLCD模块。显示部分电路如图3.5所示。


5 显示部分电路

3 系统软件分析

3.1  下位机部分程序设计

3.1.1主程序设计

首先,在程序最开始要进行初始化,当初始化成功之后开始进行按键扫描,如果检测到按键按下,系统则进入while循环,进入AD转换中断程序中获取当前传感器的气敏响应特性值和当前测试环境的温度值。然后用print函数通过串口通信,把数据发送到上位机进行显示,发送数据,然后在上位机中通过字符串截取函数获取当前数值。在发送数据的同时通过LCD_ShowNum显示函数在LCD液晶上显示当前数值并进行实时数据存储。主程序流程图如图4.1所示。

 

 

6 主程序流程图

3.1.2数据采集程序设计

在系统进行数据采集时,必须对AD转换的相关寄存器进行配置。在本次设计中,利用库函数设计的方法对程序进行编写,所以,在编写程序时,先对模块程序进行编写,然后进行调用即可[10]。首先使能ADC1和相应的GPIO口。再使能ADC1的通道时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_ADC1  , ENABLE )

设置ADC工作在独立模式,并使能多通道转换,数据对齐方式选择右对齐。配置好各个参数之后开始AD转换,设置n次转换的结果累加并保存,然后取平均值。如图4.2所示是AD数据采集程序的程序流程图。

7 AD转换程序流程图

 

3.2 上位机部分程序设计

 3.2.1上位机部分主程序设计

上位机部分的主程序设计主要是实现对下位机发送过来的数据进行处理并显示,包括字符串的截取、数据类型的转换、数据的存储以及实时数据与历史数据的比。根据设计要求,把发送回来的数据进行数据整合,显示气敏传感器气敏响应特性值。上位机部分主程序流程图如图4.3所示:


8 上位机主程序流程图

3.2.2上位机曲线显示及保存

曲线显示是整个系统研究的最重要的部分。通过串口通信,接受到下位机发送过来的数据,在上位机中进行曲线显示之前,需要对发送回来的字符串整理,通过字符串截取空间[11]。再根据发来的数据格式,每个字符串截取控件每次截取四个字节的数据,然后通过数据捆绑,输出到显示控件的输入端进行数据显示。当开始数据传输之后,前面板就会显示相应的曲线,曲线显示的同时,也会进行实时保存[12]。根据测试的时间和测试数据一一对应,保存的响应的路劲下,方便后续对传感器的历史数据进行查询和研究。上位机前面板界面如图4.4所示。


9 上位机界面

LabWIEW界面中,要显示出响应曲线。VOC气体传感器在没有检测到气体时为阻性,阻值较大。当检测到气体时,阻值会随着浓度的升高而减小。

4 测试结果与分析

4.1 测试结果

利用气体传感器静态测试系统测试VOC气敏传感器的气敏特性,可以根据上位机界面的显示情况来判断当前下位机和上位机的通信是否正常,同时检测VOC气敏传感器的气敏特性。

在测试过程中,分压电路两端电压直流3.3V不变,在现有情况下,温度传感器的测量结果经过处理之后将信息在TFTLCD上面显示,并且在上位机上显示出该传感器的气敏特性曲线。

4.2 结果分析

根据本系统对气敏传感器的静态测试得到的气敏传感器的气敏特性问温度特性的曲线分析,可以证明本系统可以对气敏传感器进行气敏特性测试和温度测试。

本测试系统的优点:

(1)能够气体传感器的相关特性进行分析。

(2)能够测试气体传感器的气敏响应特性和温度特性。

(3)能够利用上位机对VOC气体传感器的响应进行实时观测,并且能够对响应曲线和检测数据进行整理和保存。

 


 [参      ]

[1] 徐甲强,张全法,范福玲. 传感器技术[M] .哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2004.

[2] 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M].北京:国防工业出版社,1999.

[3] 牛德芳等.半导体传感器原理及其应用[M],大连理工大学出版社,1993.

[4] 周泽义,盖良京,梁建平.标准气体静态容量法配气方法研究[J].计量学报.2007.

[5] 张英,张继伦. 提高乙醇气敏传感器性能的途径[J]. 传感技术学报. 2002(01).

[6] 孙群英,鄢志丹,刘鸣. 气敏传感器的电路设计[J]. 实验科学与技术. 2006(03)

[7] 黄智伟,王伟,朱卫华. ARM微控制器应用设计与实践[M]. 湖南:北京航空航天大学出版社,2012.

[8] 陈艾主编.敏感材料与传感器[M]. 化学工业出版社, 2004.

[9]马群刚.TFT-LCD原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2012.

[10] Anonymou.STMicroelectronics; STMicroelectronics Boosts 32-bit Design Flexibility with Major Extension of STM32 MCU Family. Electronics Business Journal, 2008.

 [11] 施雅婷,郭前岗,周西峰. 一种改进的LabVIEW串口通信系统的实现[J]. 电子测试. 2010(08)

[12] 张丽,杨俊飞,陈立剑. 基于Labview实时系统设计与实现的测试系统[J]. 船电技术. 2011(07).


 



收稿日期:

基金项目:项目资助:中央高校自主科研项目(DC201502010302DC201501062

 

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