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系统测试原理

　　作为气体敏感材料的半导体氧化物的气—电转换机理是：在不同气体中，半导体氧化物材料发生的氧化—还原反应不同，从而引起材料电导（电导与电阻互为倒数）的不同变化，使传感器分辨出被测气体。因此，只要能测量出已知气体中气体传感器电导的变化，就可测量出该气敏传感器的性能指标。气敏传感器的测试电路如图1所示，负载电阻RL串联在传感器中，串联回路施加工作电压VC，VF为热丝两端加热电压。在洁净空气中，传感器的电阻RO较大，在负载电阻RL上的输出电压较小；当在待测气体中时，传感器的电阻RO变得较小，则负载电阻RL上的输出电压较大，其电压值与VRL器件的电阻值RO之间的关系如下：

　　(1)

　　式中：为VC测量电压，一般为5V；VRL为负载电压；为RL负载电阻（已知）；RO为元件的电阻值。随着已知气体浓度不同，负载电压产生不同变化，传感器的元件阻值也会产生相应的变化，而根据不同气体环境下元件电阻的阻值，就可判断出该传感器的指标是否符合标准值。

　　系统硬件设计

　　气敏传感器测试系统以测量传感器的电阻值为基础，采用单片机SPCE061A进行数据处理。气敏传感器测试系统如图2所示，由元件测试箱和PC微机两部分组成。元件测试箱主要包括了元件箱和单片机系统两部分。元件箱的主要作用是模拟气敏元件的各种现场使用环境，所有被测传感器就放置在元件板上，可由单片机系统中的电子开关巡回选择。当充入某种浓度气体时，被测传感器的阻值发生相应的变化，引起传感器负载输出电压也发生变化，该电压信号被采样保持后，送入单片机系统进行处理。

　　在单片机系统中选用SPCE061A单片机，其内部具有7通道10位电压A/D模数转换器和两个10位D/A数模转换通道，这样节省电路板面积，简化了硬件电路。使用者只需在软件编程时加入启动A/D转换的指令即可完成操作。为了保持数据采集的准确性，需要进行N次数据采集然后取平均值，即每次采集进来的负载电压VRL经过A/D转换后要送给单片机的算术逻辑单元，同N-1次的A/D转化结果进行取算术平均值运算。把最终结果放到存储区，等待上位机进行数据分析和判断。SPCE061A内部自带两个10位D/A转换通道，对于语音功能的实现，可以利用单片机内部的D/A数模转换器，把事先已设置好的语音信号如“开始测量”、“测量结束”等经过该数模转换通道送到扬声器。

　　图1 气敏传感器结构原理和测试电路

　　图2 测试系统

　　表1 9芯RS232接口

　　图3 主程序框图

　　系统软件设计

　　系统的软件包括下位机的软件和数据分析软件两部分。

　　下位机的软件主要完成对传感器输入信号的采集、存储以及定时，通过RS-232串行接口向PC机发送数据，同时实现语音数据编码处理、存储、解码处理以及D/A转换等功能。下位机主程序框图如图3所示，而中断子程序和语音子程序在此不再赘述。目前RS232是PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，RS代表推荐标准，232是标识号。RS232采取单端通信传输方式。一个完整的RS232接口有22根线，采用标准的25芯插头座。除此之外，目前广泛应用的还有一种9芯的RS232接口。

　　RS232标准中定义了逻辑1和逻辑0电压级数，以及标准的传输速率和连接器类型。信号大小在正的和负的3V~15V之间。RS232规定接近0的电平是无效的，逻辑1规定为负电平，有效负电平的信号状态称为传号(Marking)，它的功能意义为OFF；逻辑0规定为正电平，有效正电平的信号状态称为空号(Spacing)，它的功能意义为ON。在RS232标准中规定的设备可以分为数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)两类，这种分类定义了不同的线路用来发送和接收信号。一般来说，计算机和终端设备有DTE连接器，调制解调器和打印机有DCE连接器。本文采用被广泛使用的9芯RS232接口进行数据采集。表1所示为在PC机网络设备中使用的9芯RS232接口的信号和管脚分配。

　　数据分析软件采用Visual C++6.0开发系统，具有一个良好的人机操作界面，可以随时测量和采集传感器的任意参数，并可查看系统任一通道的响应曲线以及历史运行记录。

　　图4是本系统的PC机虚拟仪器中的测量结果和数据分析窗口，其中显示出的8个通道的传感器在正常空气中的元件电阻阻值为RO，当注入两种已知浓度不同的气体时，元件电阻阻值分别为R1和R2，以此可计算出它在这两种情况下的灵敏度。图5是随机抽取的第一通道传感器的响应曲线，它能较全面地反映出某一通道的传感器在设定时间内的输出特性。从图中可看出，第一通道的被测气敏元件在注入已知浓度气体的情况下，在1.7s左右阻值达到稳定，即传感器输出开始稳定。输出特性参数见图5窗口显示数据，可判断、比较该传感器的指标是否符合标准值。

关键词： SPCE061A 传感器测试系统 16位单片机