關(guān)鍵詞：雙傳感器，溫度補(bǔ)償，靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性，氣體報(bào)警器
摘要：本文介紹一種采用兩個(gè)同類型氣體傳感器來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)目扇夹詺怏w報(bào)警器。把一氣體傳感器密封作成溫度傳感器，對(duì)另一氣體傳感器進(jìn)行溫度修正，以在寬范圍內(nèi)消除環(huán)境溫度對(duì)氣體傳感器特性的影響。該報(bào)警器采用MOTOROLA的MC68HC05P6A單片機(jī)作為核心控制部件，內(nèi)嵌基于一定算法的用戶程序，以達(dá)到對(duì)于特定氣體傳感器的特性補(bǔ)償、軟件修正及實(shí)時(shí)控制。本文對(duì)可燃性氣體傳感器溫度補(bǔ)償原理及MCU軟件修正和控制方法，進(jìn)行了分析和討論。
1． 前言
氣體傳感器特性總是會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，氣體報(bào)警器要能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報(bào)、漏報(bào)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須對(duì)氣體傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)償和修正。通常可燃性氣體傳感器特性受濕度影響較小，往往可忽略，所以本文主要考慮如何有效實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償。
傳統(tǒng)補(bǔ)償方式一般有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。所謂硬件補(bǔ)償是指直接使用溫度傳感器在電路中對(duì)氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式雖然簡(jiǎn)單，但只有在溫度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時(shí)，才能很好地補(bǔ)償；很難實(shí)現(xiàn)寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。軟件補(bǔ)償方式通過傳感器的溫度特性曲線擬合進(jìn)行算法補(bǔ)償，這種方式是以一定的特性曲線作為基礎(chǔ)，對(duì)不同的工作環(huán)境和不同傳感器的溫度特性，用算法處理和查表修正以得到不同的補(bǔ)償效果。該方式較為復(fù)雜，對(duì)特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個(gè)問題，本文提出采用雙傳感器補(bǔ)償方式，具體來說就是選用兩個(gè)特性一致（實(shí)際上只能做到非常接近）的氣體傳感器來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，把其中一個(gè)氣體傳感器A密封代替溫度傳感器，對(duì)另一氣體傳感器B進(jìn)行補(bǔ)償。這樣的補(bǔ)償方式，不僅能較好地?cái)M合氣體傳感器的靜態(tài)溫度特性，而且對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)也能同步實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。
2．設(shè)計(jì)原理
氣體傳感器所測(cè)量的值經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。在一段短時(shí)間內(nèi)可能很穩(wěn)定，而在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)則可能有緩慢起伏，或呈周期性的脈動(dòng)變化，甚至出現(xiàn)突變的尖峰。氣體傳感器主要通過兩個(gè)基本特性--靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來反映傳感器的這種變動(dòng)性。
靜態(tài)特性通常反映在靈敏度上。所謂的靈敏度，是指在靜態(tài)工作條件下，其單位輸入所產(chǎn)生的輸出，用S表示。
動(dòng)態(tài)特性是氣體傳感器的特有問題，反映氣體傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性好的氣體傳感器，其輸出特性曲線隨時(shí)間變化很小。動(dòng)態(tài)特性的輸入與輸出關(guān)系不是一個(gè)常數(shù)，而是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的變化而變化，因此常用"傳遞函數(shù)"表征。
由此可見，氣體傳感器的輸入和輸出關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性或曲線關(guān)系，要對(duì)氣體傳感器建立一個(gè)準(zhǔn)確的溫度修正數(shù)學(xué)模型是很困難的。通常應(yīng)用時(shí)，都忽略氣體傳感器的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)其靜態(tài)溫度響應(yīng)靈敏度，采取一定的措施對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。如通過溫度傳感器測(cè)出環(huán)境的溫度，對(duì)氣體傳感器的輸出特性曲線進(jìn)行修正；或者直接對(duì)傳感器進(jìn)行硬件補(bǔ)償。
采用雙傳感器補(bǔ)償方式，可實(shí)現(xiàn)氣體傳感器動(dòng)態(tài)特性的有效補(bǔ)償。由于兩氣體傳感器制造材料組分和工藝一致，它們的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性基本一致，可獲得較完全的補(bǔ)償。
雙傳感器補(bǔ)償?shù)目扇夹詺怏w報(bào)警器，采用了兩個(gè)同類型可燃性氣體傳感器，使用MOTOROLA的MC68HC05P6A微控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、修正和報(bào)警控制。系統(tǒng)原理圖如圖1。
系統(tǒng)分別對(duì)兩個(gè)氣體傳感器進(jìn)行采樣，通過一定算法處理去除傳感器測(cè)量值中的溫度響應(yīng)部分，而得到完全的氣體響應(yīng)數(shù)據(jù)。
設(shè)傳感器測(cè)量值VA=A，VB=B，則無溫度影響的氣體響應(yīng)VO為：VO=|VA-VB|
根據(jù)VO的值判斷是否報(bào)警。系統(tǒng)可根據(jù)MCU程序設(shè)定，選擇使用單點(diǎn)即時(shí)或多點(diǎn)延遲報(bào)警方式。報(bào)警輸出采用聲、光報(bào)警形式。在本系統(tǒng)中，由于采用內(nèi)嵌MCU的算法處理和軟件補(bǔ)償方式，不僅省去了瑣碎的硬件電路，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，也使系統(tǒng)的智能控制得以加強(qiáng)。
3．硬件設(shè)計(jì)
報(bào)警主要由傳感器、MCU、報(bào)警電路組成。該電路由MC68HC05P64作為核心控制芯片，它具有4路8位A/D口，氣體和溫度敏感信號(hào)直接由A/D口采集后，進(jìn)行一定的算法修正和軟件補(bǔ)償。報(bào)警器電路如圖2。
串聯(lián)在兩傳感器感應(yīng)電阻上的分壓電阻R1和R2，應(yīng)為可調(diào)電阻。調(diào)試中，在一定溫度和無可燃性氣體的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，調(diào)整R1和R2，使兩個(gè)傳感器輸出電壓相等，以進(jìn)行有效的補(bǔ)償。
4．控制流程
采用雙傳感器補(bǔ)償?shù)膱?bào)警器的MCU控制流程如圖3。
MCU可對(duì)傳感器進(jìn)行多次采樣，以減少誤差；在判斷報(bào)警時(shí)，采用多次判斷，在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)三次顯示氣體濃度高于限定值時(shí)，才確認(rèn)狀態(tài)，進(jìn)行報(bào)警，這樣可減低誤報(bào)率。
5．結(jié)束語(yǔ)
本可燃性氣體報(bào)警器，采用雙傳感器補(bǔ)償方法；為了達(dá)到更好的溫度修正效果，往往需要傳感器廠家的配合，在生產(chǎn)時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行成對(duì)生產(chǎn)，以保證傳感器特性的一致性。設(shè)計(jì)中用MC68HC05P6A作為控制芯片，其A/D變換電路置于片內(nèi)，并采用軟件補(bǔ)償方式，故系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積小、功耗低、外圍電路簡(jiǎn)單、抗干抗能力強(qiáng)。
參考文獻(xiàn)
1.Semiconductor Technical DATA for MC68HC05P6A Motorola Semiconductor 1998
2. 林友德、郭享禮 傳感器及其應(yīng)用技術(shù) 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社 1992.1
3. 朱明程等 智能一氧化碳報(bào)警器原理與設(shè)計(jì) 《電子技術(shù)應(yīng)用》雜志 1998. 3 P68-71
The Design and Implementation on Combustible Gas Alarm made up of Double Gas Sensor
Zhu mingcheng Li kunhua Lo chuntao
(The EDA Technology Center of Shenzhen University, Shenzhen, 518060)
Abstract
This paper introduces a combustible gas alarm made up of double gas sensor for temperature compensation. In the gas alarm, the Motorola MCU-MC68HC05P6A is used as core controlling unit. A algorithm program for temperature compensation and software correct and real time control are embeded. In this paper, we also discuss the fundamental of temperature compensation of the combustible gas alarm, and analyze the methods about MCU's software correcting and controlling.
Key wards double gas sensor temperature compensation static charactteristic dynamic characteristic gas
