基于SPCE061A的傳感器測試系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計

　　引言

　　近些年來，氣敏傳感器研究發(fā)展迅速，對氣敏傳感器的測試也越來越普遍。傳感器測試主要是為了檢測傳感器的指標(biāo)從而判斷該傳感器是否為合格產(chǎn)品，傳感器的性能指標(biāo)一般包括靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)，靜態(tài)指標(biāo)的檢測是必需要進(jìn)行的一道工序。采用傳感器自動測試系統(tǒng)可以解決人工檢測造成的效率低下、人為造成的誤差及操作人員勞動強(qiáng)度大等諸多問題。氣敏傳感器在工業(yè)及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是可燃?xì)怏w傳感器在防火防爆方面起著舉足輕重的作用，這類傳感器主要用來測定環(huán)境中易燃性氣體比如氫氣、天然氣、瓦斯等的濃度，通常制成報警器用來對空氣中的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)濃度超過指標(biāo)時，傳感器就會輸出警告信號觸發(fā)報警裝置。傳感器的指標(biāo)檢測非常重要，因?yàn)橐坏┲笜?biāo)有偏差，那么傳感器將會在非指定濃度誤報警，報警過早和過遲都是不可取的。而語音信號是信息的又一主要載體，如果在測量場合能用語音直接報出結(jié)果，將給操作人員帶來極大方便。為準(zhǔn)確快速大量地對氣敏傳感器進(jìn)行指標(biāo)檢測，本文采用SPCE061A單片機(jī)結(jié)合邏輯電路設(shè)計出一套測試精度高、速度快、可與計算機(jī)通信的多通道氣敏傳感器測試系統(tǒng)。

　　SPCE061A概述

　　凌陽科技推出的性價比很高的16位單片機(jī)SPCE061A，具有易學(xué)易用的效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境（μ'nsp IDE）。此開發(fā)環(huán)境支持標(biāo)準(zhǔn)C語言，可以實(shí)現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用，并且提供了語音錄放的庫函數(shù)，可方便實(shí)現(xiàn)語音播放、錄制、合成和辨識等功能。SPCE061A片內(nèi)還集成了一個ICE（在線仿真電路）接口，使得對該芯片的編程、仿真都變得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件資源，結(jié)合集成開發(fā)環(huán)境（μ'nsp IDE）用戶可以利用它對芯片進(jìn)行真實(shí)的仿真，而程序的下載也是通過該接口進(jìn)行下載。它具有兩個16位通用可編程I/O端口，相當(dāng)于32個通用I/O口，可以輕易連接并驅(qū)動液晶顯示模塊（LCD），實(shí)現(xiàn)字符和圖形的顯示。

　　SPCE061A性能特點(diǎn)

　　16位 微處理器；

　　工作電壓：（CPU）VDD：3.0V~3.6V，

　　（I/O）VDDH為3.0V~5.5V；

　　CPU時鐘：0.32MHz~49.152MHz；

　　內(nèi)置2K字SRAM；

　　內(nèi)置32K字FLASH；

　　可編程音頻處理；

　　晶體振蕩器；

　　系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（時鐘處于停止?fàn)顟B(tài)），耗電僅為2μA/3.6V；

　　2個16位可編程定時器計數(shù)器（可自動預(yù)置初始計數(shù)值）；

　　2個10位DAC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）輸出通道；

　　32位通用可編程輸入/輸出通道；

　　14個中斷源可來自定時器A/B、時基、2個外部時鐘源輸入和鍵喚醒；

　　具備觸鍵喚醒的功能；

　　使用凌陽音頻編碼SACM_S480、SACM_A2000可以播放壓縮的語音資源；

　　鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；

　　32768Hz實(shí)時時鐘；

　　7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和單通道聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；

　　聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器，并具有自動增益控制（AGC）功能；

　　具備串行設(shè)備接口；

　　具備低電壓復(fù)位功能和低電壓檢測功能；

　　內(nèi)置在線仿真電路接口；

　　具有Watchdog功能。

　　氣敏傳感器工作原理和系統(tǒng)測試原理

　　氣敏傳感器主要有半導(dǎo)體式、接觸燃燒方式、化學(xué)反應(yīng)式、光干涉式、熱傳導(dǎo)式、紅外線吸收散式等。而半導(dǎo)體氣敏傳感器應(yīng)用更為廣泛。

　　氣敏傳感器工作原理

　　半導(dǎo)體氣敏傳感器由氣敏部分、加熱絲以及防爆網(wǎng)等構(gòu)成，它是在氣敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金屬氧化物中添加Pt、Pd等敏化劑的傳感器。傳感器的選擇性由添加敏化劑的多少進(jìn)行控制，例如，對于ZnO2系列傳感器，若添加Pt，則傳感器對丙烷與異丁烷有較高的靈敏度；若添加Pd，則對CO與H2比較敏感。

　　氣敏傳感器以陶瓷管為框架，外覆一層敏感膜的材料，利用膜兩端的鍍金引腳進(jìn)行測量。敏感膜的材料最常用的有金屬氧化物、高分子聚合物材料和膠體敏感膜等。它的兩個關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。金電極連接氣敏材料的兩端，使其等效為一個阻值隨外部待測氣體濃度變化的電阻。由于金屬氧化物有很高的熱穩(wěn)定性，而且這種傳感器僅在半導(dǎo)體表面層產(chǎn)生可逆氧化還原反應(yīng)，半導(dǎo)體內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)不變，因此，長期使用也可獲得較高的穩(wěn)定性。原理簡介如下：金屬氧化物一旦加熱，空氣中的氧就會從金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)晶粒子的施主能級中奪走電子，而在結(jié)晶表面上吸附負(fù)電子，使表面電位增高，從而阻礙導(dǎo)電電子的移動，所以，氣敏傳感器在空氣中為恒定的電阻值。這時還原性氣體與半導(dǎo)體表面吸附的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，由于氣體分子的離吸作用使其表面電位高低發(fā)生變化，因此，傳感器的電阻值要發(fā)生變化。對于還原性氣體，電阻值減??；對于氧化性氣體，則電阻值增大。這樣，根據(jù)電阻值的變化就能檢測氣體的濃度。