气敏传感器信号采集系统设计

贵州大学电气工程学院　罗　儒　陈进军



气敏传感器信号采集系统设计

贵州大学电气工程学院罗儒陈进军

【摘要】随着科学技术和经济的高速发展，人民生活水平的提高，煤气、液化石油气作为家庭燃料迅速普及，它们若泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，甚至爆炸，危及人们的生命财产安全，所以对气体的检测就变得尤为重要。基于STC12C5A60S2单片机的气敏传感器信号采集系统设计，主要由气敏传感器模块、单片机最小系统、上位机程序存储构成，核心部分是STC12C5A60S2系列单片机。该单片机主要完成气敏传感器信号的采集,对该信号进行处理分析，看是否超过某个预设值，如果超过则会启动报警电路，反之则为正常状态，用户启动PC机上气敏传感器信号采集系统上位机软件，接收单片机发送的不同浓度下的采样值。

【关键词】气敏传感器；STC12C5A60S2；上位机

0　引言

天然气逐渐成为人们日常生活中使用的能源燃料，它给人们生产生活提供方便的同时，它本身是易燃的化学物品，给天然气用户留下了中毒和火灾，甚至爆炸的隐患，使人们人身财产安全受到极大威胁。我们人类本身对这些气体的浓度定量缺乏判断能力，所以研制能够感知并判别气体的种类和测量气体浓度的仪器系统就变得尤为必要。本论文拟设计气敏传感器信号采集系统，能实时记录并存储空气中的天然气气体的浓度，并在浓度超某一临界值时具有报警功能，从而给人们的生活和工业生产带来安全保障[1]。

1　系统总体设计

系统包括传感器模块、单片机模块、显示模块、报警模块、电源模块及上位机模块，如图1所示：

图1　系统总体设计框图

2　系统硬件设计

2.1主控制模块的设计

本次设计使用STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。单片机最小系统如图2所示：

图2　单片机最小系统图

由传感器采集回来的模拟信号需要转换成单片机能识别的数字信号才能进行分析处理，STC12C5A60S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz。

2.2电源电路设计

图3　电源电路图

如图3所示，此设计需要有+5V的供电，可以通过7805三端稳压集成电路将+12V的干电池稳压成为+5V的电源。

2.3传感器模块设计

由于被测气体是天然气，天然气是一种多组分的混合气态化石燃料，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。甲烷是其主要成分，根据系统检测气体种类的要求，可选择半导体气体传感器。基于此，本设计选用MQ-4型气敏传感器，这种型号的传感器具有能在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度、对甲烷的灵敏度较高、成本低廉、使用寿命长、稳定性高等特点[2]。

2.4报警电路设计

报警电路采用声音报警，选用蜂鸣器，当浓度值超过预设值时，三极管导通，蜂鸣器就以一定的频率开始发声；当气体浓度低于预设值时，报警电路处于截止状态。如图4所示：

图4　报警电路原理图

2.5LCD显示

对于显示器的选择，选择LCD1602液晶显示器，这种显示器工作电压低、体积小、寿命长、制造工艺简单成本低廉、配置灵活、可靠性高，与单片机接口方便[3]。

图5　显示电路原理图

2.6上位机模块

气体浓度变化是一个较为缓慢变化的信号，所以本设计中取采样频率为f=1Hz，则对应的采样周期Ts=1/f=1s，即1s采样一次。对于数据的存储，采用基于VC++编写的上位机程序进行存储，将数据存储在电脑中[4]。

3　系统软件设计

由硬件电路的设计可知，系统的应用软件设计主要包括初始化程序、A/D转换子程序、显示子程序、数据存储子程序及声光报警子程序的设计[5]。系统流程图如图6所示：

图6　系统程序流程图

气体浓度变化是一个较为缓慢变化的信号，本设计中取采样频率为f=1Hz，1秒采集一次，由上位机程序在电脑中显示出来，如图7所示：

图7　上位机显示图

4　结论

本设计以STC12C5A60S2单片机为核心，以气敏传感器模块检测天然气气体的浓度，读入单片机中，单片机对检测到的信号数据处理之后进行判断，如果质量浓度超过预定数值，将发出声音报警，最后再由上位机程序存储气体浓度。

参考文献

[1]王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津大学出版社,2007.

[2]高国伟.气敏传感器[J].传感器世界,1996(03).

[3]谭永红,雷跃.基于单片机的气敏传感器测试系统[J].中国科技信息,2007(06).

[4]宋金珂,高丽华,张迎新.VC++程序设计基础教程[M].清华大学出版社,2010.

[5]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].电子工业出版社,2009.

罗儒（1992—），贵州人，贵州大学电气工程学院检测技术与自动化装置专业硕士研究生，研究方向：传感器技术。

陈进军，贵州人，教授，主要研究方向：传感器技术。

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