气体传感器特性测试系统的研究

朱志鹏 李银华

(郑州轻工业学院电气信息工程学院,郑州 450002)

气体传感器特性测试系统的研究

朱志鹏 李银华

(郑州轻工业学院电气信息工程学院,郑州 450002)

针对气体传感器测试系统测试效率低和传统手动配气方式对人体健康影响较大的问题，设计一套集自动配气、数据采集分析与管理于一体的气体传感器特性测试系统。给出了该系统的总体方案、硬件电路与部分软件程序。系统测试结果表明：该系统可自动完成气体配制、实时温度监控、批量气敏元件检测、数据采集分析与报表生成，降低了人体与挥发性气体的接触几率，减小了挥发气体对人体健康的影响。

测试系统 气体传感器 自动配气 批量测试 数据采集

挥发性气体的普遍应用带动了气体传感器产业的快速发展，而落后的气体传感器测试系统却又限制了气体传感器产业的快速发展[1]。目前，常用的WS-30A气敏元件测试系统均使用传统手动配气方式，配气效率低、精度低，同时增加了人体与挥发性气体的接触几率，对人体健康影响较大。而CGS-1TP智能气敏分析系统每次只能测试一只传感器，主要用于科研分析和生产抽检，难以满足批量在线测试需求。因此，气体传感器自动测试系统对批量生产具有重要的意义。

针对气体传感器测试系统的现状、特点与生产需求，笔者设计了一套集自动配气、多通道测试、数据采集分析与管理于一体的气体传感器特性测试系统，实现传感器的批量测试，提高传感器的测试效率。

1 测量原理与技术要求

1.1 测量原理

气体传感器在空气中的阻值Rx较小(几欧姆到十几欧姆)，而在特定气体环境中阻值会发生巨大变化。因此，依据气体传感器的特性，其测量原理如图1所示。通过外加恒流源Is，使气体传感器与恒流源构成串联电路，当传感器电化学材料与气体接触后，气体传感器阻值发生变化，而恒流源电流Is不变，由欧姆定律Is=Vo/Rx可知，只需测量输出电压Vo，即可得到气体传感器阻值[2]。图1中Vh为可调加热电压，依据贴片式温度传感器实时反馈的温度值调节加热电压，通过加热电阻Rh使气体传感器工作温度保持恒定。

图1 气体传感器测量原理示意图

1.2技术要求

根据气体传感器特性和批量测试数据分析要求，结合目前气体传感器实际生产中存在的问题，气体传感器测试系统技术要求有：可一次对多支传感器同时进行测试，通过对测试数据的处理，能以图形曲线和数据两种方式显示气敏元件的特性；可根据用户设定完成自动配气；实时反映被测试传感器的工作温度并保持温度恒定；可计算气敏元件电阻值、电压灵敏度、电阻灵敏度、响应时间和恢复时间；测试过程中动态显示传感器阻值在特定浓度下随时间变化的特性曲线；如用户需要，可对测试数据进行存储、打印等操作，并可用其他数据处理软件对测试数据进行处理；电源220V±10%(AC)、50Hz；系统综合误差小于±1%。

2 系统总体方案

气体传感器测试系统(图2)主要由传感器测试箱、基于ARM的系统控制单元和上位机软件分析部分组成。传感器测试箱包括矩阵式元件板、多路电子开关、A/D转换器和自动配气装置。基于ARM的系统控制单元则负责对测试箱气体浓度、温度、通道选择进行控制，显示屏实时显示测试箱气体浓度、温度等测试环境信息[3]。上位机软件分析部分对采集到的数据进行分析、生成报表、保存、打印[4]。挥发性气体通过以气体质量流量控制器为核心的自动配气装置在测试箱形成模拟测试环境，多路电子开关控制矩阵元件板上元件测试通道的开断。气体传感器在特定气体种类

图2 气体传感器测试系统框图

和浓度下，阻值的变化将转换成电压信号，并由信号采集电路传送到MCU系统进行处理，通过RS-232串口送入计算机软件进行数据分析、报表生成和数据保存。

3 系统硬件部分

3.1处理器选型

CPU选用基于ARM920T的32位微处理器S3C2440A，主频400MHz，最高可达533MHz，具有低成本、低功耗、高性能的优点，可以流畅运行Linux嵌入式系统，扩展性强，便于后续开发管理。

3.2数据采集接口电路

A/D转换器选用16位高精度模数转换器AD7705，该芯片自带有静态RAM的校准微控制器、时钟振荡器、数字滤波器和一个双向串行通信端口，提供双通道、低成本、高分辨力的模数转换功能。采用Σ-Δ结构实现模数转换使得A/D转换器在噪音环境下能免受干扰，适用于工业控制领域。S3C2440A的SPI口包括两条数据线和两条控制线，分别与AD7705相应端口连接即可实现两者之间的接口电路[5]。数据采集接口电路如图3所示。

图3 数据采集接口电路

3.3多路选择电路

AD7705前端多路选择芯片选用CD4067，该芯片为16选1双向模拟开关，可以用于数字传输、信号分时处理及多路巡回监测等电路中。基于CD4067的多路选择电路如图4所示，两片CD4067分别通过对A、B、C、D、INM编码实现32选1电路，用户也可以根据需要进行后续扩展，从而实现批量测试功能。

图4 多路选择电路

3.4通信接口电路

选用MAX232芯片构成通信接口电路(图5)，该芯片可实现RS-232电平和TTL电平的相互转换，使MCU与上位机以RS-232协议进行数据传输，从而实现通信功能。

图5 通信接口电路

3.5人机交互

S3C2440A内自带LCD控制器和触摸屏接口，支持STN和TFT两种LCD所需的驱动信号，可实现LCD与触摸屏的无缝连接。LCD采用5寸液晶显示触摸屏，具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻及功耗低等特点。可以在LCD控制寄存器中设置各时间信号参数。VCLK是时序图的基准信号，其频率VCLK(Hz)=HCLK/[(CLKVAL+1)×2]。VSYNC、HSYNC、VCLK设置好后，将帧内存地址告知LCD控制器，便可以自动发送图像数据[6]。

3.6自动配气

目前，气体配制方法主要有静态配气法和动态配气法，相对于静态配气法来说，动态配气法具有配气精度高和配气迟滞低的优点。本系统采用动态配气方案，以SITRANS FC430气体质量流量控制器(流量误差不大于0.1%示值，密度误差不大于0.001g/cm3)为核心，引入PID调节来控制比例阀，从而精确控制气体浓度，保证配气精度[7]。

4 系统软件部分

Qt/Embedded是图形化开发工具Qt的嵌入式版本，它通过QtAPI与Linux I/O和Framebuffer直接交互，拥有较高的运行效率。Qt/Embedded整体采用面向对象编程，具有良好的体系架构和编程模式，运行在嵌入式Linux系统上，为嵌入式应用程序提供Qt标准API[8]。气体传感器测试系统软件由展示部分、设备部分和业务部分组成。展示部分主要是人机交互界面；设备部分包括数据采集和温度、浓度控制；业务部分主要是数据传输。系统主程序流程如图6所示。上位机软件支持数据接收、数据存取、曲线拟合、报表管理及打印输出等功能，操作简单，可以方便地分析传感器特性。

系统子程序包括A/D转换驱动程序、LCD显示程序和串口通信程序。

将16位高精度A/D转换器AD7705的驱动程序写进Linux内核，系统工作时可直接调用。应用程序在Linux下以C语言实现，其主要功能是将每个通道传感器的测试电压信号进行A/D转换，并传输到MCU单元。AD7705芯片采用SPI通信，程序设计如下：

Int gpio_open(struct inode*inode,structfile*flip)//配置I/O端口

Int gpio_read(structfile*flip,char*buffer,size_t count,loft_t*f_pos)//读I/O端口并拷贝到用户空间buffer中

Int gpio_write(structfile*flip,const char*buffer,size_t count,loft_t*f_pos)//根据buffer中的值写I/O端口

Int gpio_release(struct inode*inode,struet file*flip)//复位I/O端口

图6 气体传感器测试系统主程序流程

LCD显示程序主要用于显示气体浓度、温度、测试时间和传感器特性曲线，包括字符和曲线两种显示方式。LCD显示程序用专门的字模提取软件获取需要显示的字符编码，然后在液晶屏幕上以打点方式显示字符。曲线绘制是利用Bresenham画线算法实现的[9]，该模块功能函数如下：

static void Lcd_Port_lnit(void)//LCD端口初始化

static void LCD_lnit(void)//LCD功能模块初始化

static void PutPixel(U32 x,U32 y,U16 C)//LCD单个像素的显示数据输出

static void Lcd_ClearScr(U16 c)//LCD全屏填充特定颜色单元或清屏

static void Glib_Line(int xl,int yl,int x2,int y2,U16 color)//画直线

RS-232协议标准串口通信模块程序设计的主要工作包括波特率设置、数据传输格式设置、相关寄存器初始化及数据发送与接收程序设置等。其功能函数如下：

void uart_init(void)//串口工作模块初始化设置

void put_char(U8 c)//数据发送

U8 get_char(void)//数据接收

5 传感器测试结果

根据系统设计方案搭建了传感器硬件测试电路，模拟气体传感器测试环境，最终在上位机得到气体传感器特性曲线如图7所示。可以看出，接近20s时气体传感器阻值迅速上升并保持恒定，60s后排掉混合气体，阻值迅速回落。

图7 气体传感器特性曲线

6 结束语

笔者提出的基于ARM系统控制单元的气体传感器特性测试系统将传统的单通道测试提升至矩阵式多通道批量测试，极大地提高了传感器测试效率。采用动态可连续调节的配气方式取代传统手动配气方式，节省了配气时间，提高了传感器测试准确度，同时减小了挥发气体对人体健康的影响，能够较好地满足工业生产需要。

[1] 王成鑫,余愚,梁佐兴,等.动态可调配气控制系统的设计[J].液压与气动,2013,(10):50～53.

[2] 宋玲,施云波,修德斌,等.基于MSP430的气体传感器批量测试系统[J].电子测量技术,2009,32(10):77～80.

[3] 杜黎明,邓志平,金凤鸣.一种均匀混合不同气体动态配气系统的研究[J].液压与气动,2008,(3):29～30.

[4] 胡红红,师树恒,陈富强.基于质量流量控制器的动态配气系统设计[J].自动化与仪表,2013,28(4):14～16.

[5] 干开峰,王俊,汪济洲.S3C2440A外扩AD7705设备驱动设计与实现[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2012,14(5):146～149.

[6] 王振立,李博,彭宝新.基于ARM的TFT-LCD显示系统设计[J].计算机测量与控制,2014,22(1):257～260.

[7] 王宇轩,程明霄,李舒.便携式全自动动态配气仪的设计[J].化工自动化及仪表,2011,38(9):1059～1063.

[8] 王统,秦会斌,胡永才.基于Qt/Embedded的智能家居控制系统的设计[J].电子设计工程,2015,23(7):159～161.

[9] 邵青.基于STM32F4x9的LCD显示设计方案[J].单片机与嵌入式系统应用,2014,(6):82～83.

ResearchonGasSensorTestSystem

ZHU Zhi-peng, LI Yin-hua

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou450002,China)

Considering the relatively backward and inefficient test system for gas sensors and the effect of manual distribution mode on the human health, a gas sensor test system which integrates auto-distribution, data acquisition and analysis and management was designed; and the system’s overall structure, hardware circuit and some software programs were presented. Testing the system indicates that this system can automatically implement gas preparation, real-time temperature monitoring, bulk detection of gas sensors, data collection and analysis as well as the report generation, meanwhile, it can greatly reduce risks of human contact with the test gas and decrease the impact of volatile gas on the human health.

test system, gas sensor, auto-distribute gas, batch test,data collection

TH862

A

1000-3932(2016)05-0508-05

2015-08-31

郑州轻工业学院研究生科技创新基金资助项目(2014005)