1 引言

　　人的嗅覺(jué)系統(tǒng)的性能是相當(dāng)出色的。過(guò)去幾十年人們對(duì)嗅覺(jué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)迅速增加，但是目前的成果還少于人們的期望值。利用氣體在電極上的氧化-還原反應(yīng)研制的第一個(gè)氣敏傳感器是由Wikens和Hatman在1964年報(bào)道的。Buck等人利用氣體調(diào)制電導(dǎo)和Dravieks等人利用氣體調(diào)制電位研制的氣敏傳感器在1965年也做了報(bào)道，1982年英國(guó) Warwick大學(xué)的Persaud 等人提出了利用氣敏傳感器模擬動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。氣敏傳感器是一種對(duì)于某種氣體敏感的化學(xué)傳感器，它能隨著外部氣體的濃度或者氣體的種類的不同而改變敏感膜的電阻。現(xiàn)在的氣體檢測(cè)中使用的是氣敏傳感器繪圖儀對(duì)傳感器的電壓信號(hào)直接繪制，由于繪圖儀的動(dòng)態(tài)跟隨性差、反應(yīng)速度慢、缺乏靈活性、測(cè)量精度低等缺點(diǎn)，難以畫(huà)出高頻率高精度的氣敏傳感器的時(shí)間電壓曲線。對(duì)于氣敏傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試，繪圖儀根本無(wú)法達(dá)到要求。本文根據(jù)氣敏傳感器的性質(zhì)研究開(kāi)發(fā)了利用RS232與計(jì)算機(jī)建立連接的氣敏傳感器信號(hào)采集，以此提高氣敏傳感器信號(hào)采集的精度和試驗(yàn)的人工效率。

　　2 氣敏傳感器工作原理及其控制任務(wù)

　　2.1 氣敏傳感器工作原理

　　從材料上分，最常用的氣敏傳感器有金屬氧化物，高分子聚合物材料，壓電材料，膠體敏感膜等；從用途上分有廣普型和專一型。根據(jù)試驗(yàn)需要選擇氣敏傳感器，本測(cè)量系統(tǒng)能夠適用于所有氣敏傳感器。

　　氣敏傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜。加熱電阻改變傳感器的工作溫度， 使其工作在氣體敏感的工作溫度，由于外部氣體的變化從而使得氣敏傳感器的敏感材料的電阻發(fā)生變化，金電極連接氣敏材料的兩端，使得它成為一個(gè)阻值隨外部氣體變化的電阻。

　　氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)與測(cè)試原理如圖1所示。

　　2.2 控制任務(wù)

　　根據(jù)氣敏傳感器的特性設(shè)計(jì)采集任務(wù)，傳感器的溫度要求在250℃左右（或更高），在此溫度下氣體表現(xiàn)出很高的靈敏度 ［2］。鑒于傳感器氣敏阻值的不確定性，取樣電阻的阻值應(yīng)與氣敏電阻（氣敏材料的阻值變化在15倍以內(nèi)）的阻值相匹配。取樣電阻和加熱電壓是由計(jì)算機(jī)控制，加熱電阻 Ro的功率要求在0.3~1.5W之間，R o的值在30W左右，所以可知Ro的電壓值在1~7V之間。加熱電阻的溫度與加熱電壓的大小近似成線性關(guān)系，通過(guò)加大電壓來(lái)提高溫度，以選擇一個(gè)適合于氣體測(cè)試的溫度（通常選用5V的加熱電壓），如果是動(dòng)態(tài)測(cè)量則是使加熱電壓為一個(gè)矩形波，占空比可以由軟件設(shè)定。

　　取樣電阻要求為一個(gè)離散值，它們可為1k， 2k，5k，10k。就氣敏傳感器自身特性而言，它可分為幾個(gè)檔次，其氣敏膜的電阻是不恒定的。文中以氣敏膜電阻值在空氣中為10kW到有待測(cè)氣體中其阻值變化到1kW為標(biāo)準(zhǔn)介紹此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中測(cè)試電壓為一個(gè)固定值，它的精度影響到信號(hào)電壓。在實(shí)際試驗(yàn)中選定測(cè)試電壓值為5V，要求測(cè)得測(cè)試信號(hào)的值（電壓）由獲取的采樣信號(hào)可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)快速地計(jì)算出所需要測(cè)量的氣敏傳感器電阻（一般而言只需要直接看電壓的變化值），從而描繪出氣敏傳感器的阻值隨外界氣體變化的波形圖。

　　3氣敏傳感器信號(hào)采樣與控制電路

　　通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制測(cè)試裝置能使得整個(gè)測(cè)試過(guò)程變得更簡(jiǎn)單和更精確。

　　3.1 采樣周期的確定

　　采樣周期Ts決定了采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量： Ts太小，會(huì)使采樣信號(hào)xs （nTs）的數(shù)量劇增，占有大量的內(nèi)存單元； Ts太大，會(huì)使采樣點(diǎn)之間相距太遠(yuǎn)，模擬信號(hào)的某些信息丟失，會(huì)使采樣后的信號(hào)恢復(fù)為原來(lái)的信號(hào)時(shí)產(chǎn)生信號(hào)失真。因此，選擇合適地采樣保持器直接關(guān)系到信號(hào)的真實(shí)性，當(dāng)連續(xù)信號(hào)下X（t）的頻譜X（f ）為有限頻譜且Ts《=1/2f c，（fc為采樣周期內(nèi)的最高頻率），信號(hào)可以無(wú)失真的采集。氣敏傳感器在動(dòng)態(tài)測(cè)量下， fc約為500Hz，Ts應(yīng)取1ms可滿足要求。

　　3.2 芯片的選擇

　　為了克服由于氣敏傳感器在制造中其阻值 Rs不固定的特點(diǎn)，采樣前，采樣電阻的值應(yīng)根據(jù)氣敏傳感器的值來(lái)調(diào)節(jié)，以確保得到的信號(hào)在測(cè)量范圍之內(nèi)。同時(shí)考慮信號(hào)的值與采集電壓相匹配，信號(hào)電壓若低于采樣電壓太大則影響測(cè)量的精度。測(cè)試電壓V c為5V，ADC采用12位相對(duì)分辨率0.0244%（1LSB），ADC的分辨率為1.22mV（1LSB）。

　　Vout=［Vc/（R c+Rs）］×Rc

　　根據(jù)氣敏傳感器選擇為10k到1k檔而選擇 Rc為5k的取樣電阻，可得到信號(hào)電壓V out的值在1.666～4.166V。

　　使用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)氣敏傳感器信號(hào)的采集，選取以下芯片制作單片機(jī)控制電路。

　　（1） ADC：外部的測(cè)試信號(hào)是模擬量，先進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)化。選取ADC1678芯片，它的分辨率是12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間是5ms，轉(zhuǎn)換誤差小于1LSB，輸出電平為T(mén)TL電平，不需要外部時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓，工作電壓為＋5V或±12V。它的最大的優(yōu)點(diǎn)是自帶有采樣保持器；

　?。?）多路模擬開(kāi)關(guān)：選擇所需的取樣電阻。 AD7502芯片采用16腳雙列直插封式封裝，是一種雙4通道多路開(kāi)關(guān)芯片，依據(jù)二位二進(jìn)制地址線 A0、A1及選通斷（EN）的狀態(tài)來(lái)選擇8路輸入的兩路，分別與兩個(gè)輸出端相接通；

　　（3） 單片機(jī)：集成了1個(gè)8位中央處理器；4kB的只讀存儲(chǔ)器；128的讀寫(xiě)存儲(chǔ)器；32條I/O口線; 2個(gè)定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器；1個(gè)具有5個(gè)中斷器、4個(gè)優(yōu)先級(jí)的嵌套中斷結(jié)構(gòu)；用于多處理器通信、I /O拓展或全雙工UART（通用異步接受發(fā)送器）的串行I/O口以及一個(gè)內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。單片機(jī)控制著測(cè)試電路的各個(gè)部分，建立計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的聯(lián)系就可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)外部的控制。

　　3.3 通信接口的設(shè)計(jì)

　　IBM-PC機(jī)與單片機(jī)的連接采用零調(diào)制三線型，即只需用RDX、TXD和地線三線連接PC機(jī)和單片機(jī)。鑒于單片機(jī)的串口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平接口（3.8～5V表示“1”，0～0.3V表示“0”），而PC機(jī)配置的是RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，二者的電器規(guī)則不一致，因此要完成單片機(jī)到PC機(jī)的通信問(wèn)題必須首先解決電平的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

　　單片機(jī)通過(guò)T C232CPE芯片連接計(jì)算機(jī)， 一片TC232CPE只需一個(gè)＋5V電源供電，即可解決兩組信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。該芯片內(nèi)部可自動(dòng)產(chǎn)生RS232C所需要的邏輯電平，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與IBM-PC機(jī)的接口直接連接。IBM-PC機(jī)的RS232接口是通用異步發(fā)送/接收8250UART為核心構(gòu)成的，PC機(jī)的BIOS中提供了專門(mén)用于串行通信的中斷調(diào)用。

　　采用光電隔離器將電壓隔離，防止高電壓對(duì)低電壓和數(shù)字電壓產(chǎn)生影響。

　　計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)如圖2所示。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　在單片機(jī)中使用MICRO-C51編譯器，8051C語(yǔ)言編譯器經(jīng)濟(jì)實(shí)用、編譯速度快，按照標(biāo)準(zhǔn)的UNIX C語(yǔ)言編譯語(yǔ)法設(shè)計(jì)，提供多種函數(shù)庫(kù)供程序設(shè)計(jì)使用，提供嵌套注釋、可嵌入匯編語(yǔ)言，可以用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)中斷程序［4］。

　　使用Delphi6建立串行通信程序及組件， Delphi調(diào)用 Windows API函數(shù)來(lái)建立通信機(jī)制。表1是所使用的API函數(shù)，使用Delphi調(diào)用API函數(shù)建立計(jì)算機(jī)與COM口的通信。源程序在uses區(qū)段中加入Windows。

　　5 結(jié)論

　　圖3是傳感器在200PPM乙酰甲胺磷與200PPM 敵百蟲(chóng)1:1混合下測(cè)試的動(dòng)態(tài)特征圖譜。它記錄了測(cè)試點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)的整個(gè)過(guò)程的電壓變化，對(duì)于分析氣敏傳感器的氣氛環(huán)境起了重要的作用。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)高，能靈敏地反應(yīng)出外界氣體的變化，達(dá)到了氣敏傳感器繪圖儀無(wú)法達(dá)到的動(dòng)態(tài)特性，在多傳感器的測(cè)量上可以比較同一時(shí)間的氣敏傳感器各個(gè)信號(hào)值。