基于89S51的TiO2氧敏传感器测量电路
一、前言
研究气敏机理，分析制备工艺，监督生产过程，检验产品质量，以及利用气敏元件装各种整机等，都要对气敏元件的性能参数进行测试。因此，如何测试气敏元件是从事气敏专业工作的人员十分关心的问题。气敏元件的电参量是随外界气体种类和浓度变化而变化的敏感元件，围绕传感器参数的自动测量，我们设计了利用单片机89S51的测试系统。
二、氧敏元件性能特点阐述
气敏元件种类很多，特性各异。电阻型半导体气敏元件近年来发展较快，应用较广，主要用于检测可燃烧性气体和有毒性气体。其工作原理是当接触某种气体时，本身的电阻值发生变化。表示其特异性的参数有灵敏度、选择性、浓度特性、响应时间、恢复时问、加热特性、温湿度特性、稳定特性等，这些参数都与气敏元件电阻值变化的大小和快慢有关。因此说，电阻值是气敏元件的本征参数，电阻型半导体气敏元件实质是电阻变换器。气敏元件的特性与工作条件有关，当工作温度不同时，灵敏度、响应时问、恢复时间也不同，甚至选择性也不一样。另外工作电压(气敏元件各极间的电压)，工作电流(气敏元件两个极间的电流)对其特性都有一定的影响。因此，在测试中要特别注意保持工作条件的相对稳定，并应测出最佳工作条件及在该条件下气敏元件的特性。
本文中所研究的TiO2 氧敏传感器阻值即体现了敏感器随环境氧气浓度的密切变化，由于阻值较高（范围0~200M，一般都在100M左右），而且课题要求阻值测量精度为±0.5%，因此实现起来有一定的难度。
三、系统总体方案
TiO2 氧敏传感器经加热，输出为0~200M的电阻信号，首先经分压电路（分量程）进行阻压变换处理再放大，然后通过线性化电路进行非线性误差补偿，送A/D转换电路进行模数转换，将数据送单片机。单片机根据数值大小判断是否需要量程切换从而控制换挡，还可以进一步对数据进行软件误差补偿处理，最后驱动数码管显示输出。其系统总体框图如图1所示：
•控制核心：采用Atmel公司生产的AT89S51单片机为控制处理核心，由它完成对数据的采集，处理以及量程控制。它带有一个4KB的可编程／可擦除／只读存储器；其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，并且具有ISP功能；
•线性化放大电路部分：采用以AD538（8）为核心的处理电路，恒流源供电、高精度运放OP77实现放大、阻抗匹配和隔离；
•量程转换部分：采用不同的分压电阻，用继电器控制实现最多6个量程档位划分需要；
•A/D转换部分：根据显示精度±0.5%的要求，采用12位AD574实现，电路简单可靠；
•驱动显示部分：采用专用芯片7219驱动数码管，用6位高精度稳定显示，根据实际最多可扩展为8位。
1．自动量程转换电路
由于采用电阻分压原理来测量传感器的的电阻值，为了适合不同传感器的测量需要，所以本仪器设置了6个档位来保证测量精度。由于常用自动换档模拟电子开关CD4051在测量阻值比较高的情况下，产生误差很大，对于本课题所研究的这种传感器不适用，因此改用了继电器机械开关来实现。尽管机械开关转换速率不如电子开关，但完全可以满足本课题气体浓度变换不太剧烈情况下的测量需要。仪器开始工作时启动默认量程工作，然后单片机采样数据，检测量程是否合适，如果不合适则发出控制信号，启动换档，直到合适为止。两量程划分见表1。
2．A/D转换电路 (3)
为了满足高精度测量，采用了12位快速逐次逼近型A/D转换器AD574，其最快转换时间为25ms，转换误差为±1LSB。接成单极性方式，输入电压范围为0~20V。为了使电路设计简洁，AD574的2脚接地，这样数据分时传送。
3．线性化电路（8）
由于气敏传感器电阻特性的非线性，为了满足高精度测量的要求，有必要加入线性化电路进行补偿。半导体Ti02是缺氧型氧化物，在氧分压低的介质气体中由于氧缺位而构成电子传导型半导体。图3对应于TiO2 氧敏传感器电阻与氧分压P的关系。可表示为：
其中：A----常数；E----导电活化能；k----波尔兹曼常数；T----温度；n----敏感材料与气氛相平衡时主导缺陷所决定的常数，在n型半导体中为负，即电阻随分压升高而下降。
线性化电路最重要的集成电路是平方律电路。该电路采用模拟运算电路AD538。AD538是美国ＡＤＩ公司出品的单片实时模拟计算芯片，它能实时完成对数、指数、乘方和开方等运算，结构简单、精度高、运算速度快，可在高速工业测控系统、航空航天以及国防领域得到应用，它有三个输入电压VX，VY，VZ。其输出电压可以按照公式（1）的函数关系输出。由于线性化电路的前级是比例运放电路，其输出关系为公式（2），为，这样TiO2氧敏传感器的输出电阻与氧气浓度之间的非线性关系经过变换可表示为公式（3），这里设置m=n-1，就可以得到输出电压与氧分压P之间的线性对应关系，简化为公式（4）。这样只需要适当添加一些外围元件，其工作系数m由R23和R30决定，即可实现。
线性化电路示于图4。检测气体时，用稳压电源5V对气敏传感器进行间接加热，其气体浓度的等效电阻随着气体浓度增加而呈非线性减少。
在没有线性化电路时，具有接近-1%的非线性误差；而增加线性化电路后，非线性误差变为大约0.1%~0.2%。
4．MAXIM7219组成的显示电路
在单片机系统中，单片机与LED的连接方式有并行和串行方式，并行方式由于占用口线多，不利于系统的进一步扩展，串行方式一般采用74LS164或74LS595，由于它们一个芯片只能驱动一位LED，要想输出8位LED显示，则需要8片集成电路，造成电路复杂，体积增大。
MAX7219（1）是单片机和共阴极七段——八位LED 显示或64 点阵显示接口的小型串行输入/输出芯片，一片就可以驱动8位LED，电路简单又节约口线。片内包括BCD 译码器、多路扫描控制器、字和位驱动器和8×8 静态RAM。外部只需要一个电阻设置所有LED 显示器字段电流。MAX7219 和单片机只需三根导线连接，每位显示数字有一个地址由微处理器写入。允许使用者选择每位是BCD 译码或不译码。
MAX7219 和单片机之间有三条引线（DIN、CLK、LOAD），采用16 位数据串行移位接收方式。即单片机将16 位二进制数逐位发送到DIN 端，在CLK 上升沿到来前准备就绪，CLK 的每个上升沿将一位数据移入MAX7219 内移位寄存器，当16 位数据移入完，在LOAD 引脚信号上升沿将16 位数据装入MAX7219 内的相应位置，在MAX7219 内部硬件动态扫描显示控制电路作用下实现动态显示。
四、结束语
本文介绍了一种可实时高精度显示当前阻值和环境气体浓度值的自动换档TiO2 氧敏传感器测量电路，对该系统的硬件设计做了详细的介绍。本文创新点是：针对处于研发前沿的TiO2 氧敏传感器的高阻特点（0-200M）及非线性电特性（幂函数特性）解决了其高精度测量问题，其主要方法是采用合适的幂函数线性化误差补偿电路以及利用单片机控制继电器自动换档（替换掉一种模拟电子开关）来实现，结构简单，测量精度高，具有广阔的应用前景；另外，为进一步提高精度，可加入软件查表补偿方法来完成。该课题成功解决了导师在研的关于敏感器件特性研究及应用研究中的一个问题，为气敏传感器检测部分提供了工具，也为相关产品的投入使用迈出了一步。
研究气敏机理，分析制备工艺，监督生产过程，检验产品质量，以及利用气敏元件装各种整机等，都要对气敏元件的性能参数进行测试。因此，如何测试气敏元件是从事气敏专业工作的人员十分关心的问题。气敏元件的电参量是随外界气体种类和浓度变化而变化的敏感元件，围绕传感器参数的自动测量，我们设计了利用单片机89S51的测试系统。
二、氧敏元件性能特点阐述
气敏元件种类很多，特性各异。电阻型半导体气敏元件近年来发展较快，应用较广，主要用于检测可燃烧性气体和有毒性气体。其工作原理是当接触某种气体时，本身的电阻值发生变化。表示其特异性的参数有灵敏度、选择性、浓度特性、响应时间、恢复时问、加热特性、温湿度特性、稳定特性等，这些参数都与气敏元件电阻值变化的大小和快慢有关。因此说，电阻值是气敏元件的本征参数，电阻型半导体气敏元件实质是电阻变换器。气敏元件的特性与工作条件有关，当工作温度不同时，灵敏度、响应时问、恢复时间也不同，甚至选择性也不一样。另外工作电压(气敏元件各极间的电压)，工作电流(气敏元件两个极间的电流)对其特性都有一定的影响。因此，在测试中要特别注意保持工作条件的相对稳定，并应测出最佳工作条件及在该条件下气敏元件的特性。
本文中所研究的TiO2 氧敏传感器阻值即体现了敏感器随环境氧气浓度的密切变化，由于阻值较高（范围0~200M，一般都在100M左右），而且课题要求阻值测量精度为±0.5%，因此实现起来有一定的难度。
三、系统总体方案
TiO2 氧敏传感器经加热，输出为0~200M的电阻信号，首先经分压电路（分量程）进行阻压变换处理再放大，然后通过线性化电路进行非线性误差补偿，送A/D转换电路进行模数转换，将数据送单片机。单片机根据数值大小判断是否需要量程切换从而控制换挡，还可以进一步对数据进行软件误差补偿处理，最后驱动数码管显示输出。其系统总体框图如图1所示：
•控制核心：采用Atmel公司生产的AT89S51单片机为控制处理核心，由它完成对数据的采集，处理以及量程控制。它带有一个4KB的可编程／可擦除／只读存储器；其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，并且具有ISP功能；
•线性化放大电路部分：采用以AD538（8）为核心的处理电路，恒流源供电、高精度运放OP77实现放大、阻抗匹配和隔离；
•量程转换部分：采用不同的分压电阻，用继电器控制实现最多6个量程档位划分需要；
•A/D转换部分：根据显示精度±0.5%的要求，采用12位AD574实现，电路简单可靠；
•驱动显示部分：采用专用芯片7219驱动数码管，用6位高精度稳定显示，根据实际最多可扩展为8位。
1．自动量程转换电路
由于采用电阻分压原理来测量传感器的的电阻值，为了适合不同传感器的测量需要，所以本仪器设置了6个档位来保证测量精度。由于常用自动换档模拟电子开关CD4051在测量阻值比较高的情况下，产生误差很大，对于本课题所研究的这种传感器不适用，因此改用了继电器机械开关来实现。尽管机械开关转换速率不如电子开关，但完全可以满足本课题气体浓度变换不太剧烈情况下的测量需要。仪器开始工作时启动默认量程工作，然后单片机采样数据，检测量程是否合适，如果不合适则发出控制信号，启动换档，直到合适为止。两量程划分见表1。
2．A/D转换电路 (3)
为了满足高精度测量，采用了12位快速逐次逼近型A/D转换器AD574，其最快转换时间为25ms，转换误差为±1LSB。接成单极性方式，输入电压范围为0~20V。为了使电路设计简洁，AD574的2脚接地，这样数据分时传送。
3．线性化电路（8）
由于气敏传感器电阻特性的非线性，为了满足高精度测量的要求，有必要加入线性化电路进行补偿。半导体Ti02是缺氧型氧化物，在氧分压低的介质气体中由于氧缺位而构成电子传导型半导体。图3对应于TiO2 氧敏传感器电阻与氧分压P的关系。可表示为：
其中：A----常数；E----导电活化能；k----波尔兹曼常数；T----温度；n----敏感材料与气氛相平衡时主导缺陷所决定的常数，在n型半导体中为负，即电阻随分压升高而下降。线性化电路最重要的集成电路是平方律电路。该电路采用模拟运算电路AD538。AD538是美国ＡＤＩ公司出品的单片实时模拟计算芯片，它能实时完成对数、指数、乘方和开方等运算，结构简单、精度高、运算速度快，可在高速工业测控系统、航空航天以及国防领域得到应用，它有三个输入电压VX，VY，VZ。其输出电压可以按照公式（1）的函数关系输出。由于线性化电路的前级是比例运放电路，其输出关系为公式（2），为，这样TiO2氧敏传感器的输出电阻与氧气浓度之间的非线性关系经过变换可表示为公式（3），这里设置m=n-1，就可以得到输出电压与氧分压P之间的线性对应关系，简化为公式（4）。这样只需要适当添加一些外围元件，其工作系数m由R23和R30决定，即可实现。
线性化电路示于图4。检测气体时，用稳压电源5V对气敏传感器进行间接加热，其气体浓度的等效电阻随着气体浓度增加而呈非线性减少。
在没有线性化电路时，具有接近-1%的非线性误差；而增加线性化电路后，非线性误差变为大约0.1%~0.2%。
4．MAXIM7219组成的显示电路
在单片机系统中，单片机与LED的连接方式有并行和串行方式，并行方式由于占用口线多，不利于系统的进一步扩展，串行方式一般采用74LS164或74LS595，由于它们一个芯片只能驱动一位LED，要想输出8位LED显示，则需要8片集成电路，造成电路复杂，体积增大。
MAX7219（1）是单片机和共阴极七段——八位LED 显示或64 点阵显示接口的小型串行输入/输出芯片，一片就可以驱动8位LED，电路简单又节约口线。片内包括BCD 译码器、多路扫描控制器、字和位驱动器和8×8 静态RAM。外部只需要一个电阻设置所有LED 显示器字段电流。MAX7219 和单片机只需三根导线连接，每位显示数字有一个地址由微处理器写入。允许使用者选择每位是BCD 译码或不译码。
MAX7219 和单片机之间有三条引线（DIN、CLK、LOAD），采用16 位数据串行移位接收方式。即单片机将16 位二进制数逐位发送到DIN 端，在CLK 上升沿到来前准备就绪，CLK 的每个上升沿将一位数据移入MAX7219 内移位寄存器，当16 位数据移入完，在LOAD 引脚信号上升沿将16 位数据装入MAX7219 内的相应位置，在MAX7219 内部硬件动态扫描显示控制电路作用下实现动态显示。
四、结束语
本文介绍了一种可实时高精度显示当前阻值和环境气体浓度值的自动换档TiO2 氧敏传感器测量电路，对该系统的硬件设计做了详细的介绍。本文创新点是：针对处于研发前沿的TiO2 氧敏传感器的高阻特点（0-200M）及非线性电特性（幂函数特性）解决了其高精度测量问题，其主要方法是采用合适的幂函数线性化误差补偿电路以及利用单片机控制继电器自动换档（替换掉一种模拟电子开关）来实现，结构简单，测量精度高，具有广阔的应用前景；另外，为进一步提高精度，可加入软件查表补偿方法来完成。该课题成功解决了导师在研的关于敏感器件特性研究及应用研究中的一个问题，为气敏传感器检测部分提供了工具，也为相关产品的投入使用迈出了一步。
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