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）