【正文】 1 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 外 文 文 獻(xiàn) 譯 文 及 原 文 學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)： 院 （系）： 專 業(yè)： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 2021 年 6 月 14 日 2 基于單片機(jī)的低功耗甲烷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 技術(shù)分類： 測(cè)試與測(cè)量 | 20210508 來(lái)源：微計(jì)算機(jī)信息 | 鄭耀添 1 引言 氣體 檢測(cè)系統(tǒng) 表是工礦企業(yè)、社會(huì)公用事業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域必備的安全裝備。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在可測(cè)氣體種類、測(cè)量范圍、精度、穩(wěn)定性、壽命等主要技術(shù)指標(biāo)方面均有明顯提高，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，儀表向微型化、多參數(shù) 組合與智能化方向發(fā)展。新型 甲烷 氣體檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有智能化的特點(diǎn)，能在一定其他氣體干擾的情況 提 下工作，可以采用電 子鼻。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)模式識(shí)別方法辨識(shí)甲烷氣體。以小型化的電子 系統(tǒng)為基礎(chǔ)的甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮減小系統(tǒng)的體積、簡(jiǎn)化氣體的進(jìn)樣裝置和改進(jìn)電路以滿足 低功耗 要求等問(wèn)題；另外便攜式檢測(cè)系統(tǒng)的操作者通常情況下是現(xiàn)場(chǎng)人員，屬于非專業(yè)人員，系統(tǒng)的操作不能復(fù)雜，因此對(duì)于系統(tǒng)的人機(jī)交互功能在設(shè)計(jì)上也應(yīng)得到重視。 傳統(tǒng)的基于金屬氧化物氣體傳感器存在氣體選擇性不高、抗干擾性差的問(wèn)題，采用單個(gè)傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)中如果有其它氣體干擾，容易出現(xiàn)相似的響應(yīng)而出現(xiàn)誤判。本文所討論基于 單片機(jī) 的高靈敏度甲烷檢 測(cè)系統(tǒng)是以微結(jié)構(gòu)金屬氧化物氣體傳感器陣列為敏感元件，結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行甲烷氣體檢測(cè)的便攜式系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由四單元傳感器陣列器件、氣體進(jìn)樣裝置及高速單片機(jī)為核心的信號(hào)處理電路組成，具有體積小、準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)良性能。本文要介紹該檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)，著重于低功耗電路的設(shè)計(jì)。 2 檢測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 由細(xì)導(dǎo)管、微型抽氣泵和小氣室組成的氣體進(jìn)樣部分，以單片機(jī)為核心的控制、信號(hào)采集處理電路以及顯示、鍵盤、 PC 接口電路，還有在 PC 機(jī)上運(yùn)行的用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的應(yīng)用軟件，如圖 21 所示。檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行 氣體檢測(cè)的工作步驟是，單片機(jī)控制抽氣泵將待檢測(cè)的氣體抽入氣室，同時(shí)采集氣體傳感器陣列的響應(yīng)信號(hào)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后單片機(jī)從保存的數(shù)據(jù)中提取特征值，由識(shí)別網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行氣體識(shí)別，并將結(jié)果輸出到 LCD 顯示屏幕上。針對(duì)便攜式系統(tǒng)的特點(diǎn)，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了具有較小的體積、較低功耗的處理電路。 3 圖 21 甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理圖 低功耗傳感器陣列的制備技術(shù) : 采用由 MEMS 工藝制造的微結(jié)構(gòu)金屬氧化物氣體傳感器陣列作為檢測(cè)系統(tǒng)的氣體敏感元件。微結(jié)構(gòu)金屬氧化物氣體傳感器陣列的特點(diǎn)在引言中有討論。選用的陣列器件體積小，器件面積 3 X 3 mm2，在同一膜片中集成了 2X2個(gè)傳感器單元，每個(gè)單元的工作功耗小于 50mW，并用掩模濺射的方法在每個(gè)單元鍍上相應(yīng)的敏感薄膜，各單元膜電阻在一定的工作溫度下能對(duì)特定氣體濃度的變化產(chǎn)生程度不同的變化。傳感器單元敏感薄膜的 膜電阻變化能迅速的反映氣室中氣體組分和濃度的變化情況，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，可由單片機(jī)通過(guò) A/D 電路采集量化為可以進(jìn)行模式識(shí)別的數(shù)據(jù)。 此外由于便攜式系統(tǒng)采用電池供電，對(duì)設(shè)備各部分電路的功耗要求較嚴(yán)格，因而在電路中采用低工作電壓、低功耗的元器件，并且優(yōu)化設(shè)計(jì)了電源管理功能，保證在電池供電的情況下能工作較長(zhǎng)時(shí)間。 3 檢測(cè)系統(tǒng)電路 Cygnal C805lF020 單片機(jī)介紹 4 圖 31 甲烷檢測(cè)系統(tǒng)電路框圖 內(nèi)置 A/D 電路的 Cygnal C805lF020 是采用 8052 內(nèi)核的 8 位單片機(jī) 1201，屬于高速混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片。它能很好的滿足甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，所以系統(tǒng)采用它作為處理控制核心。圖 31 是檢測(cè)系統(tǒng)電路的組成原理框圖。下面就電路的各部分功能在下面展開(kāi)具體的描述。 電路設(shè)計(jì) 信號(hào)采集、控制電路 首先陣列各單元 的工作溫度需要由加熱電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證在較好的響應(yīng)特性。C8051F020 的一路 12 位 D/A 通過(guò)模擬開(kāi)關(guān) 4052 選通循環(huán)輸出傳感器陣列各單元所需的加熱電壓，并直接通過(guò)高電流輸出運(yùn)放芯片 MAX4069 驅(qū)動(dòng)輸出到各單元，減少了功率輸出電路。在傳感器陣列各單元加熱到工作溫度并穩(wěn)定后，由單片機(jī)通過(guò)氣泵控制電路控制微型氣泵抽入待檢測(cè)的氣體。傳感器陣列和系統(tǒng)電路的信號(hào)采集接口電路與前一章中的數(shù)據(jù)采集電路類似，只是信號(hào)隔離跟隨電路中采用的是單電源低功耗運(yùn)放OP491，四路傳感器單元的響應(yīng)信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)的 A/D 定時(shí)采集， 采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM 芯片 IDT71V124SA 中。 IDT71V124SA 是低功耗 工作電壓靜態(tài) CMOS 隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片，能保存 128K字節(jié)的數(shù)據(jù)。它作為單片機(jī)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)單元，大大彌補(bǔ)了單片機(jī) RAM 空間的不足。但是該器件在進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)需要 100mA 的電流，而在非片選狀態(tài)僅為 l0mA，因此從降低功耗考慮，在單片機(jī)不進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取時(shí)要釋放片選控制信號(hào)以降低功耗。 輸入輸出接口電路 其次，良好的顯示、操作界面是便攜系統(tǒng)所必需的。本系統(tǒng)中采用具有 122X 32 分辨率的圖形點(diǎn)陣液晶模塊 HS12232 作為顯示屏幕，顯示提示和處理結(jié)果。顯示界面設(shè)計(jì)成多層選擇菜單的模式，主菜單中有 甲烷 檢測(cè)、傳感器工作電壓設(shè)置，采樣數(shù)據(jù)上傳和識(shí)別網(wǎng)絡(luò)更新等選項(xiàng)，通過(guò)鍵盤輸入進(jìn)行菜單選擇的方式進(jìn)行各種操作。同時(shí)由 單片機(jī) 的另一路 D/A 輸出提示 音信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出提示音。 根據(jù) 檢測(cè)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)要求，方便靈活地與計(jì)算機(jī)通信也是很重要的。目前 USB 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到了普及，因此選擇采用 USB 通訊方式。 USB 是一種通用串行總線，具有使用可靠、即插即用和成本低廉的特點(diǎn)。檢測(cè)系統(tǒng)電路中使用的 USB 接口芯片是支持 協(xié)議的 Philips 公司的 PDUSBDI2 芯片。單片機(jī)通過(guò)并行 I/O 口向 PDIUSBD 12發(fā)命 令和數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)對(duì) USB 接口讀寫(xiě)，由于在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量傳輸不是很大，采用的是中斷方式非同步傳輸。在 USB 協(xié)議中， USB 總線分有主機(jī)和設(shè)備兩部分，計(jì)算機(jī)上的 USB 控制器是主機(jī)器件， PDIUSBD 12 是設(shè)備器件。圖 32 是 PDIUSBDI2 與單片機(jī)的接口圖。 5 圖 3 2 PDUSBDI2 的接口電路原理圖 系統(tǒng)電源管理電路 最后還需考慮電源的選擇。作為便攜式系統(tǒng)，甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的電源供電方式是電池供電，供電電壓約在 5V。而電路中的有的器件工作在較低的電壓下，如單片機(jī)、 SRAM和 USB 芯片等是 的工作電壓，這就需要在電路中設(shè)計(jì) 的電壓轉(zhuǎn)換電路。通過(guò)對(duì)比，采用 DCDC 器件 LM2S74 進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換 (圖 4)，將 5V 供電電壓轉(zhuǎn)換為 ，即可以滿足低電壓器件的工作要求，減少了額外的功耗，而且通過(guò)設(shè)計(jì)合理的濾波電路，還獲得了較好 的穩(wěn)壓線性輸出。在降 低功耗 方面，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均選用了 CMOS 器件、低功率表貼元器件，不僅使得系統(tǒng)體積較小，而且電路功耗也得到降低 :此外在軟件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)使用了等待和掉電的節(jié)電運(yùn)行機(jī)制，而有的器件是帶 Shutdown 功能的，可以在空閑的時(shí)候進(jìn)入省電模式，進(jìn)一步降低了功耗。