【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 感器的基本性能,亦即傳感器的基本考核指標(biāo),它顯示了傳感器的質(zhì)量和性能,但其大多數(shù)性能指標(biāo)要與前置放大器經(jīng)過(guò)較好的匹配才能體現(xiàn)出來(lái)。在使用中要對(duì)傳感器進(jìn)行考核的基本指標(biāo)有如下幾種:輸出信號(hào)、電極電位、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)線性度、測(cè)量重復(fù)性、抗干擾性、傳感器期待壽命等。(1)輸出信號(hào)定電位電解傳感器的輸出信號(hào)指標(biāo)非常重要,它不僅為前置放大器的設(shè)計(jì)提供了基本參數(shù),而且為今后核實(shí)傳感器的使用壽命提供了標(biāo)準(zhǔn)。，但不同公司生產(chǎn)的傳感器輸出信號(hào)是不同的,同一公司生產(chǎn)的不同傳感器其輸出信號(hào)也不一定相同，故要根據(jù)不同的輸出標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分析。傳感器的輸出信號(hào)隨使用時(shí)間的增加而降低,一般來(lái)說(shuō)當(dāng)其輸出信號(hào)降至標(biāo)稱值的50%時(shí),這支傳感器就不能再使用了。，可見(jiàn)其線性度是比較好的。(2)電極電位定電位電解傳感器的電極電位決定了傳感器分析被分析氣體的種類、傳感器對(duì)各種氣體交叉反應(yīng)的大小以及傳感器抗交叉反應(yīng)的能力。不同公司生產(chǎn)的傳感器給出的電極電位方式也不一樣，一般為mv級(jí)，通常取0mv。 (3)響應(yīng)時(shí)間該指標(biāo)是指從傳感器接受到被分析氣體起計(jì)到達(dá)到響應(yīng)值的90%,亦即t90所需的時(shí)間。一般傳感器指標(biāo)給出的指擴(kuò)散式的響應(yīng)時(shí)間,如60秒等。經(jīng)過(guò)良好的氣路、電路設(shè)計(jì),該指標(biāo)可以達(dá)到20秒左右。 (4)響應(yīng)線性度與測(cè)量重復(fù)性這兩項(xiàng)指標(biāo)與響應(yīng)時(shí)間一起是考核傳感器與儀器優(yōu)良與否的重要因素。在與穩(wěn)定的流量、無(wú)吸附特性的氣路、設(shè)計(jì)合理的前置放大器達(dá)到最佳匹配后,響應(yīng)時(shí)間、線性度和測(cè)量重復(fù)性都等達(dá)到很好的效果。(5)抗干擾性由結(jié)構(gòu)和原理所決定,定電位電解傳感器是存在交叉反應(yīng)的,合理的電極電位可以使其減小到最低程度,這是主動(dòng)的方法。另外,不同公司在生產(chǎn)的傳感器上安裝了過(guò)濾膜,或針對(duì)不同的傳感器設(shè)計(jì)了不同的過(guò)濾器,這是被動(dòng)的方法。之所以說(shuō)被動(dòng),是因?yàn)闊o(wú)論過(guò)濾膜還是過(guò)濾器,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間或長(zhǎng)時(shí)間使用后,畢竟會(huì)因?yàn)轱柡投?。?dāng)然最主動(dòng)的方法是利用傳感器矩陣或計(jì)算機(jī)軟件來(lái)減小交叉反應(yīng),提高抗干擾性。(6)傳感器使用壽命象所有的電化學(xué)傳感器一樣,定電位電解傳感器的輸出信號(hào)隨著時(shí)間的推移也會(huì)逐漸衰降或“老化”,這一現(xiàn)象是多種因素的結(jié)合造成的。一般生產(chǎn)廠家給出的指標(biāo)是2年,這是一個(gè)比較保守的指標(biāo)。傳感器的使用壽命與使用時(shí)的氣體濃度成反比[17]。溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的設(shè)備或裝置。溫濕度傳感器一般是測(cè)量溫度量和相對(duì)濕度量[18]。本課題選用瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。SHT11具有以下特點(diǎn)：，將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上；，接口簡(jiǎn)單，支持CRC傳輸校驗(yàn)．傳輸可靠性高；，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器(分辨率為8～12位，可以通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)部寄存器編程來(lái)選擇)；，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能；(7．62 mm5．08 mm2．5 mm)，測(cè)量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式；，采用CMOSens工藝，測(cè)量時(shí)可將感測(cè)頭完全浸于水中[19]。SHT11的引腳功能：SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式，接口非常簡(jiǎn)單。 SHT11管腳圖引腳的功能如下：腳1和4：信號(hào)地和電源，～ V；腳2和3：二線串行數(shù)字接口，DATA數(shù)據(jù)線，SCK為時(shí)鐘線；腳5～8：未連接。SHT11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理：溫濕度傳感器SHT11將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上。該芯片包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)首先進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大；然后進(jìn)入一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器；最后經(jīng)過(guò)二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。SHT11在出廠前，都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中；在測(cè)量過(guò)程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來(lái)自傳感器的信號(hào)，此外，SHT11內(nèi)部還集成了一個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT11的溫度升高5℃左右，同時(shí)功耗也會(huì)有所增加。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)傳感器元件的性能。在高濕(95％RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。加熱后SHT11溫度升高、相對(duì)濕度降低，較加熱前，測(cè)量值會(huì)略有差異。 SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖微處理器是通過(guò)二線串行數(shù)字接口與SHT11進(jìn)行通信的。通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器I/O口模擬該通信時(shí)序。微處理器對(duì)SHT11的控制是通過(guò)5個(gè)5位命令代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 SHT控制命令代碼命令代碼含義00011測(cè)量溫度00101測(cè)量濕度00111讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器11110復(fù)位命令，使內(nèi)部狀態(tài)寄存器恢復(fù)默認(rèn)值，下一次命令前至少等11ms其他保留SHT11通過(guò)二線數(shù)字串行接口來(lái)訪問(wèn)，所以硬件接口電路非常簡(jiǎn)單。需要注意的地方是：DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻，時(shí)鐘線SCK用于微處理器和SHT11之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對(duì)SCK最低頻率沒(méi)有要求；，SCK頻率最高為10 MHz， V時(shí)，SCK最高頻率則為1 MHz。 因?yàn)槎娢浑娊鈧鞲衅魉敵龅谋粶y(cè)對(duì)象的信號(hào)非常的微弱，放大容易引起電流的失調(diào)，以及零點(diǎn)漂移、自激干擾等。氣體傳感器的輸出信號(hào)范圍為0~5μA，考慮到所測(cè)信號(hào)的變化速度比較慢，一般為10~20秒左右。所以選用可以單端供電的儀表放大器AD623來(lái)實(shí)現(xiàn)前端信號(hào)放大的任務(wù)[20]。AD623儀表放大器是美國(guó)模擬器件公司(Analog Devices Inc,簡(jiǎn)稱ADI)推出的一種低價(jià)格、單電源、輸出擺幅能達(dá)到電源電壓(通常稱之為電源限輸出，即RailToRail Output)的最新儀表放大器。主要特點(diǎn)如下。(G),最高增益可以達(dá)到1000，從而給用戶帶來(lái)極大的方便。%(G=1),增益漂移25ppm(G=1),輸入失調(diào)電壓最大100μV(AD623B)，輸入失調(diào)電壓漂移1μV/176。C(AD623B),輸入偏置電流最大25nA。(它隨增益增加而增加)，使誤差最小。(G=1)。，可以放大比地電位低150mV的共模電壓。AD623單電源供電能達(dá)到最佳性能。(電源電流最大574μA)、寬電源范圍和電源限輸出特性非常適合電池供電應(yīng)用場(chǎng)合。電源限輸出特性使低電源供電條件下，電源輸出級(jí)使其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大。，具有優(yōu)良的線性度、溫度穩(wěn)定性和小體積可靠性。，即DIP、SOIC和小型SOIC三種形式。AD623主要用于低功耗醫(yī)用儀表放大器、傳感器接口、熱電偶放大器、工業(yè)過(guò)程控制、低功耗數(shù)采系統(tǒng)及差動(dòng)放大器。本課題中氣體傳感器出來(lái)的信號(hào)是很微弱的小信號(hào)，采用AD623滿足放大要求。 AD623引腳排列圖 AD623簡(jiǎn)化原理示意圖AD623是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型儀表放大器。AD623與傳統(tǒng)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器(例如AD620)的不同之處是在兩個(gè)輸入放大器之前分別加兩個(gè)PNP晶體管作為電壓緩沖器，以便向兩個(gè)輸入放大器提供共模信號(hào)，并且符合電源限輸入運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)的要求。輸入放大器用來(lái)將差動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，它還對(duì)前面兩個(gè)輸入放大器輸出的共模信號(hào)起到抑制作用。由于AD623電路結(jié)構(gòu)中的三個(gè)運(yùn)放輸出擺幅都能達(dá)到任一電源限，而且其共模電壓范圍可擴(kuò)展到負(fù)電源限以下，所以提高了AD623的輸出信號(hào)范圍。AD623的輸出電壓計(jì)算公式如式31所示： （31） AD623中的三個(gè)運(yùn)放都是電壓反饋型運(yùn)放(VFA)，所以當(dāng)增益增加時(shí)，AD623的帶寬減小。AD623的增益(G)是用一個(gè)精密電阻Rg設(shè)置的，而不論引腳1和8之間的阻抗如何。應(yīng)該注意，如果需要設(shè)置G=1, Rg不必連接。電阻選擇計(jì)算公式如式32所示： （32） AD623的參考端(REF)電位用來(lái)確定零輸出電壓，這當(dāng)負(fù)載與系統(tǒng)的地不共地時(shí)特別有用。它提供一種對(duì)輸出引入精密補(bǔ)償?shù)闹苯臃椒?。還可以利用參考端提供一個(gè)虛地電壓來(lái)放大雙極性信號(hào)。參考端允許的電壓變化范圍為如果AD623相對(duì)地輸出，則參考端應(yīng)接地[21]。在AD623的正向輸入端加了一個(gè)高質(zhì)量的濾波電容。增益電阻選用了一個(gè)的高精度電阻，則放大倍數(shù)約為100。由放大電路出來(lái)的信號(hào)約為0~5V，滿足A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的0~5V的輸入要求[22]。 氣體傳感器出來(lái)的信號(hào)是模擬信號(hào)，而微處理器AT89S52只能處理數(shù)字信號(hào)，故需要對(duì)模擬信號(hào)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為處理器能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由于經(jīng)過(guò)放大電路出來(lái)的模擬電壓變化范圍在0~5V，故選擇性價(jià)比比較合適的ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 ADC0809管腳示意圖： ADC0809各腳功能引腳功能介紹D7D0IN0IN78位數(shù)字量輸出引腳8位模擬量輸入引腳VCC+5V工作電壓REF（+）參考電壓正端REF（）參考電壓負(fù)端STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端ALE地址鎖存允許信號(hào)輸入端EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平OE輸出允許控制端，用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500KHz）。A、B、C地址輸入線ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。ADC0809的時(shí)序接口為51系列單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，操作方便，如同對(duì)存儲(chǔ)器或I/O操作一樣，A/D轉(zhuǎn)換精度為8比特，滿足本課題要求。輸入的模擬電壓為0~5V，一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μS。為了使本系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測(cè)更為直觀，采用了由6個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成的聲光報(bào)警電路。其中對(duì)應(yīng)每一種有毒氣體都有一紅一綠兩個(gè)發(fā)光二極管與其對(duì)應(yīng)，正常情況下對(duì)應(yīng)綠色的發(fā)光二極管亮，蜂鳴器不響；當(dāng)氣體的濃度超標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)紅色的發(fā)光二極管亮，并啟動(dòng)蜂鳴器。，其中DDD5是綠色發(fā)光二極管，分別對(duì)應(yīng)三種有毒氣體；而DDD6是紅色發(fā)光二極管，也分別對(duì)應(yīng)三種有毒氣體[23][24]。本課題所要顯示的數(shù)據(jù)一共有5個(gè)，分別是3種有毒氣體的濃度和室內(nèi)的溫度、濕度，故選用2行16個(gè)字符的LCD1602作為顯示模塊，滿足顯示要求。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件了。 LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，有8位數(shù)據(jù)總線D0~D7，和RS、R/W、EN三個(gè)控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑?duì)比度調(diào)節(jié)和背光。顯示容量162字符芯片工作電壓～工作電流(5V)最佳工作電壓5V字符尺寸（WH）mm。 AT89S52芯片具有復(fù)位操作功能。RST為復(fù)位輸入引腳，可在上電或芯片工作的任何時(shí)候?qū)T89S52芯片進(jìn)行復(fù)位。在每次上電之后都應(yīng)使芯片處于復(fù)位狀態(tài)，即給RST一個(gè)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平位觸發(fā)信號(hào)。本課題使用傳統(tǒng)的RC復(fù)位電路。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，一般的單片機(jī)系統(tǒng)都用此復(fù)位系統(tǒng)，還外加一個(gè)復(fù)位按鍵，可以人為的給芯片加一個(gè)復(fù)位信號(hào)。 本設(shè)計(jì)采用集成穩(wěn)壓器7805，C2C30分別為輸入端和輸出端濾波電容，D1為續(xù)流二極管。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱板。 本章首先介紹了便攜式室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，該儀器以8位單片機(jī)AT89S52作為控制核心，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，完成了有毒氣體濃度信號(hào)的采集放大轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路等的設(shè)計(jì)。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)有毒氣體濃度信號(hào)和溫濕度信號(hào)采集與顯示及超標(biāo)聲光報(bào)警等功能。本章重點(diǎn)介紹了信號(hào)采集模擬電路和以主控制器為中心的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與工作原理。首先討論了有毒氣體采集模塊中傳感器選擇問(wèn)題及模擬放大電路的設(shè)計(jì)問(wèn)題，最后討論了系統(tǒng)的外圍接口電路模塊，包括液晶顯示,聲光報(bào)警等，實(shí)現(xiàn)了各外圍接口電路模塊與AT89S52的硬件接口設(shè)計(jì)。這一章比較具體的說(shuō)明了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)思想，把一個(gè)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)按照功能劃分成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的電路模型，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在集成到一起。這種方法對(duì)于設(shè)計(jì)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)很有效。大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。（說(shuō)明：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的電路原理圖附在論文的附錄里面。）第四章 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實(shí)現(xiàn)將依賴于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)同一硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能也就不同，其設(shè)計(jì)軟件基本要求:。可靠性是軟件設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。、易維護(hù)性。編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時(shí)做出處理結(jié)果。保證系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的精度。目前存在有4種編程語(yǔ)言支持單片機(jī)，即匯編語(yǔ)言、PL/M51語(yǔ)言、C語(yǔ)言和BASI語(yǔ)言。其中匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言應(yīng)用的較多，匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，這里選用了功能強(qiáng)、效率高的