基于单片机的低功耗甲烷检测系统设计

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1 {9 u; c3 x6 f5 n5 \5 a摘要:本文开展了作为电子鼻硬件平台的气体传感器阵列测试系统和高灵敏度甲烷检测系统的研究。研制成功的低功耗高
+ o0 Y$ e* |4 ~& [5 W7 Z8 F8 ~灵敏度甲烷检测系统具有低功耗、智能化的特点,采用电池供电,LCD显示和USB接口, 操作方便。检测仪硬件由微结构金
. ^5 C. p% ~$ K属氧化物气体传感器阵列、气体进样装置及高速SOC单片机为核心的信号处理电路组成。在硬件设计中,着重于低功耗电
路的设计,采用低功率器件和省电管理模式,使整个系统的工作功率低于1.5 W。
" ~, Q/ ~6 n$ t. |3 n2 q# T6 D4 u关键字:检测系统;低功耗;甲烷;单片机
5 t# z( i; V, E+ b/ S" \* u1引言
气体检测系统表是工矿企业、社会公用事业、环境保护等
9 C' n8 \+ b8 k% ]! {& K+ R. F领域必备的安全装备。经过几十年的发展,在可测气体种类测
量范围、精度稳定性、寿命等主要技术指标方面均有明显提
- h3 }- P2 P& A+ X% S" Y高,随着大规模集成电路技术的发展，仪表向微型化、多参数组
; t1 n6 o  C9 K* z' z  Y合与智能化方向发展。新型甲烷气体检测系统应具有智能化的
4 p0 U4 T! |$ T+ D: S$ J* I特点,能在一定其他气体干扰的情况下工作,可以采用电子鼻。，
系统的结构,通过模式识别方法辨识甲烷气体。以小型化的电
$ Q5 J- k7 a) G/ W. P/ v4 Z8 M子鼻系统为基础的甲烷气体检测系统,在设计上应考虑减小系
统的体积、简化气体的进样装置和改进电路以满足低功耗要求
2 D: U! \/ u: G" l5 L$ l等问题;另外便携式检测系统的操作者通常情况下是现场人
, J# P9 F' x6 l0 C3 H8 N) `员,属于非专业人员,系统的操作不能复杂,因此对于系统的人
机交互功能在设计上也应得到重视。
' e# e3 y" t$ P, I/ X' h# A传统的基于金属氧化物气体传感器存在气体选择性不高、
抗干扰性差的问题,采用单个传感器的检测系统在检测中如果
有其它气体干扰,容易出现相似的响应而出现误判。本文所讨
论基于单片机的高灵敏度甲烷检测系统是以微结构金属氧化
物气体传感器阵列为敏感元件,结合模式识别技术进行甲烷气
& O' A9 K8 v" Q- l体检测的便携式系统。整个系统由四单元传感器阵列器件、气
, E' _% I5 G7 {. X8 n4 T体进样装置及高速单片机为核心的信号处理电路组成,具有体
" ~2 t; ^1 v! R& N1 x( z( R2 a$ F积小、准确度高抗干扰能力强等优良性能。本文要介绍该检测
系统的工作原理和设计,着重于低功耗电路的设计。
2检测系统基本结构
由细导管、微型抽气泵和小气室组成的气体进样部分,以
# l7 O- b5 ]; d$ f9 {' t. @, M8 m
. I. w6 G4 M' h! r* v7 u  r. v单片机为核心的控制、信号采集处理电路以及显示、键盘、PC
接口电路,还有在PC机上运行的用于人工神经网络训练的应
+ c1 k1 T6 F7 U3 O用软件,如图1所示。检测系统进行气体检测的工作步骤是,单
6 P' v4 O% V* m5 x片机控制抽气泵将待检测的气体抽入气室,同时采集气体传感
器阵列的响应信号,并进行转换,储存在数据存储器中,然后单
, @( z$ _) o3 p: p片机从保存的数据中提取特征值，由识别网络进行气体识别,
: D) x3 W) _& i: o( H3 _: q2 E7 b并将结果输出到LCD显示屏幕上。针对便携式系统的特点,检
0 d7 n. A7 Q: e; \0 P# U测系统设计了具有较小的体积较低功耗的处理电路。
图1甲烷检测系统的组成原理图
低功耗传感器阵列的制备技术:采用由MEMS工艺制造的
. m# }: h# [. r1 ~微结构金属氧化物气体传感器阵列作为检测系统的气体敏感
+ E2 `5 x0 d9 O* u$ O9 X2 n元件。微结构金属氧化物气体传感器阵列的特点在引言中有讨
论。选用的阵列器件体积小，器件面积3 X 3 mm2 ,在同-膜片
4 X3 B- z4 G0 L9 x7 M" W3 E中集成了2X2 个传感器单元，每个单元的工作功耗小于
6 d3 O0 |9 T. n50mW,并用掩模溅射的方法在每个单元镀上相应的敏感薄膜,
各单元膜电阻在一定的工作温度下能对特定气体浓度的变化
产生程度不同的变化。传感器单元敏感薄膜的膜电阻变化能迅
6 O0 F/ V* a! B0 w, |1 z速的反映气室中气体组分和浓度的变化情况，将其转变为电压
- z$ f! [0 x" D1 m信号后,可由单片机通过A/D电路采集量化为可以进行模式识


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采用单个传感器的检测系统在检测中如果有其它气体干扰,容易出现相似的响应而出现误判

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