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下工作，可以采用電子鼻。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過模式識(shí)別方法辨識(shí)甲烷氣體。以小型化的電子鼻系統(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1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。
圖1 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A/D電路采集量化為可以進(jìn)行模式識(shí)別的數(shù)據(jù)。
3.2電路設(shè)計(jì)
3.2.1 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通過模擬開關(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3.3V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。
