基于单片机的低功耗甲烷检测系统设计.pdf
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1、单片机开发与应用中文核心期刊微计算机信息( 嵌入式与S O C ) 2 0 0 8 年第2 4 卷第2 2 期文章编号:1 0 0 8 0 5 7 0 ( 2 0 0 8 ) 0 2 - 2 0 0 7 6 - 0 3基于单片机的低功耗甲烷检测系统设计D e s i g no faL o wC o s ta n dS e n s i t i v eM e t h a n eD e t e c t o rb a s e do nt h eS o C( 韩山师范学院) 郑耀添 Z H E N GY A O T I A N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
2、统的研究。研制成功的低功耗高 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,L C D 显示和U S B 接1 :7 。操作方便。检测仪硬件由微结构金 属氧化物气体传感器阵列、气体进样装置及高速S O C 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 5w 。关键字:检测系统;低功耗;甲烷;单片机中图分类号:T P l 2 6文献标识码:AA b s t r a c t :I nt h i sp a p e r ,t h eg a ss e n s o ra r r a yt e s t i n gs
3、 y s t e ma n dt h ep o r t a b l em e t h a n ed e t e c t o rw e r es t u d i e d Al o wc o s ts e n s i t i v em e t h a n ed e t e c t o rw a sd e s i g n e d T h ed e t e c t o r ,w i t hL C Dd i s p l a y ,U S Bi n t e r f a c ea n db a t t e r ys u p p l ys h o w sg o o dc h a r a c t e r i s
4、 t i c si ni t ss m a l ls i z e ,l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g ha c c u r a c y T h eh a r d w a r eo ft h ed e t e c t o rc o n s i s t so fam e t a lo x i d em i c r og a ss e n s o ra r r a y ,g a ss a m p l i n ga p p a r a t u sa n das i g n a lp r o c e s s i n gu n i tw i t h
5、h i l g hs p e e dS o Cm i c r o p r o c e s s o r T h el o wp o w e rc h i p sw e r eu s e dt oi n s u r et h a tt h ew h o l es y s t e mp o w e ri su n d e r1 5 W K e y w o r d s :D e t e c t o rS y s t e m , L o wC o s t , M e t h a n e S o C1 引言气体检测系统表是工矿企业、社会公用事业、环境保护等领域必备的安全装备。经过几十年的发展在可测气体种类
6、、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。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
7、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,以郑耀添:讲师单片机为核心的控制、信号采集处理电路以及显示、键盘、P c接口电路,还有在P c 机上运行的用于人工神经网络训练的应用
8、软件,如图1 所示。检测系统进行气体检测的工作步骤是单片机控制抽气泵将待检测的气体抽人气室,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并将结果输出到L C D 显示屏幕上。针对便携式系统的特点检测系统设计了具有较小的体积、较低功耗的处理电路。器阵列图l 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M E M S 工艺制造的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3x3m m 2 。在同一膜片中集成了2
9、X 2 个传感器单元,每个单元的工作功耗小于5 0 m W ,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一7 6 3 6 0 元,年邮局订阅号:8 2 - 9 4 6万方数据隆麴琵襄纛熬瓣黪耩囊蓑潮单片机开发与应用别的数据。的方式进行各种操作。同时由单片机的另一路D A 输出提示音此外由于便携式系统采用电池供电,对设备各部分电路的信号,驱动蜂呜器发出提示音。功耗要求较严格,因
10、而在电路中采用低工作电压、低功耗的元根据检测系统的设计要求,方便灵活地与计算机通信也是器件并且优化设计了电源管理功能,保证在电池供电的情况很重要的。目前U S B 标准已经得到了普及,因此选择采用U S B下能工作较长时间。通讯方式。U S B 是一种通用串行总线,具有使用可靠、即插即用3 检测系统电路3 1C y g n a lC 8 0 5 1 F 0 2 0 单片机介绍图2 甲烷检测系统电路框图内置A D 电路的C y g n a lC 8 0 5 1 F 0 2 0 是采用8 0 5 2 内核的8位单片机1 2 0 1 ,属于高速混合信号系统级芯片。它能很好的满足甲烷检测系统的设计要求
11、,所以系统采用它作为处理控制核心。图2 是检测系统电路的组成原理框图。下面就电路的各部分功能在下面展开具体的描述。3 2 电路设计3 2 1 信号采集、控制电路首先阵列各单元的工作温度需要由加热电压进行调节,以保证在较好的响应特性。C 8 0 51 F 0 2 0 的一路1 2 位D A 通过模拟开关4 0 5 2 选通循环输出传感器阵列各单元所需的加热电压。并直接通过高电流输出运放芯片M A X 4 0 6 9 驱动输出到各单元减少了功率输出电路。在传感器阵列各单元加热到工作温度并稳定后,由单片机通过气泵控制电路控制微型气泵抽入待检测的气体。传感器阵列和系统电路的信号采集接1 :3 电路与前
12、一章中的数据采集电路类似,只是信号隔离跟随电路中采用的是单电源低功耗运放O P 4 9 1 ,四路传感器单元的响应信号由单片机内的M D 定时采集,采集到的数据存储在S R A M 芯片I D T T l V l 2 4 S A 中。I D T 7 1 V 1 2 4 S A 是低功耗3 3 V 工作电压静态C M O S 随机存储器芯片,能保存1 2 8 K 字节的数据。它作为单片机的扩展数据单元大大弥补了单片机R A M 空间的不足。但是该器件在进行读写操作时需要l O O m A 的电流,而在非片选状态仅为1 0 m A ,因此从降低功耗考虑,在单片机不进行数据的读取时要释放片选控制信号
13、以降低功耗。3 2 2 输入输出接口电路其次,良好的显示、操作界面是便携系统所必需的。本系统中采用具有1 2 2 X3 2 分辨率的图形点阵液晶模块H S t 2 2 3 2 作为显示屏幕,显示提示和处理结果。显示界面设计成多层选择菜单的模式,主菜单中有甲烷检测、传感器工作电压设置,采样数据上传和识别网络更新等选项,通过键盘输入进行菜单选择和成本低廉的特点。检测系统电路中使用的U S B 接口芯片是支持U S B l 1 协议的P h i l i p s 公司的P D U S B D l 2 芯片。单片机通过并行I OE l 向P D I U S B D1 2 发命令和数据以实现对U S B
14、接口读写,由于在本系统中数据量传输不是很大,采用的是中断方式非同步传输。在U S B 协议中,U S B 总线分有主机和设备两部分,计算机上的U S B 控制器是主机器件,P D I U S B D1 2 是设备器件。图3 是P D I U S B D l 2 与单片机的接口图。L ,6 U ) I Y U Z Ui J U U 门l T A B L 卜D 1D ED 3V o u t剁l 4 婀 l D 3V 砸 JI D 5 D 4G 啦疆 yl 。一D 6X r A 工二D 7X T A L l址丝A OOEN昔目A L E7 、1 0。I 正E O T N。糯 l lr 1 2刚D M
15、 A C E N 。一I j嬲嗍武卫 U S B D N T1 4D N T NR D 1 5W R监1 6R DR F S F T NW RT图3P D U S B D l 2 的接口电路原理图3 2 3 系统电源管理电路最后还需考虑电源的选择。作为便携式系统,甲烷检测系统的电源供电方式是电池供电,供电电压约在5 V 。而电路中的有的器件工作在较低的电压下。如单片机、S R A M 和U S B 芯片等是3 3 V 的工作电压。这就需要在电路中设计5 V 一3 3 V 的电压转换电路。通过对比采用D C D C 器件L M 2 S 7 4 进行电压转换f 图4 ) ,将5 v 供电电压转换为
16、3 3 V ,即可以满足低电压器件的工作要求。减少了额外的功耗,而且通过设计合理的滤波电路。还获得了较好的稳压线性输出。在降低功耗方面,在系统设计中均选用了C M O S 器件、低功率表贴元器件,不仅使得系统体积较小而且电路功耗也得到降低:此外在软件设计上,系统使用了等待和掉电的节电运行机制,而有的器件是带S h u t d o w n功能的,可以在空闲的时候进入省电模式,进一步降低了功耗。+ 5 V+ V 眦s ,a _ H 土,I NJ C 广T 图4 电源电压转换电路4 检测系统电路调试在确定了系统电路硬件总体和各部分的设计方案后,制作了实验电路板对电路进行了初步的调试。电源是采用4 节
17、镍氢充电电池串连,经过调试,每路加热电压驱动电路可以输出最高4 5 v 的电压。在对传感器进行加热的情况下,同时进行数据的采集保存,总电流可以控制在2 5 0 m A 以内,其中单片机电路部分约1 2 0 m A 传感器阵列加热电流不高于8 0 m A ,抽气泵工作电路低于5 0 m A 满足了设计中的低功耗目标。检测系统硬件电路调试完成后,通过编写单片机程序和计算机应用程序,可 黜嗣邮局订阅号:8 2 删3 帆,年- 7 7 万方数据单片机开发与应用中文核心麓刊徽计算机信患( 嵌入式与S O C ) 2 0 0 8 年第2 4 卷第2 2 期以在检测系统中实现气体识别等功能。( - 上接第1
18、 3 0 页)5 甲烷检测系统软件设计检测系统电路调试通过后需要结合识别软件才能进行气体的检测。本文主要在软件设计方面进行研究,提出了适合单片机系统的网络识别算法,在单片机软件和P c 机软件两个方面进行了网络构建、网络训练等的讨论,同时对系统的其它功能程序也做了说明。由于C 8 0 5 1 系列单片机具有完整的8 0 5 2 内核与M C S 一5 1指令完全兼容,可采用标准的8 0 5 x 编译器进行软件开发。在本检测系统的单片机软件设计中,采用了C y g n a lC 5 1 I D E 的开发环境,通过电路中预留的J T A G 接口调试程序,依据检测系统的不同功能的需要采用模块化的
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