采用雙傳感補償的可燃性氣體報警器的設計

　　摘要：本文介紹了一種采用兩個同類型氣體傳感器來實現溫度補償的可燃性氣體報警器。把一種氣體傳感器密封作成溫度傳感器，對另一種氣體傳感器進行溫度修正，以在寬范圍內消除環境溫度對氣體傳感器特性的影響。該報警器采用MOTOROLA的MC68HC05P6A單片機作為核心控制部件，內嵌基于一定算法的用戶程序，以達到對于特定氣體傳感器的特性補償、軟件修正及實時控制。文章對可燃性氣體傳感器溫度補償原理及MCU軟件修正和控制方法，進行了分析和討論。
　　
　　1、前言
　　
　　氣體傳感器特性總是會受到環境溫度、濕度的影響而變化，氣體報警器要能夠有效實現對環境氣氛的監控，有效避免誤報、漏報，提高測量的準確性，必須對氣體傳感器進行有效的溫、濕度補償和修正。通常可燃性氣體傳感器特性受濕度影響較小，往往可忽略，所以本文主要考慮如何有效實現傳感器的溫度補償。
　　
　　傳統補償方式一般有硬件補償和軟件補償兩種。所謂硬件補償是指直接使用溫度傳感器在電路中對氣體傳感器進行補償，這種方式雖然簡單，但只有在溫度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時，才能很好地補償；很難實現寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。軟件補償方式通過傳感器的溫度特性曲線擬合進行算法補償，這種方式是以一定的特性曲線作為基礎，對不同的工作環境和不同傳感器的溫度特性，用算法處理和查表修正以得到不同的補償效果。該方式較為復雜，對特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個問題，本文提出采用雙傳感器補償方式，具體來說就是選用兩個特性一致（實際上只能做到非常接近）的氣體傳感器來實現補償，把其中一個氣體傳感器A密封代替溫度傳感器，對另一氣體傳感器B進行補償。這樣的補償方式，不僅能較好地擬合氣體傳感器的靜態溫度特性，而且對傳感器的動態溫度響應也能同步實現補償。
　　
　　2、設計原理
　　
　　氣體傳感器所測量的值經常會發生變化。在一段短時間內可能很穩定，而在一段較長時間內則可能有緩慢起伏，或呈周期性的脈動變化，甚至出現突變的尖峰。氣體傳感器主要通過兩個基本特性--靜態特性和動態特性來反映傳感器的這種變動性。
　　
　　靜態特性通常反映在靈敏度上。所謂的靈敏度，是指在靜態工作條件下，其單位輸入所產生的輸出，用S表示。
　　
　　動態特性是氣體傳感器的*問題，反映氣體傳感器對隨時間變化的輸入響應特性。動態特性好的氣體傳感器，其輸出特性曲線隨時間變化很小。動態特性的輸入與輸出關系不是一個常數，而是時間的函數，隨時間的變化而變化，因此常用"傳遞函數"表征。
　　
　　由此可見，氣體傳感器的輸入和輸出關系并非簡單的線性或曲線關系，要對氣體傳感器建立一個準確的溫度修正數學模型是很困難的。通常應用時，都忽略氣體傳感器的動態特性，根據其靜態溫度響應靈敏度，采取一定的措施對其進行補償。如通過溫度傳感器測出環境的溫度，對氣體傳感器的輸出特性曲線進行修正；或者直接對傳感器進行硬件補償。
　　
　　采用雙傳感器補償方式，可實現氣體傳感器動態特性的有效補償。由于兩氣體傳感器制造材料組分和工藝一致，它們的靜態特性和動態特性基本一致，可獲得較*的補償。
　　
　　雙傳感器補償的可燃性氣體報警器，采用了兩個同類型可燃性氣體傳感器，使用MOTOROLA的MC68HC05P6A微控制芯片進行數據采集、處理、修正和報警控制。系統原理圖如圖1。　　
　　系統分別對兩個氣體傳感器進行采樣，通過一定算法處理去除傳感器測量值中的溫度響應部分，而得到*的氣體響應數據。
　　
　　設傳感器測量值VA=A，VB=B，則無溫度影響的氣體響應VO為：VO=|VA-VB|
　　
　　根據VO的值判斷是否報警。系統可根據MCU程序設定，選擇使用單點即時或多點延遲報警方式。報警輸出采用聲、光報警形式。在本系統中，由于采用內嵌MCU的算法處理和軟件補償方式，不僅省去了瑣碎的硬件電路，大大提高了系統的可靠性和抗*力，也使系統的智能控制得以加強。
　　
　　3、硬件設計
　　
　　報警主要由傳感器、MCU、報警電路組成。該電路由MC68HC05P64作為核心控制芯片，它具有4路8位A/D口，氣體和溫度敏感信號直接由A/D口采集后，進行一定的算法修正和軟件補償。報警器電路如圖2。
　　串聯在兩傳感器感應電阻上的分壓電阻R1和R2，應為可調電阻。調試中，在一定溫度和無可燃性氣體的標準環境下，調整R1和R2，使兩個傳感器輸出電壓相等，以進行有效的補償。
　　
　　4、控制流程
　　
　　采用雙傳感器補償的報警器的MCU控制流程如圖3。　　
　　MCU可對傳感器進行多次采樣，以減少誤差；在判斷報警時，采用多次判斷，在一定時間內連續三次顯示氣體濃度高于限定值時，才確認狀態，進行報警，這樣可減低誤報率。
　　
　　5、結束語
　　
　　本可燃性氣體報警器，采用雙傳感器補償方法；為了達到更好的溫度修正效果，往往需要傳感器廠家的配合，在生產時對傳感器進行成對生產，以保證傳感器特性的一致性。設計中用MC68HC05P6A作為控制芯片，其A/D變換電路置于片內，并采用軟件補償方式，故系統整體設計體積小、功耗低、外圍電路簡單、抗干抗能力強。