摘要：本文介紹了一種采用兩個(gè)同類型氣體傳感器來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)?a href="http://www.hommme.cn/channel/t6305/index.html">可燃性氣體報(bào)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(jìn)行溫度修正，以在寬范圍內(nèi)消除環(huán)境溫度對氣體傳感器特性的影響。該報(bào)警器采用MOTOROLA的MC68HC05P6A單片機(jī)作為核心控制部件，內(nèi)嵌基于一定算法的用戶程序，以達(dá)到對于特定氣體傳感器的特性補(bǔ)償、軟件修正及實(shí)時(shí)控制。文章對可燃性氣體傳感器溫度補(bǔ)償原理及MCU軟件修正和控制方法，進(jìn)行了分析和討論。
　　
　　1、前言
　　
　　氣體傳感器特性總是會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，氣體報(bào)警器要能夠有效實(shí)現(xiàn)對環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報(bào)、漏報(bào)，提高測量的準(zhǔn)確性，必須對氣體傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)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(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償。
　　
　　傳統(tǒng)補(bǔ)償方式一般有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。所謂硬件補(bǔ)償是指直接使用溫度傳感器在電路中對氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)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(shí)，才能很好地補(bǔ)償；很難實(shí)現(xiàn)寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。軟件補(bǔ)償方式通過傳感器的溫度特性曲線擬合進(jìn)行算法補(bǔ)償，這種方式是以一定的特性曲線作為基礎(chǔ)，對不同的工作環(huán)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(bǔ)償效果。該方式較為復(fù)雜，對特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個(gè)問題，本文提出采用雙傳感器補(bǔ)償方式，具體來說就是選用兩個(gè)特性一致（實(shí)際上只能做到非常接近）的氣體傳感器來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，把其中一個(gè)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(jìn)行補(bǔ)償。這樣的補(bǔ)償方式，不僅能較好地?cái)M合氣體傳感器的靜態(tài)溫度特性，而且對傳感器的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)也能同步實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。
　　
　　2、設(shè)計(jì)原理
　　
　　氣體傳感器所測量的值經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。在一段短時(shí)間內(nèi)可能很穩(wěn)定，而在一段較長時(shí)間內(nèi)則可能有緩慢起伏，或呈周期性的脈動(dòng)變化，甚至出現(xiàn)突變的尖峰。氣體傳感器主要通過兩個(gè)基本特性--靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來反映傳感器的這種變動(dòng)性。
　　
　　靜態(tài)特性通常反映在靈敏度上。所謂的靈敏度，是指在靜態(tài)工作條件下，其單位輸入所產(chǎn)生的輸出，用S表示。
　　
　　動(dòng)態(tài)特性是氣體傳感器的*問題，反映氣體傳感器對隨時(shí)間變化的輸入響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性好的氣體傳感器，其輸出特性曲線隨時(shí)間變化很小。動(dòng)態(tài)特性的輸入與輸出關(guān)系不是一個(gè)常數(shù)，而是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的變化而變化，因此常用"傳遞函數(shù)"表征。
　　
　　由此可見，氣體傳感器的輸入和輸出關(guān)系并非簡單的線性或曲線關(guān)系，要對氣體傳感器建立一個(gè)準(zhǔn)確的溫度修正數(shù)學(xué)模型是很困難的。通常應(yīng)用時(shí)，都忽略氣體傳感器的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)其靜態(tài)溫度響應(yīng)靈敏度，采取一定的措施對其進(jìn)行補(bǔ)償。如通過溫度傳感器測出環(huán)境的溫度，對氣體傳感器的輸出特性曲線進(jìn)行修正；或者直接對傳感器進(jìn)行硬件補(bǔ)償。
　　
　　采用雙傳感器補(bǔ)償方式，可實(shí)現(xiàn)氣體傳感器動(dòng)態(tài)特性的有效補(bǔ)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(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性基本一致，可獲得較*的補(bǔ)償。
　　
　　雙傳感器補(bǔ)償?shù)目扇夹詺怏w報(bào)警器，采用了兩個(gè)同類型可燃性氣體傳感器，使用MOTOROLA的MC68HC05P6A微控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、修正和報(bào)警控制。系統(tǒng)原理圖如圖1。　　
　　系統(tǒng)分別對兩個(gè)氣體傳感器進(jìn)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(yīng)部分，而得到*的氣體響應(yīng)數(shù)據(jù)。
　　
　　設(shè)傳感器測量值VA=A，VB=B，則無溫度影響的氣體響應(yīng)VO為：VO=|VA-VB|
　　
　　根據(jù)VO的值判斷是否報(bào)警。系統(tǒng)可根據(jù)MCU程序設(shè)定，選擇使用單點(diǎn)即時(shí)或多點(diǎn)延遲報(bào)警方式。報(bào)警輸出采用聲、光報(bào)警形式。在本系統(tǒng)中，由于采用內(nèi)嵌MCU的算法處理和軟件補(bǔ)償方式，不僅省去了瑣碎的硬件電路，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗*力，也使系統(tǒng)的智能控制得以加強(qiáng)。
　　
　　3、硬件設(shè)計(jì)
　　
　　報(bào)警主要由傳感器、MCU、報(bào)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(jìn)行一定的算法修正和軟件補(bǔ)償。報(bào)警器電路如圖2。
　　串聯(lián)在兩傳感器感應(yīng)電阻上的分壓電阻R1和R2，應(yīng)為可調(diào)電阻。調(diào)試中，在一定溫度和無可燃性氣體的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，調(diào)整R1和R2，使兩個(gè)傳感器輸出電壓相等，以進(jìn)行有效的補(bǔ)償。
　　
　　4、控制流程
　　
　　采用雙傳感器補(bǔ)償?shù)膱?bào)警器的MCU控制流程如圖3。　　
　　MCU可對傳感器進(jìn)行多次采樣，以減少誤差；在判斷報(bào)警時(shí)，采用多次判斷，在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)三次顯示氣體濃度高于限定值時(shí)，才確認(rèn)狀態(tài)，進(jìn)行報(bào)警，這樣可減低誤報(bào)率。
　　
　　5、結(jié)束語
　　
　　本可燃性氣體報(bào)警器，采用雙傳感器補(bǔ)償方法；為了達(dá)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(chǎn)時(shí)對傳感器進(jìn)行成對生產(chǎn)，以保證傳感器特性的一致性。設(shè)計(jì)中用MC68HC05P6A作為控制芯片，其A/D變換電路置于片內(nèi)，并采用軟件補(bǔ)償方式，故系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積小、功耗低、外圍電路簡單、抗干抗能力強(qiáng)。