1引言
氣體檢測系統(tǒng)表是工礦企業(yè)、社會公用事業(yè)、環(huán)境保護等領域必備的安全裝備。經過幾十年的發(fā)展，在可測氣體種類、測量范圍、精度、穩(wěn)定性、壽命等主要技術指標方面均有明顯提高，隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，儀表向微型化、多參數(shù)組合與智能化方向發(fā)展。新型甲烷氣體檢測系統(tǒng)應具有智能化的特點，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)的結構，通過模式識別方法辨識甲烷氣體。以小型化的電子鼻系統(tǒng)為基礎的甲烷氣體檢測系統(tǒng)，在設計上應考慮減小系統(tǒng)的體積、簡化氣體的進樣裝置和改進電路以滿足低功耗要求等問題；另外便攜式檢測系統(tǒng)的操作者通常情況下是現(xiàn)場人員，屬于非專業(yè)人員，系統(tǒng)的操作不能復雜，因此對于系統(tǒng)的人機交互功能在設計上也應得到重視。
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，采用單個傳感器的檢測系統(tǒng)在檢測中如果有其它氣體干擾，容易出現(xiàn)相似的響應而出現(xiàn)誤判。本文所討論基于單片機的高靈敏度甲烷檢測系統(tǒng)是以微結構金屬氧化物氣體傳感器陣列為敏感元件，結合模式識別技術進行甲烷氣體檢測的便攜式系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由四單元傳感器陣列器件、氣體進樣裝置及高速單片機為核心的信號處理電路組成，具有體積小、準確度高、抗干擾能力強等優(yōu)良性能。本文要介紹該檢測系統(tǒng)的工作原理和設計，著重于低功耗電路的設計。
2 檢測系統(tǒng)基本結構
由細導管、微型抽氣泵和小氣室組成的氣體進樣部分，以單片機為核心的控制、信號采集處理電路以及顯示、鍵盤、PC接口電路，還有在PC機上運行的用于人工神經網絡訓練的應用軟件，如圖1所示。檢測系統(tǒng)進行氣體檢測的工作步驟是，單片機控制抽氣泵將待檢測的氣體抽入氣室，同時采集氣體傳感器陣列的響應信號，并進行轉換，儲存在數(shù)據(jù)存儲器中，然后單片機從保存的數(shù)據(jù)中提取特征值，由識別網絡進行氣體識別，并將結果輸出到LCD顯示屏幕上。針對便攜式系統(tǒng)的特點，檢測系統(tǒng)設計了具有較小的體積、較低功耗的處理電路。
圖1 甲烷檢測系統(tǒng)的組成原理圖
低功耗傳感器陣列的制備技術: 采用由MEMS工藝制造的微結構金屬氧化物氣體傳感器陣列作為檢測系統(tǒng)的氣體敏感元件。微結構金屬氧化物氣體傳感器陣列的特點在引言中有討論。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個傳感器單元，每個單元的工作功耗小于50mW，并用掩模濺射的方法在每個單元鍍上相應的敏感薄膜，各單元膜電阻在一定的工作溫度下能對特定氣體濃度的變化產生程度不同的變化。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，將其轉變?yōu)殡妷盒盘柡?，可由單片機通過A/D電路采集量化為可以進行模式識別的數(shù)據(jù)。
3.2電路設計
3.2.1 信號采集、控制電路
首先陣列各單元的工作溫度需要由加熱電壓進行調節(jié)，以保證在較好的響應特性。C8051F020的一路12位D/A通過模擬開關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放芯片MAX4069驅動輸出到各單元，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，由單片機通過氣泵控制電路控制微型氣泵抽入待檢測的氣體。傳感器陣列和系統(tǒng)電路的信號采集接口電路與前一章中的數(shù)據(jù)采集電路類似，只是信號隔離跟隨電路中采用的是單電源低功耗運放OP491，四路傳感器單元的響應信號由單片機內的A/D定時采集，采集到的數(shù)據(jù)存儲在SRAM芯片IDT71V124SA中。
IDT71V124SA是低功耗3.3V工作電壓靜態(tài)CMOS隨機存儲器芯片，能保存128K字節(jié)的數(shù)據(jù)。它作為單片機的擴展數(shù)據(jù)單元，大大彌補了單片機RAM空間的不足。但是該器件在進行讀寫操作時需要100mA的電流，而在非片選狀態(tài)僅為l0mA，因此從降低功耗考慮，在單片機不進行數(shù)據(jù)的讀取時要釋放片選控制信號以降低功耗。
