基于51单片机的低功耗甲烷检测系统设计方案

1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、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，以单片机为核心的控制、信号采集处理电路以及显示、键盘、PC接口电路，还有在PC机上运行的用于人工神经网络训练的应用软件，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入气室，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LCD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。

　　图1 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MEMS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3 X 3 mm2，在同一膜片中集成了2X2个传感器单元，每个单元的工作功耗小于50mW，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别的数据。

　　此外由于便携式系统采用电池供电，对设备各部分电路的功耗要求较严格，因而在电路中采用低工作电压、低功耗的元器件，并且优化设计了电源管理功能，保证在电池供电的情况下能工作较长时间。

　　3检测系统电路

　　3.1 Cygnal C805lF020单片机介绍

　　图2 甲烷检测系统电路框图

　　内置A/D电路的Cygnal C805lF020是采用8052内核的8位单片机1201，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，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。C8051F020的一路12位D/A通过模拟开关4052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MAX4069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口电路与前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OP491，四路传感器单元的响应信号由单片机内的A/D定时采集，采集到的数据存储在SRAM芯片IDT71V124SA中。

　　IDT71V124SA是低功耗3.3V工作电压静态CMOS随机存储器芯片，能保存128K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RAM空间的不足。但是该器件在进行读写操作时需要100mA的电流，而在非片选状态仅为l0mA，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122X 32分辨率