基于单片机的氢气传感器电路研究

引言

氢气作为理想的可再生替代型清洁能源，已被广泛应用 于金属焊接、半导体制造、食品工业、化工生产、军事、航 空航天和能源等领域。然而，氢气是一种无色无味的可燃性气 体，当空气中含量超过4%时遇明火可能发生剧烈的爆炸。长 期以来，氢气探测器的可靠性、稳定问题已经成为是制约氢能 大规模应用的瓶颈之一。因此，研制在室温下具有灵敏度高、 响应速度快、选择性好、稳定可靠、成本低廉的氢气含量检 测装置，对于避免或减少氢气爆炸事故发生，推动氢能源的 广泛应用具有重要意义。目前氢气传感器主要包括热传导型、 催化燃烧型、电化学型及半导体型。热传导型和催化燃烧型 传感器的灵敏度偏低，且对氢气选择性不佳；电化学型氢气 传感器虽在室温下具有较高灵敏度和较快响应速度，但其使 用的电解液易缩短了器件的使用寿命短，且价格也比较昂贵； 半导体型传感器由于具有稳定性好、结构简单、价格便宜、易 于集成等特点，特别适用于还原性气体的检测，近年来引起了 广泛重视。

基于此，本文设计了一种半导体型氢气传感器电路。该 装置通过敏感探头检测到一定浓度氢气后其阻值会发生改变, 统计并记录出阻值变化与氢气浓度之间的关系，通过信号调理 与单片机处理，得到输出电压与氢气浓度间的关系，并显示其 浓度值。当环境中氢气浓度达到危险值时启用蜂鸣器报警。

1系统分析与总体设计

本系统的整体结构框图如图1所示，图2所示是其系统 原理。图2中的R,为可变电阻，用于模拟敏感探头与不同浓度氢气发生反应后的阻值变化，被测电阻上的压降通过放大 转换为0〜3 V直流电压后送入A/D输入端，经STC89C51 单片机处理后在液晶屏上显示氢气浓度值。

2信号处理模块设计与实现

信号处理模块主要由电平变换电路、A/D检测电路等构 成。电平变换电路使传感器输出满足A/D最大量程要求，提 高测量精度；另一方面，为了测量阻值的微小变化，要求放大 器的分辨率高、输入阻抗大、线性度好、漂移低、抑制噪声 和抗干扰能力强，信号处理模块电路设计如图3所示。

该放大器由运U U组成第一级差分电路，U组成第二 级差分式电路R3、R4、Rw组成反馈网络，引入深度电压串联 负反馈，故具有较高的输入阻抗。此外，R%都选同相端作 为输入端，其共模输出电压和漂移电压都相经过U3组成的差 分式电路可互相抵消，因此，该电路也具有较强共模抑制能 力和较小输出漂压也是电压反向跟随器，以使得前后级隔离。

在电阻测试中常常会由于忽略某些小阻值的影响而造成 测试数据与实际值之间的较大误差，降低了测试精度。由于 其数值较小，一般的指针万用表无法测量出来；通常在实验室 会采用电桥法提高测量精度，但电桥测试繁琐，不易直接给出被测阻值。鉴于此，本文采用单片机系统设计测量电路， 在LCD屏上直接显示所测阻值，同时可将测试数据储存， 过串口送入上位机进行再处理。由于采用四端测量法，阻值 不受引线长短及接触电阻的影响，该电路测量精度达±0.1%, 测量范围10 nQ〜2.999 9 kQ,高于一般电桥测量。

从上式(3)可知，测量电路输出电压U与被测电阻Rx 成正比。为保证放大器的分辨率和稳定性，集成运放&、&、 』3选用高精度、低噪声、低漂移的MAX495,反馈支路均选 用高精度、低温度系数的精密电阻，此外还采取了一些屏蔽措 施有效地抑制了噪声和干扰。被测电阻与测量电路之间采用四 端接线法，恒流源电流IN1输入,IN2输出。当被测电阻较小时, 利用特性一致、阻抗相同的四根连接导线，消除导线电阻和 接触电阻的影响。在电路设计仿真中由于受Tina-TI仿真软件 库的限制，采用OPA364代替理想运放，仿真结果仍达到预 期状态，图4所示是其信号调理电路仿真图。该仿果为Rx取 500 Q,R3= R4=12 kQ,Rw=5 kQ,I=5 nA，最终值约 6 mV。

3主控制模块的设计与实现

3.1硬件电路设计

主控制模块以STC89C51单片机作为 控制单元，实现数据处理、储存、显示、下 载、报警等功能，硬件电路包括A/D转换、 人机交互、监测报警、接口下载等，图5所 示是其装置的硬件电路图。

3.2主芯片及外围电路的软件设计

当传感器检测到氢气时，其敏感层的 电阻值发生改变，且随着氢气浓度的变化而 变化。通过信号调理电路将该阻值变化转换 为电压信号输入A/D模块，控制模块单片机读取该信号进行 处理，在液晶屏上显示当前氢气浓度值，若该浓度值达到允 许上限，贝脂动报警电路。控制程序流程图如图6所示。

该软件程序可采用C语言，并在keilKeil内编译实现, 主函数如下：

void ma)

// 主程序

{

float R,max,min;

max=125.0;

min=0;

diola=0;

)

// 主循环程序不断的采样、显示

{

dwr=0; ; //AD 写入（启动 AD 转换）

_();

// 一个延时字函数

adwr=1;

adrd=0;

a=P1; ; //AD 数据读取 U 值

adrd=1;

delay(4);

R = adval/pow6); ); // R 和 U 的关系转换

displayR);

// 输出到显示输出控制引脚。

if (R>max)

{

Playng(0));

// 输出到声音输出控制引脚 P2^3，

也就是蜂鸣器

}

delay1(200);

}

}

4 结 语

本文设计了一种基于单片机的氢气传感器电路，分析了信号调理电路输出电压与氢气浓度之间的关联性，并根据 Dxp、Multisim、Tina-TI、Keil 等工具对各个模块电路进行了设计与仿真 ；通过单片机对采集的数据分析处理，在液晶屏上显示氢气浓度值并在达到设定浓度上限值时报警，实现了监测环境中氢气含量的目标。该电路易于集成、成本低廉、可靠性高、稳定性好，可应用在气体能源的安全生产、运输、使用等诸多方面。

20211120_6198cb22a9883__基于单片机的氢气传感器电路研究