采用双传感补偿的可燃性气体报警器的设计

　　摘要：本文介绍了一种采用两个同类型气体传感器来实现温度补偿的可燃性气体报警器。把一种气体传感器密封作成温度传感器，对另一种气体传感器进行温度修正，以在宽范围内消除环境温度对气体传感器特性的影响。该报警器采用MOTOROLA的MC68HC05P6A单片机作为核心控制部件，内嵌基于一定算法的用户程序，以达到对于特定气体传感器的特性补偿、软件修正及实时控制。文章对可燃性气体传感器温度补偿原理及MCU软件修正和控制方法，进行了分析和讨论。
　　
　　1、前言
　　
　　气体传感器特性总是会受到环境温度、湿度的影响而变化，气体报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性，必须对气体传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。通常可燃性气体传感器特性受湿度影响较小，往往可忽略，所以本文主要考虑如何有效实现传感器的温度补偿。
　　
　　传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿；很难实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和查表修正以得到不同的补偿效果。该方式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。为了解决这个问题，本文提出采用双传感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致（实际上只能做到非常接近）的气体传感器来实现补偿，把其中一个气体传感器A密封代替温度传感器，对另一气体传感器B进行补偿。这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而且对传感器的动态温度响应也能同步实现补偿。
　　
　　2、设计原理
　　
　　气体传感器所测量的值经常会发生变化。在一段短时间内可能很稳定，而在一段较长时间内则可能有缓慢起伏，或呈周期性的脉动变化，甚至出现突变的尖峰。气体传感器主要通过两个基本特性--静态特性和动态特性来反映传感器的这种变动性。
　　
　　静态特性通常反映在灵敏度上。所谓的灵敏度，是指在静态工作条件下，其单位输入所产生的输出，用S表示。
　　
　　动态特性是气体传感器的*问题，反映气体传感器对随时间变化的输入响应特性。动态特性好的气体传感器，其输出特性曲线随时间变化很小。动态特性的输入与输出关系不是一个常数，而是时间的函数，随时间的变化而变化，因此常用"传递函数"表征。
　　
　　由此可见，气体传感器的输入和输出关系并非简单的线性或曲线关系，要对气体传感器建立一个准确的温度修正数学模型是很困难的。通常应用时，都忽略气体传感器的动态特性，根据其静态温度响应灵敏度，采取一定的措施对其进行补偿。如通过温度传感器测出环境的温度，对气体传感器的输出特性曲线进行修正；或者直接对传感器进行硬件补偿。
　　
　　采用双传感器补偿方式，可实现气体传感器动态特性的有效补偿。由于两气体传感器制造材料组分和工艺一致，它们的静态特性和动态特性基本一致，可获得较*的补偿。
　　
　　双传感器补偿的可燃性气体报警器，采用了两个同类型可燃性气体传感器，使用MOTOROLA的MC68HC05P6A微控制芯片进行数据采集、处理、修正和报警控制。系统原理图如图1。　　
　　系统分别对两个气体传感器进行采样，通过一定算法处理去除传感器测量值中的温度响应部分，而得到*的气体响应数据。
　　
　　设传感器测量值VA=A，VB=B，则无温度影响的气体响应VO为：VO=|VA-VB|
　　
　　根据VO的值判断是否报警。系统可根据MCU程序设定，选择使用单点即时或多点延迟报警方式。报警输出采用声、光报警形式。在本系统中，由于采用内嵌MCU的算法处理和软件补偿方式，不仅省去了琐碎的硬件电路，大大提高了系统的可靠性和抗*力，也使系统的智能控制得以加强。
　　
　　3、硬件设计
　　
　　报警主要由传感器、MCU、报警电路组成。该电路由MC68HC05P64作为核心控制芯片，它具有4路8位A/D口，气体和温度敏感信号直接由A/D口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。报警器电路如图2。
　　串联在两传感器感应电阻上的分压电阻R1和R2，应为可调电阻。调试中，在一定温度和无可燃性气体的标准环境下，调整R1和R2，使两个传感器输出电压相等，以进行有效的补偿。
　　
　　4、控制流程
　　
　　采用双传感器补偿的报警器的MCU控制流程如图3。　　
　　MCU可对传感器进行多次采样，以减少误差；在判断报警时，采用多次判断，在一定时间内连续三次显示气体浓度高于限定值时，才确认状态，进行报警，这样可减低误报率。
　　
　　5、结束语
　　
　　本可燃性气体报警器，采用双传感器补偿方法；为了达到更好的温度修正效果，往往需要传感器厂家的配合，在生产时对传感器进行成对生产，以保证传感器特性的一致性。设计中用MC68HC05P6A作为控制芯片，其A/D变换电路置于片内，并采用软件补偿方式，故系统整体设计体积小、功耗低、外围电路简单、抗干抗能力强。