CN108088876A - 一种可测温的气敏膜测试装置及其使用方法 - Google Patents

一种可测温的气敏膜测试装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种可测温的气敏膜测试装置及其使用方法，属于传感器技术领域。本发明通过STC12C系列单片机脉宽调制即PWM方式调节加热电阻膜两端的电压，可以实现加热温度的改变。此外，为了获知当前实时的加热状态，本发明通过热电偶来反馈气敏膜的实际温度。针对热电偶需要冷端补偿，特使用具有冷端自动补偿功能MAX6675芯片。加热温度的调制和测定更有利于气敏膜测量的稳定性，并可按照需求改变气敏膜的温度环境。

Description

一种可测温的气敏膜测试装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种可测温的气敏膜测试装置及其使用方法，属于传感器技术领域。
背景技术
市场上出现气敏传感器可用来测量气体的类型、浓度和成分，使用最多的是半导体气敏传感器。这种传感器使用半导体为气体敏感元件，在其表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏膜，由于气敏膜和气体的相互作用影响膜层的导电率从而反馈气体的变化情况。
目前所使用的基于涂覆气敏膜半导体为气敏元件的气体传感器都是采用定压定阻的方式进行加热，提供气敏膜工作的温度环境。此法存在较大的弊端：当外部环境发生变化时，所需要的加热电阻提供的热量必然是不相同的。定压定阻只能供给一定的热量并不会具有温度调节功能，而不同的气敏膜需要不同的工作温度，所以开环控制会造成每次测量的数据分散，同时使用者并不能够获知当前气敏膜实际的温度状态。本发明是一种可以调节加热温度的并能反馈实时温度和敏感膜电阻值的气敏膜测试装置。
发明内容
本发明的目的就在于克服传统气敏传感器缺陷，在普通的气体传感器中增加测温环节，保证每一种敏感膜都能够工作在最合适的温度下，提供一种可测温的气敏膜测试装置及其使用方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种可测温的气敏膜测试装置，其特征是，包括电源模块、气敏瓷片、按钮、数码管、STC12C系列芯片、ULN2003芯片以及MAX6675芯片，所述按钮连接STC12C系列芯片，用于输入预设温度，所述电源模块连接STC12C系列芯片电源端口；所述气敏瓷片的正面镀有热电偶膜、叉指电极，气敏膜涂层被填充于叉指电极的间隙之中，所述叉指电极的两端与STC12C系列芯片中具有A/D转换功能的端口连接；所述气敏瓷片的反面设有加热电阻膜，加热电阻膜的两端分别连接加载电压的正负极；
利用加载电压给加热电阻膜加热，加热电阻膜的温度通过热电偶测温，所述MAX6675芯片采集热电偶膜的数据信号，并将其传输给STC12C系列芯片，STC12C系列芯片端口的PWM工作模式改变高低电平的占空比控制场效应管通断，实现脉宽调制加载电压，进而控制加热电阻膜加热至适应所选气敏膜的敏感温度；所述STC12C系列芯片与ULN2003芯片相连，ULN2003芯片驱动数码管显示实时温度；所述STC12C系列芯片通过叉指电极获取当前电压值，STC12C系列芯片根据气体浓度的理论模型将电压值换算成浓度值，并将结果在数码管上显示，同时通过串口传输至上位机，上位机根据接收到的数据值进行数据处理并绘制气体浓度的变化曲线。
进一步地，所述加载电压为24V，所述电源模块输出电压为5V。
进一步地，所述加载电压处依次串联15V的稳压管、5V的三端稳压块后与热电阻膜相连。
进一步地，所述热电偶膜采用真空镀膜的方式将两种金属材料局部重叠镀在测温区域，形成热电偶节点；两种金属材料为镍铬合金膜与镍硅合金膜，并组成K型热电偶。
进一步地，还设有气敏瓷片插槽，所述叉指电极的两端、加热电阻膜两端分别设有焊点，焊点处焊接有气敏瓷片引脚，四个气敏瓷片引脚同侧，将气敏瓷片引脚插入气敏瓷片插槽，使叉指电极、加热电阻膜分别连接STC12C系列芯片、加载电压。
进一步地，还设有警报器。
上述可测温的气敏膜测试装置的使用方法，其特征是，包括以下步骤：
1）将外接24V加载电压，直接加载于加热电阻膜两端使其升温；将5V的电源模块与STC12C系列芯片的电源接口相连；
2）接通电源，STC12C系列芯片进行初始化，此时需要使用者通过按钮手动调整测试装置工作的预设温度，预设温度的调整根据使用气敏膜的种类而有所区别；
3）温度设定完成，加热电阻膜不断发热升温，电阻膜加热陶瓷片，热量传导至气敏膜，使气敏膜工作温度上升，MAX6675芯片采集热电偶膜的数据信号，STC12C系列芯片通过SPI串口从MAX6675芯片采集当前气敏膜的实际温度并进行判断；实际温度如果低于预设温度，STC12C系列芯片会下发指令增温，由于STC12C系列芯片的端口具有PWM功能，增温可以通过调节“0”、“1”的占空比来调制加热电阻膜两端的加载电压，在增温状态下，占空比不断提升,加热电阻膜的加载电压同步增加，使其快速升温；当高于预设温度时，STC12C系列芯片会下发指令降温，通过调低占空比使得加热电阻膜产生的热量减少，使得温度始终围绕预设温度进行微量波动；
4）为了能够显示温度，每1s通过MAX6675芯片采集热电偶数据到STC12C系列芯片，STC12C系列芯片控制ULN2003芯片驱动数码管刷新一次温度值；当温度趋于稳定时，则会延长温度显示刷新时间，改为每2s刷新一次温度值；同时，STC12C系列芯片通过单片机串口把温度数据上传到PC机；
5）当工作温度达到预设状态，STC12系列芯片中具有A/D转换功能的端口检测叉指电极两端电压的变化，然后通过A/D转换，获取当前电压值，STC12C系列芯片根据气体浓度的理论模型将电压值换算成浓度值，并将结果刷新于数码管上，同时和上位机通信传递气体浓度数据，上位机将根据接收到的数据值进行数据处理并绘制气体浓度的变化曲线；在工作流程中，一旦浓度突破阈值，就会立即触发警报器，确保使用者的安全。
进一步地，所述数码管为4位数码管，参考电阻色环表示法，4位数码管分别显示a、b、c、d，则表示（a×100+b×10+c）×10dΩ，a、b、c、d分别是0-9中任意一位自然数，这就大大增加了电阻表示范围，适应气敏膜电阻变化范围很大这种情况。（由于不同气敏膜电阻变化范围差别很大且分散度较大，从102Ω-108Ω数量级，但是对测试结果有效位要求不高，因此本发明参考电阻色环表示方法，仅用4位数码管即可表达非常大范围的阻值，比如1234表示123*104Ω。）
进一步地，所述加载电压处依次串联15V的稳压管、5V的三端稳压块后与加热电阻膜相连。
本发明中，加热电阻膜的加载电压可以通过脉宽调制方式调整进而加热至指定温度，脉宽调制加载电压是通过STC12C系列的单片机端口的PWM工作模式改变高低电平的占空比实现，加热电阻膜的温度通过热电偶测温的原理实现并通过芯片采集数据；本发明采用薄膜热电偶测温采用真空镀膜的方式将两种金属材料镀在测温区域形成热电偶节点，温度数据的采集使用具有冷端补偿功能的MAX6675芯片实现。叉指电极之间涂有气敏膜，叉指电极的作用就是用来作为敏感膜的两极，测出膜电阻。
测试装置启动，调制电压加载于加热电阻膜，电阻膜加热陶瓷片，热量传导到背面的气敏膜，使气敏膜工作温度上升；主机STC12C系列芯片通过SPI串口从MAX6675芯片不断采集温度信号，每隔1秒在数码管上刷新显示，并通过单片机串口把温度数据上传到PC机；
主机（即STC12C系列芯片）根据采集到的温度信号与程序预设温度进行比对，预设温度与气敏膜种类有关，本发明的测试装置用手动调整预设温度（通过按钮输入），主机会根据比对结果不断改变高低电平占空比控制场效应管的通断（在PWM端口和加载电压之间连接有场效应管），来调整加载电压，直至温度在预设值附件微量波动，此时温度显示每隔2秒刷新一次；
当工作温度达到预设状态，主机会启动P1端口的A/D转换功能，采集涂覆有气敏膜涂层的叉指电极之间的电阻值（利用叉指电极测出膜电阻，增加一个5V的固定电阻进行增压后，再去进行A/D转换），根据换算关系获得当前所测试气体的浓度情况，并将电阻值刷新于数码管上，同时通过串口发送到PC机显示浓度变化曲线。
由于某些不可见气体存在毒性，所以当该气体的浓度到达一定阈值的瞬间会触发报警模块，报警模块立即发出警示信号提醒使用者注意安全。
本发明的优点如下：可以根据测量环境的变化补偿相应的温度，使得气敏膜始终处于恒定的温度，在温度条件的保证下，测量的气体数据会更加的精准。除了正常测量，当实验人员需要测试气敏膜在不同温度下的特性的时候，可以按照实验的规划，自行调整温度。温度的测定不论在正常的使用还是做实验的过程中都是尤为重要的，其数值的获取方便使用者记录和定性分析。
本发明使得气敏传感器的测量环境更加稳定，所以测出的数据更加可靠。这种可测温的气敏膜测试装置可以应用在家居有害气体的检测，也可以应用在检测酒驾等方面，由于不会受到外部温度的影响所以能够最大限度减少误判的可能性。本发明也可用于在气体测量实验的过程中，对于温度要求十分严格的场所，如学校研究所等。基于这些应用场合，无论对于市场实施的可能性还是经济效益来说都是非常乐观的。
附图说明
图1 为本发明中气敏瓷片正面示意图；
图2 为本发明中气敏瓷片反面示意图；
图3 为本发明装置部件实物分布示意图；
图4 为本发明装置系统原理结构示意图；
图5为本发明中加载电压、稳压管、三端稳压块之间的连接示意图；
图1、2中：半导体陶瓷片（气敏瓷片）1、气敏膜涂层2、叉指电极3、热电偶镀层4、焊点5、气敏瓷片引脚6、加热电阻膜7。
具体实施方式
本发明的可测温的气敏膜测试装置是一个闭环控制系统，它的主要部件有电源模块、气敏瓷片、气敏瓷片插槽、按钮、数码管（数码管用于交替显示热电偶的实时温度以及叉指电极之间的电阻值）、警报器、STC12C系列芯片、ULN2003芯片以及MAX6675芯片。
如图1所示：
气敏瓷片1（半导体陶瓷片）是整个可测温气敏膜测试装置的气敏元件，作为整个装置的核心部分，该气敏瓷片分为正反两面，图1所示的是气敏瓷片的正面。在半导体陶瓷片1的正面镀有热电偶镀层4和叉指电极3，气敏膜涂层2被填充于叉指电极3的间隙之中。为了便于STC12C系列芯片的P1端口采集叉指电极的电压信号，并进行A/D转换，故将叉指电极的两端设置焊点5，方便气敏瓷片引脚6的焊接。
如图2所示：
气敏膜的灵敏特性具有严格的温度依赖性，所以气敏瓷片的反面设置加热电阻膜7给气敏膜涂层4进行加热，气敏瓷片引脚6的外侧再设两个引脚（该引脚用于连接加热电阻膜两端），插入具有24V加载电压的气敏瓷片插槽，通过STC12C系列芯片的PWM方式改变输出电压达到调整加热强度的目的。
如图3所示：
该图简明扼要地展示了整个测试装置的主要部件实物分布情况，电源模块负责整个装置的供电，气敏瓷片插槽用于气敏瓷片的安装连接，MAX6675芯片接收热电偶的数据信号，STC12C系列芯片作为整个装置的主机起到统筹的作用，ULN2003芯片驱动数码管显示，按钮用于调整预设温度，警报器发挥安全警示作用，最后气体浓度的实际数据将通过串口传送到上位机（PC机），上位机根据数据绘制气体浓度的变化曲线。
如图4所示：
图4用框图和箭头阐明了装置工作的原理和流程，每个模块不仅要实现自身该有的功能还需要与其它模块产生耦合发挥联动作用。
工作流程是接通电源，电源模块给整个电路供电；主机开机初始化，通过加热模块和温度反馈使得气敏膜达到正常工作条件，主机启动A/D转换功能采集叉指电极的电压信号；MAX6675接收热电偶的温度数据并传递给主机，主机通过ULN2003驱动数码管显示温度；主机采集的信号通过串口传递到上位机并绘制气体浓度的特性曲线；从测试装置开机到使用结束，报警模块始终起到警示使用者安全的作用。
本发明测试装置具体应用过程说明如下：
整个测试装置外接24V电源（加载电压），直接加载于加热电阻膜两端使其升温。只有加热电阻膜使用24V电压，其余电路部分均采用5V电压（电源模块）供应。考虑到电路电压的稳定，所以在24V加载电压的正极处串联了一个15V的稳压管降压，然后通过串联一个5V的三端稳压块7805将24V电压逐步稳定在5V。
接通电源，主机进行初始化，此时需要使用者手动调整测试装置工作的预设温度，预设温度的调整根据使用气敏膜的种类而有所区别。温度设定完成，加热电阻膜不断发热升温，因为本系统是闭环控制系统，能够稳定在需要的温度。
温度调节可以通过调节占空比，来调制加热电阻膜两端的电压，在增温状态下，占空比不断提升,加热电阻的加载电压同步增加，使其快速升温。当高于设定温度时，主机会通过调低占空比使得加热电阻产生的热量减少，使得温度始终围绕给定温度微量波动。
为了能够显示温度，每1s通过MAX6675芯片采集热电偶数据发送到主机上，主机控制ULN2003芯片驱动数码管刷新一次温度值。当温度趋于稳定时，则会延长温度显示刷新时间，改为每2s刷新一次温度值。
STC12系列芯片的P1口具有A/D转换功能，用其中某一个引脚检测叉指电极两端电压的变化，然后通过A/D转换，可以获取当前电压值，主机根据气体浓度的理论模型将电压值换算成浓度值，并和上位机通信传递气体浓度数据，上位机将根据接收到的数据值进行数据处理并绘制气体浓度的变化曲线，完成测量过程。
如需测定不同气敏膜的特性，只需重新设定工作预设温度，整个工作流程也会不断循环。其中报警模块用于有毒气体测量，一旦浓度突破阈值就会立即发出警报声确保使用者的安全。温度的可控和可测定使得本发明设计的气敏膜测试装置更加的精确，数据具有较好地重复性，这一点不同于目前市场上销售的气体传感器，不具有测温系统。
本发明通过STC12C系列单片机脉宽调制即PWM方式调节加热电阻膜两端的的电压，可以实现加热温度的改变。此外，为了获知当前实时的加热状态，本发明通过热电偶来反馈气敏膜的实际温度。针对热电偶需要冷端补偿，特使用具有冷端自动补偿功能MAX6675芯片。加热温度的调制和测定更有利于气敏膜测量的稳定性，并可按照需求改变气敏膜的温度环境。

Claims (9)

1.一种可测温的气敏膜测试装置，其特征是，包括电源模块、气敏瓷片、按钮、数码管、STC12C系列芯片、ULN2003芯片以及MAX6675芯片，所述按钮连接STC12C系列芯片，用于输入预设温度，所述电源模块连接STC12C系列芯片电源端口；所述气敏瓷片（1）的正面镀有热电偶膜（4）、叉指电极（3），气敏膜涂层（2）被填充于叉指电极的间隙之中，所述叉指电极的两端与STC12C系列芯片中具有A/D转换功能的端口连接；所述气敏瓷片的反面设有加热电阻膜（7），加热电阻膜的两端分别连接加载电压的正负极；
利用加载电压给加热电阻膜加热，加热电阻膜的温度通过热电偶测温，所述MAX6675芯片采集热电偶膜的数据信号，并将其传输给STC12C系列芯片，STC12C系列芯片端口的PWM工作模式改变高低电平的占空比控制场效应管通断，实现脉宽调制加载电压，进而控制加热电阻膜加热至适应所选气敏膜的敏感温度；所述STC12C系列芯片与ULN2003芯片相连，ULN2003芯片驱动数码管显示实时温度；所述STC12C系列芯片通过叉指电极获取当前电压值，STC12C系列芯片根据气体浓度的理论模型将电压值换算成浓度值，并将结果在数码管上显示，同时通过串口传输至上位机，上位机根据接收到的数据值进行数据处理并绘制气体浓度的变化曲线。
2.根据权利要求1所述的一种可测温的气敏膜测试装置，其特征是，所述加载电压为24V，所述电源模块输出电压为5V。
3.根据权利要求2所述的一种可测温的气敏膜测试装置，其特征是，所述加载电压处依次串联15V的稳压管、5V的三端稳压块后与热电阻膜相连。
4.根据权利要求1所述的一种可测温的气敏膜测试装置，其特征是，所述热电偶膜采用真空镀膜的方式将两种金属材料局部重叠镀在测温区域，形成热电偶节点；两种金属材料为镍铬合金膜与镍硅合金膜，并组成K型热电偶。
5.根据权利要求1所述的一种可测温的气敏膜测试装置，其特征是，还设有气敏瓷片插槽，所述叉指电极的两端、加热电阻膜两端分别设有焊点（5），焊点处焊接有气敏瓷片引脚（6），四个气敏瓷片引脚同侧，将气敏瓷片引脚插入气敏瓷片插槽，使叉指电极、加热电阻膜分别连接STC12C系列芯片、加载电压。
6.根据权利要求1所述的可测温的气敏膜测试装置的使用方法，其特征是，还设有警报器。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的可测温的气敏膜测试装置的使用方法，其特征是，包括以下步骤：
1）将外接24V加载电压，直接加载于加热电阻膜两端使其升温；将5V的电源模块与STC12C系列芯片的电源接口相连；
2）接通电源，STC12C系列芯片进行初始化，此时需要使用者通过按钮手动调整测试装置工作的预设温度，预设温度的调整根据使用气敏膜的种类而有所区别；
3）温度设定完成，加热电阻膜不断发热升温，电阻膜加热陶瓷片，热量传导至气敏膜，使气敏膜工作温度上升，MAX6675芯片采集热电偶膜的数据信号，STC12C系列芯片通过SPI串口从MAX6675芯片采集当前气敏膜的实际温度并进行判断；实际温度如果低于预设温度，STC12C系列芯片会下发指令增温，由于STC12C系列芯片的端口具有PWM功能，增温可以通过调节“0”、“1”的占空比来调制加热电阻膜两端的加载电压，在增温状态下，占空比不断提升,加热电阻膜的加载电压同步增加，使其快速升温；当高于预设温度时，STC12C系列芯片会下发指令降温，通过调低占空比使得加热电阻膜产生的热量减少，使得温度始终围绕预设温度进行微量波动；
4）为了能够显示温度，每1s通过MAX6675芯片采集热电偶数据到STC12C系列芯片，STC12C系列芯片控制ULN2003芯片驱动数码管刷新一次温度值；当温度趋于稳定时，则会延长温度显示刷新时间，改为每2s刷新一次温度值；同时，STC12C系列芯片通过单片机串口把温度数据上传到PC机；
5）当工作温度达到预设状态，STC12系列芯片中具有A/D转换功能的端口检测叉指电极两端电压的变化，然后通过A/D转换，获取当前电压值，STC12C系列芯片根据气体浓度的理论模型将电压值换算成浓度值，并将结果刷新于数码管上，同时和上位机通信传递气体浓度数据，上位机将根据接收到的数据值进行数据处理并绘制气体浓度的变化曲线；在工作流程中，一旦浓度突破阈值，就会立即触发警报器，确保使用者的安全。
8.根据权利要求7所述的可测温的气敏膜测试装置的使用方法，其特征是，所述数码管为4位数码管，参考电阻色环表示法，4位数码管分别显示a、b、c、d，则表示（a×100+b×10+c）×10dΩ，a、b、c、d分别是0-9中任意一位自然数，这就大大增加了电阻表示范围，适应气敏膜电阻变化范围很大这种情况。
9.根据权利要求7所述的可测温的气敏膜测试装置的使用方法，其特征是，所述加载电压处依次串联15V的稳压管、5V的三端稳压块后与加热电阻膜相连。
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