CN113252734B - 一种电阻型气体传感器柔性电路及气体浓度计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电阻型气体传感器柔性电路及气体浓度计算方法，属于气体传感器应用技术领域。本发明所述电路包括温湿度信息采集模块、DSP信号处理电路和传感器信号调理电路。本发明所述电路通过引入参考电阻切换电路和同相比例放大电路，扩大电路的电阻测量范围；通过将响应电阻对应的电压作为模数转换芯片的参考电压，解决了传感器响应电阻在百兆欧姆时测量不准确的技术问题；通过引入温湿度信息采集模块结合DSP信号处理电路，结合本发明所述气体浓度计算方法，补偿环境温湿度对气体传感器的影响，以快速、稳定得到准确的气体浓度值；应用于气体传感器阵列，通过对气体传感器的响应信号进行预处理，可及时完成对响应信号的提取和分析。

Description

一种电阻型气体传感器柔性电路及气体浓度计算方法
技术领域
本发明属于气体传感器应用技术领域，具体涉及一种电阻型气体传感器柔性电路及气体浓度计算方法。
背景技术
随着环境问题的日益突出，环境气体的成份及其浓度监测是环境评价中不可或缺的一项指标，因而各式各样的气体传感器层出不穷。部分气体传感器使用的敏感材料的特性，导致传感器响应电阻往往在兆欧级别，甚至可达百兆欧。现有的电阻测量方法如分压法及普通万用表已无法准确测量出其响应值，更无法在传感器受温度和湿度影响的条件下测得准确的气体浓度。
现有的电阻测量方法多为逐点测量法，伏安法，分压比例法，均有其局限性。其中，逐点测量法需控制单一变量（如温度、湿度等）对气体传感器的响应电阻值进行逐一测量，该方法只适用于测量传感器的性能；直接的伏安法、分压法在测量几十兆欧级别的大电阻时，因模数转换芯片的输入阻抗的数量级与之相当，从而导致测量结果不可信；且通过分压法测量电阻，所得电压与电阻为非线性关系，不利于后期的校正处理；电桥电路测量电阻，精度高，但测量范围有限。
现有的电阻型气体传感器阵列读出电路，通常是依次逐个选通传感器，通过电阻串联的分压电路将传感器的响应电阻值转换为电压信号，经模数转换芯片采集转换，最后利用单片机经公式换算求出待测气体浓度。在气体传感器的响应电阻值达到兆欧级别及以上和气体传感器所处环境为高温高湿或低温低湿等非常温常湿条件下，该方法测量准确度会急剧下降；在应用于大型气体传感器阵列监测环境气体成分复杂的条件下，遍历式的读取更是无法实现对传感器响应信号的及时提取。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种电阻型气体传感器柔性电路及气体浓度计算方法。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种电阻型气体传感器柔性电路，包括温湿度信息采集模块11、DSP信号处理电路12和传感器信号调理电路13；
温湿度信息采集模块11为数字式温湿度传感器，用于采集所处环境的温度和湿度信息；
DSP信号处理电路12为DSP芯片U5，温湿度信息采集模块11通过串行外设接口将采集信息传输至DSP芯片U5；
传感器信号调理电路13包括传感器信号变换电路131、一级RC低通滤波电路132、同相比例放大电路133和模数采集转换电路134；
传感器信号变换电路131包括电阻R2、电阻R3、气体传感器模块U2和参考电阻切换电路；电阻R2的一端和电阻R3的一端相连，电阻R2的另一端与电压V1相连，电阻R3的另一端与电源地GND相连；参考电阻切换电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和模拟开关芯片U4；电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的一端分别与模拟开关芯片U4的引脚S1、引脚S2、引脚S3和引脚S4相连，另一端均与电压V1相连；模拟开关芯片U4的通道控制引脚A0和通道控制引脚A1分别与DSP芯片U5的引脚IO2和引脚IO3相连；气体传感器模块U2的接口INA连接模拟开关芯片U4的引脚D，接口INB连接电源地GND；
一级RC低通滤波电路132由电阻R1和电容C1组成；电阻R1的一端连接电阻R2和电阻R3的中间，另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端与电源地GND相连；
同相比例放大电路133包括电阻R4、电阻R9和运算放大器U1；运算放大器U1的正向输入端连接电阻R1和电容C1的中间，反向输入端通过电阻R9与电源地GND相连；运算放大器U1的反向输入端和输出端之间并联有电阻R4；
模数采集转换电路134为A/D转换芯片U3，A/D转换芯片U3的正参考电压输入引脚vref+连接电压V1，负参考电压输入引脚vref-连接模拟开关芯片U4的引脚D；模拟电压输入引脚AIN连接运算放大器U1的输出端；数字量输出引脚Dout与DSP芯片U5的引脚IO1相连。
进一步的，气体传感器模块U2包括偏置电压控制电路1311、信号选通电路1312、传感器阵列响应信号变换电路1313和响应传感器位号计算电路1314；
偏置电压控制电路1311为单通道模拟开关芯片SW1，单通道模拟开关芯片SW1的引脚S连接偏置电压V2，使能端EN1连接DSP芯片U5的引脚IO0；
信号选通电路1312为模拟开关芯片U6，引脚D作为气体传感器模块U2的接口INA， 使能端EN2与DSP芯片U5的引脚IO4连接，通道控制引脚A(count)连接DSP芯片U5的引脚IO(5 +count)，0≤count≤COUNT，其中COUNT由传感器阵列的大小
Figure 248928DEST_PATH_IMAGE001
决定，需满足：
Figure 572593DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 617910DEST_PATH_IMAGE003
表示向上取整；
传感器阵列响应信号变换电路1313由
Figure 216381DEST_PATH_IMAGE004
个阵列单元构成，每个阵列单元包括 电阻型气体传感器U（m，n）、匹配电阻R（m，n）、双通道模拟开关芯片SW（m，n）、电压比较器A1- U（m，n，1）和电压比较器A2- U（m，n，2），1≤m≤M，1≤n≤N；匹配电阻R（m，n）的一端分别与单 通道模拟开关芯片SW1的引脚D和双通道模拟开关芯片SW（m，n）的使能端EN连接，另一端分 别与双通道模拟开关芯片SW（m，n）的引脚S1和引脚S2连接；双通道模拟开关芯片SW（m，n）的 引脚D1分别与电压比较器A1- U（m，n，1）和电压比较器A2- U（m，n，2）的正向电压输入端相 连，引脚D2分别与电阻型气体传感器U（m，n）的一端和模拟开关芯片U6的引脚SY连接，
Figure 437278DEST_PATH_IMAGE005
；电阻型气体传感器U（m，n）的另一端作为气体传感器模块U2的接口INB，连 接电源地GND；电压比较器A1- U（m，n，1）和电压比较器A2- U（m，n，2）的反向电压输入端连 接电源V3；
响应传感器位号计算电路1314包括M+N个或门，电压比较器A1- U（m，n，1）的输出端与第m个或门的输入端相连，电压比较器A2- U（m，n，2）的输出端与第（M+n）个或门的输入端相连，第m个或门的输出端Hm与DSP芯片U5的引脚IO(5+COUNT+m)相连，第（M+n）个或门的输出端Ln与DSP芯片U5的引脚IO(5+COUNT+M+n)相连。
进一步的，利用本发明所述电路计算气体浓度的具体方法为：
步骤1. 预判电阻型气体传感器U（m，n）是否有响应：
DSP芯片U5的引脚IO0和IO4分别给出高电平和低电平，若DSP芯片U5的引脚IO(5+COUNT+m)和IO(5+COUNT+M+n)同时为高电平，第m行第n列的电阻型气体传感器U（m，n）的响应电阻值达到需要检测的阈值；DSP芯片U5的引脚IO0给出低电平，DSP芯片U5的引脚IO4给出高电平，将Y-1的计算结果数值用二进制表示，二进制表示中1为高电平，0为低电平，引脚IO(5+count)根据二进制表示给出相应的高低电平，引脚编号从小到大的顺序对应于二进制表示从右至左的顺序，模拟开关芯片U6的引脚SY对应的通道闭合；
步骤2. 自动选择参考电阻
令参考电阻R5、R6、R7和R8的电阻值依次增大，并选择初始参考电阻R6，令：
Figure 790899DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 792353DEST_PATH_IMAGE007
表征测量精度，
Figure 397778DEST_PATH_IMAGE008
时，令
Figure 863394DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 263283DEST_PATH_IMAGE010
为运算放大器U1的输出 端电压；
Figure 548771DEST_PATH_IMAGE011
为A/D转换芯片U3的参考电压，参考电压为电压VREF+和电压VREF-之间的差 值，电压VREF+为电源电压V1，电压VREF-为模拟开关芯片U4引脚D上的电压；
Figure 695237DEST_PATH_IMAGE012
为A/D转 换芯片U3模拟电压输入引脚AIN的模拟电压转换得到的数字量；n为A/D转换芯片U3的位数；
DSP芯片U5计算
Figure 484201DEST_PATH_IMAGE013
，若
Figure 320570DEST_PATH_IMAGE014
，参考电阻采用参考电阻R6；
若
Figure 93354DEST_PATH_IMAGE015
，通过DSP芯片U5的引脚IO2和引脚IO3控制模拟开关芯片U4的通道控 制引脚A0和通道控制引脚A1，将参考电阻切换为参考电阻R5；
若
Figure 775002DEST_PATH_IMAGE016
，通过DSP芯片的引脚IO2和引脚IO3控制模拟开关芯片U4的通道控制引脚 A0和通道控制引脚A1，将参考电阻切换为参考电阻R7；DSP芯片U5再次计算
Figure 215211DEST_PATH_IMAGE017
，若
Figure 956902DEST_PATH_IMAGE018
， 参考电阻切换为参考电阻R8，否则参考电阻采用参考电阻R7；
步骤3. 计算响应电阻值Rx：
Figure 216982DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure 30217DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 934720DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 909629DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 391426DEST_PATH_IMAGE023
分别为电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R9的电阻值；
步骤4. 利用多元线性回归算法模拟响应电阻值Rx随气体浓度变化而变化的模型：
Figure 680456DEST_PATH_IMAGE024
其中，C为气体浓度，T为环境温度，H为环境湿度；a、b、c、d、e、g、h、i、j、k、l、
Figure 767360DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 241067DEST_PATH_IMAGE026
、o和p为多元线性回归算法模型参数；
由上式反解出气体浓度C为：
Figure 351106DEST_PATH_IMAGE027
其中，环境温度T和环境湿度H由温湿度信息采集模块采集得到。
进一步的，若有多个阵列单元中的电阻型气体传感器U（m，n）的响应电阻Rx达到需要检测的阈值，模拟开关芯片U6的引脚SY对应的通道按照引脚编号由小至大的顺序依次闭合，同一时刻仅计算单个气体传感器所在环境的气体浓度。
进一步的，电路基底为聚酰亚胺材料的柔性电路板。
本发明的有益效果是：
（1）本发明所述电路通过在传感器信号变换电路中引入参考电阻切换电路，既保留了电桥电路的测量精度高的特点，又扩大了传感器信号变换电路的测量范围，可实现0~100MΩ范围内电阻的测量；（2）本发明所述电路通过将参考电阻两端电压连接到模数转换芯片的正负参考电压输入引脚，避免直接用模数转换器采集电阻型传感器上的电压，解决了当传感器响应阻值在百兆欧姆时，因模数转换器输入阻抗与响应电阻数量级相当造成分压从而影响最终的测量结果精度的技术问题；（3）本发明所述电路中电阻R2和R3相连处的电压VIN0经过低通滤波和同相比例放大电路处理，可更好的适配响应传感器电阻的大小，扩大电路的测量范围，同时，同相比例放大电路具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点,进一步提高电压测量的精度；（4）本发明所述电路中，避免了电阻分压法电压与电阻关系不成线性的问题，并通过公式换算间接的求得气体传感器的响应电阻；（5）通过引入温湿度信息采集模块结合DSP信号处理电路，结合本发明所述气体浓度计算方法，补偿环境温度度对气体传感器的影响，快速、稳定的得到较为准确的气体浓度值；（6）在应用于气体传感器阵列时，通过对气体传感器的响应信号进行预处理，可及时的完成对响应信号的提取和分析。
附图说明
图1为本发明所述电路的结构组成示意图；
图2为实施例一中气体传感器模块U2的结构组成示意图；
图3为实施例二中气体传感器模块U2的结构组成示意图；
图4为本发明所述电路中第m行第n列阵列单元的结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种电阻型气体传感器柔性电路，其结构组成示意图如图1所示，包括温湿度信息采集模块11、DSP信号处理电路12和传感器信号调理电路13；
温湿度信息采集模块11为数字式温湿度传感器，用于采集所处环境的温度和湿度信息；
DSP信号处理电路12为DSP芯片U5，温湿度信息采集模块11通过串行外设接口（SPI）将采集信息传输至DSP芯片U5；
传感器信号调理电路13包括传感器信号变换电路131、一级RC低通滤波电路132、同相比例放大电路133和模数采集转换电路134；
传感器信号变换电路131包括电阻R2、电阻R3、气体传感器模块U2和参考电阻切换电路；电阻R2的一端和电阻R3的一端相连，电阻R2的另一端与电压V1相连，电阻R3的另一端与电源地GND相连；参考电阻切换电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和模拟开关芯片U4；电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的一端分别与模拟开关芯片U4的引脚S1、引脚S2、引脚S3和引脚S4相连，另一端均与电压V1相连；模拟开关芯片U4的通道控制引脚A0和通道控制引脚A1分别与DSP芯片U5的引脚IO2和引脚IO3相连；气体传感器模块U2的接口INA连接模拟开关芯片U4的引脚D，接口INB连接电源地GND。
一级RC低通滤波电路132由电阻R1和电容C1组成；电阻R1的一端连接电阻R2和电阻R3的中间，另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端与电源地GND相连。
同相比例放大电路133包括电阻R4、电阻R9和运算放大器U1；运算放大器U1的正向输入端连接电阻R1和电容C1的中间，反向输入端通过电阻R9与电源地GND相连；运算放大器U1的反向输入端和输出端之间并联有电阻R4。
模数采集转换电路134为A/D转换芯片U3，A/D转换芯片U3的正参考电压输入引脚vref+连接电压V1，负参考电压输入引脚vref-连接模拟开关芯片U4的引脚D；模拟电压输入引脚AIN连接运算放大器U1的输出端；数字量输出引脚Dout与DSP芯片U5的引脚IO1相连。
气体传感器模块U2包括偏置电压控制电路1311、信号选通电路1312、传感器阵列响应信号变换电路1313和响应传感器位号计算电路1314；
偏置电压控制电路1311为单通道模拟开关芯片SW1，单通道模拟开关芯片SW1的引脚S连接偏置电压V2，使能端EN1连接DSP芯片U5的引脚IO0；
信号选通电路1312为模拟开关芯片U6，引脚D作为气体传感器模块U2的接口INA， 使能端EN2与DSP芯片U5的引脚IO4连接，通道控制引脚A(count)连接DSP芯片U5的引脚IO(5 +count)，0≤count≤COUNT，其中COUNT由传感器阵列的大小
Figure 302881DEST_PATH_IMAGE028
决定，需满足：
Figure 509871DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 26916DEST_PATH_IMAGE030
表示向上取整；
传感器阵列响应信号变换电路1313由
Figure 748884DEST_PATH_IMAGE028
个阵列单元构成，第m行第n列阵列单 元的结构组成示意图如图4所示，每个阵列单元包括电阻型气体传感器U（m，n）、匹配电阻R （m，n）、双通道模拟开关芯片SW（m，n）、电压比较器A1- U（m，n，1）和电压比较器A2- U（m，n， 2），1≤m≤M，1≤n≤N；匹配电阻R（m，n）的一端分别与单通道模拟开关芯片SW1的引脚D和双 通道模拟开关芯片SW（m，n）的使能端EN连接，另一端分别与双通道模拟开关芯片SW（m，n）的 引脚S1和引脚S2连接；双通道模拟开关芯片SW（m，n）的引脚D1分别与电压比较器A1- U（m， n，1）和电压比较器A2- U（m，n，2）的正向电压输入端相连，引脚D2分别与电阻型气体传感器 U（m，n）的一端和模拟开关芯片U6的引脚SY连接，
Figure 379717DEST_PATH_IMAGE005
；电阻型气体传感器U（m，n） 的另一端作为气体传感器模块U2的接口INB，连接电源地GND；电压比较器A1- U（m，n，1）和 电压比较器A2- U（m，n，2）的反向电压输入端连接电源V3；
响应传感器位号计算电路1314包括M+N个或门，电压比较器A1- U（m，n，1）的输出端与第m个或门的输入端相连，电压比较器A2- U（m，n，2）的输出端与第（M+n）个或门的输入端相连，第m个或门的输出端Hm与DSP芯片U5的引脚IO(5+COUNT+m)相连，第（M+n）个或门的输出端Ln与DSP芯片U5的引脚IO(5+COUNT+M+n)相连。
实施例一
本实例中，以单个电阻型氨气传感器为例，即M=N=1，气体传感器模块U2的结构组成示意图如图2所示。设氨气传感器的响应电阻Rx随环境氨气浓度的增大而增大。信号选通电路1312采用单通道模拟开关芯片，COUNT=0，通道控制引脚A0连接DSP芯片U5的引脚IO5，引脚S1与电阻型氨气传感器U（1，1）的一端连接；电压比较器A1- U（1，1，1）的输出端与第1个或门的输入端相连，电压比较器A2- U（1，1，2）的输出端与第2个或门的输入端相连，两个或门的另一个输入端为低电平。
步骤1. 预判电阻型氨气传感器U（1，1）是否有响应：
DSP芯片U5的引脚IO0和IO4分别给出高电平和低电平，单通道模拟开关芯片SW1的通道闭合，模拟开关芯片U6的通道断开；单通道模拟开关芯片SW1闭合后，偏置电压V2使得模拟开关芯片SW（1，1）的两组开关S1-D1和S2-D2闭合，匹配电阻R（1，1）和电阻型氨气传感器U（1，1）串联构成分压电路；电压比较器A1- U（1，1，1）和电压比较器A2- U（1，1，2）用于比较匹配电阻R（1，1）和电阻型氨气传感器U（1，1）连接处的电压v（1，1）与电源电压V3；
两个电压比较器输出的电平状态始终相同，若为高电平则表明氨气传感器的响应电阻Rx达到需要检测的阈值，DSP芯片U5的引脚IO0给出低电平，单通道模拟开关芯片SW1断开，使得模拟开关芯片SW（1，1）的两组开关S1-D1和S2-D2断开；DSP芯片U5的引脚IO4和IO5都给出高电平，模拟开关芯片U6的通道闭合；
步骤2. 自动选择参考电阻
令参考电阻R5、R6、R7和R8的电阻值依次增大，并选择初始参考电阻R6；由A/D转换芯片工作特性知，当A/D转换芯片的模拟电压输入引脚AIN输入的待测输入电压接近A/D转换芯片的参考电压大小时，有益于提高电压的测量精度。令：
Figure 175635DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure 991144DEST_PATH_IMAGE032
表征测量精度，
Figure 75774DEST_PATH_IMAGE033
时，令
Figure 634932DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 223039DEST_PATH_IMAGE010
为运算放大器U1的输出 端电压；
Figure 147133DEST_PATH_IMAGE035
为A/D转换芯片U3的参考电压，参考电压为电压VREF+和电压VREF-之间的差 值，电压VREF+为电源电压V1，电压VREF-为模拟开关芯片U4引脚D上的电压；
Figure 578114DEST_PATH_IMAGE036
为A/D转 换芯片U3模拟电压输入引脚AIN的模拟电压转换得到的数字量；n为A/D转换芯片U3的位数；
为提高电路的测量精度，要求
Figure 816329DEST_PATH_IMAGE037
，即应保证A/D转换芯片的待测输入电压始 终大于0.7倍的参考电压且小于参考电压。A/D转换芯片的待测输入电压等于运算放大器U1 的输出端电压
Figure 649155DEST_PATH_IMAGE010
，是固定值。A/D转换芯片的参考电压
Figure 744150DEST_PATH_IMAGE035
受参考电阻和响应电阻值Rx两者的共同影响，因为响应电阻值Rx的值随着氨气浓度的增大而增大，A/D转换芯片的参 考电压
Figure 537794DEST_PATH_IMAGE035
在参考电阻固定的条件下会随着响应电阻值Rx的增大而减小，反之随着响应 电阻值的减小而增大。在响应电阻值Rx不变的条件下，随着参考电阻阻值的增大，参考电压 VREF增大，反之随着参考电阻阻值的减小而减小。
DSP芯片U5计算
Figure 438754DEST_PATH_IMAGE032
，若
Figure 1453DEST_PATH_IMAGE038
，仍然采用参考电阻R6；
若
Figure 532929DEST_PATH_IMAGE039
，通过DSP芯片U5的引脚IO2和引脚IO3控制模拟开关芯片U4的通道控 制引脚A0和通道控制引脚A1，将参考电阻切换为电阻值更小的参考电阻R5；
若
Figure 672923DEST_PATH_IMAGE040
，通过DSP芯片的引脚IO2和引脚IO3控制模拟开关芯片U4的通道控制引脚 A0和通道控制引脚A1，将参考电阻切换为电阻值更大的参考电阻R7；DSP芯片U5计算
Figure 518519DEST_PATH_IMAGE032
，若
Figure 60359DEST_PATH_IMAGE040
，通过DSP芯片的引脚IO2和引脚IO3控制模拟开关芯片U4的通道控制引脚A0和通道 控制引脚A1，将参考电阻切换为电阻值最大的参考电阻R8；
四个参考电阻配合同相比例放大电路133一定会使得响应电阻都在可测范围之内。
步骤3. 计算响应电阻值Rx：
Figure 762736DEST_PATH_IMAGE041
其中，R2、R3、R4和R9分别为电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R9的电阻值；
步骤4. 利用多元线性回归算法模拟响应电阻值Rx随氨气浓度变化而变化的模型：
Figure 280041DEST_PATH_IMAGE042
其中，C为氨气浓度，T为环境温度，H为环境湿度；a、b、c、d、e、g、h、i、j、k、l、
Figure 522804DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 60095DEST_PATH_IMAGE044
、o和p为多元线性回归算法模型参数；
由上式反解出氨气浓度C为：
Figure 730111DEST_PATH_IMAGE045
其中，环境温度T和环境湿度H由温湿度信息采集模块采集得到。
实施例二
本实例中，以
Figure 47960DEST_PATH_IMAGE046
的电阻型气体传感器阵列为例，气体传感器模块U2的结构组成 示意图如图3所示，M=N=2，COUNT=1。信号选通电路1312采用四通道模拟开关芯片U6，通道控 制引脚A0和通道控制引脚A1分别连接DSP芯片U5的引脚IO5和IO6，引脚S1、引脚S2、引脚S3 和引脚S4与分别与电阻型气体传感器U（1，1）、U（1，2）、U（2，1）和U（2，2）的一端连接。
步骤1. 预判电阻型气体传感器U（m，n）是否有响应：
DSP芯片U5的引脚IO0和IO4分别给出高电平和低电平，单通道模拟开关芯片SW1的通道闭合，四通道模拟开关芯片U6的所有通道断开；单通道模拟开关芯片SW1的通道闭合后，偏置电压V2使得双通道模拟开关芯片SW（m，n）的两组开关S1-D1和S2-D2闭合，匹配电阻R（m，n）和电阻型气体传感器U（m，n）串联构成分压电路；电压比较器A1- U（m，n，1）和电压比较器A2- U（m，n，2）用于比较匹配电阻R（m，n）和电阻型气体传感器U（m，n）连接处的电压v（m，n）与电源电压V3；
若DSP芯片U5的引脚IO(6+m)和IO(8+n)同时为高电平，即第m行第n列的阵列单元 中的两个电压比较器输出的电平状态为高电平，则表明第m行第n列的阵列单元中的气体传 感器的响应电阻Rx达到需要检测的阈值，DSP芯片U5的引脚IO0给出低电平，单通道模拟开 关芯片SW1断开，使得双通道模拟开关芯片SW（m，n）的两组开关S1-D1和S2-D2断开；DSP芯片 U5的引脚IO4给出高电平，并通过DSP芯片U5给定引脚IO5和IO6的高低电平，以控制四通道 模拟开关芯片U6的通道控制引脚A0、A1选通引脚SY，
Figure 704200DEST_PATH_IMAGE005
，接入需要检测的传感 器到信号变换电路完成测量。
通过DSP芯片U5给定引脚IO5和IO6的高低电平的方法为：将Y-1的计算结果数值用二进制表示，从左往右依次赋值给A1和A0，其中二进制数表示中，1表示A(count)对应的IO(5+count)需要给出高电平，0表示低电平。
若有多个阵列单元中的气体传感器的响应电阻Rx达到需要检测的阈值，模拟开关芯片U6的引脚SY对应的通道依次闭合，在某个时刻仅计算单个气体传感器所在环境的气体浓度。
步骤2. 自动选择参考电阻
令参考电阻R5、R6、R7和R8的电阻值依次增大，并选择初始参考电阻R6，令：
Figure 486211DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure 202495DEST_PATH_IMAGE048
表征测量精度，
Figure 804377DEST_PATH_IMAGE049
时，令
Figure 592205DEST_PATH_IMAGE050
；
Figure 838510DEST_PATH_IMAGE051
为运算放大器U1的输出 端电压；
Figure 115907DEST_PATH_IMAGE052
为A/D转换芯片U3的参考电压，参考电压为电压VREF+和电压VREF-之间的差 值，电压VREF+为电源电压V1，电压VREF-为模拟开关芯片U4引脚D上的电压；
Figure 814873DEST_PATH_IMAGE053
为A/D转 换芯片U3模拟电压输入引脚AIN的模拟电压转换得到的数字量；n为A/D转换芯片U3的位数；
DSP芯片U5计算
Figure 203129DEST_PATH_IMAGE048
，若
Figure 631836DEST_PATH_IMAGE054
，仍然采用参考电阻R6；
若
Figure 689922DEST_PATH_IMAGE055
，通过DSP芯片U5的引脚IO2和引脚IO3控制模拟开关芯片U4的通道控 制引脚A0和通道控制引脚A1，将参考电阻切换为电阻值更小的参考电阻R5；
若
Figure 266397DEST_PATH_IMAGE056
，通过DSP芯片的引脚IO2和引脚IO3控制模拟开关芯片U4的通道控制引脚 A0和通道控制引脚A1，将参考电阻切换为电阻值更大的参考电阻R7；DSP芯片U5计算
Figure 333710DEST_PATH_IMAGE048
，若
Figure 413661DEST_PATH_IMAGE056
，通过DSP芯片的引脚IO2和引脚IO3控制模拟开关芯片U4的通道控制引脚A0和通道控 制引脚A1，将参考电阻切换为电阻值最大的参考电阻R8；
步骤3. 计算响应电阻值Rx：
Figure 236124DEST_PATH_IMAGE057
其中，R2、R3、R4和R9分别为电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R9的电阻值；
步骤4. 利用多元线性回归算法模拟响应电阻值Rx随气体浓度变化而变化的模型：
Figure 906752DEST_PATH_IMAGE058
其中，C为气体浓度，T为环境温度，H为环境湿度；a、b、c、d、e、g、h、i、j、k、l、
Figure 636811DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure 446635DEST_PATH_IMAGE060
、o和p为多元线性回归算法模型参数；
由上式反解出气体浓度C为：
Figure 502316DEST_PATH_IMAGE061
其中，环境温度T和环境湿度H由温湿度信息采集模块采集得到。

Claims (4)

1.一种电阻型气体传感器柔性电路，其特征在于，包括温湿度信息采集模块(11)、DSP信号处理电路(12)和传感器信号调理电路(13)；
温湿度信息采集模块(11)为数字式温湿度传感器，用于采集所处环境的温度和湿度信息；
DSP信号处理电路(12)为DSP芯片U5，温湿度信息采集模块(11)通过串行外设接口将采集信息传输至DSP芯片U5；
传感器信号调理电路(13)包括传感器信号变换电路(131)、一级RC低通滤波电路(132)、同相比例放大电路(133)和模数采集转换电路(134)；
传感器信号变换电路(131)包括电阻R2、电阻R3、气体传感器模块U2和参考电阻切换电路；电阻R2的一端和电阻R3的一端相连，电阻R2的另一端与电压V1相连，电阻R3的另一端与电源地GND相连；参考电阻切换电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和模拟开关芯片U4；电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的一端分别与模拟开关芯片U4的引脚S1、引脚S2、引脚S3和引脚S4相连，另一端均与电压V1相连；模拟开关芯片U4的通道控制引脚A0和通道控制引脚A1分别与DSP芯片U5的引脚IO2和引脚IO3相连；气体传感器模块U2的接口INA连接模拟开关芯片U4的引脚D，接口INB连接电源地GND；
一级RC低通滤波电路(132)由电阻R1和电容C1组成；电阻R1的一端连接电阻R2和电阻R3的中间，另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端与电源地GND相连；
同相比例放大电路(133)包括电阻R4、电阻R9和运算放大器U1；运算放大器U1的正向输入端连接电阻R1和电容C1的中间，反向输入端通过电阻R9与电源地GND相连；运算放大器U1的反向输入端和输出端之间并联有电阻R4；
模数采集转换电路(134)为A/D转换芯片U3，A/D转换芯片U3的正参考电压输入引脚vref+连接电压V1，负参考电压输入引脚vref-连接模拟开关芯片U4的引脚D；模拟电压输入引脚AIN连接运算放大器U1的输出端；数字量输出引脚Dout与DSP芯片U5的引脚IO1相连；
气体传感器模块U2包括偏置电压控制电路(1311)、信号选通电路(1312)、传感器阵列响应信号变换电路(1313)和响应传感器位号计算电路(1314)；
偏置电压控制电路(1311)为单通道模拟开关芯片SW1，单通道模拟开关芯片SW1的引脚S连接偏置电压V2，使能端EN1连接DSP芯片U5的引脚IO0；
信号选通电路(1312)为模拟开关芯片U6，引脚D作为气体传感器模块U2的接口INA，使 能端EN2与DSP芯片U5的引脚IO4连接，通道控制引脚A(count)连接DSP芯片U5的引脚IO(5+ count)，0≤count≤COUNT，其中COUNT由传感器阵列的大小
Figure 381094DEST_PATH_IMAGE001
决定，需满足：
Figure 134287DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 750076DEST_PATH_IMAGE003
表示向上取整；
传感器阵列响应信号变换电路(1313)由
Figure 43654DEST_PATH_IMAGE001
个阵列单元构成，每个阵列单元包括电 阻型气体传感器U（m，n）、匹配电阻R（m，n）、双通道模拟开关芯片SW（m，n）、电压比较器A1- U （m，n，1）和电压比较器A2- U（m，n，2），1≤m≤M，1≤n≤N；匹配电阻R（m，n）的一端分别与单 通道模拟开关芯片SW1的引脚D和双通道模拟开关芯片SW（m，n）的使能端EN连接，另一端分 别与双通道模拟开关芯片SW（m，n）的引脚S1和引脚S2连接；双通道模拟开关芯片SW（m，n）的 引脚D1分别与电压比较器A1- U（m，n，1）和电压比较器A2- U（m，n，2）的正向电压输入端相 连，引脚D2分别与电阻型气体传感器U（m，n）的一端和模拟开关芯片U6的引脚SY连接，
Figure 192613DEST_PATH_IMAGE004
；电阻型气体传感器U（m，n）的另一端作为气体传感器模块U2的接口INB，连 接电源地GND；电压比较器A1- U（m，n，1）和电压比较器A2- U（m，n，2）的反向电压输入端连 接电源V3；
响应传感器位号计算电路(1314)包括M+N个或门，电压比较器A1- U（m，n，1）的输出端与第m个或门的输入端相连，电压比较器A2- U（m，n，2）的输出端与第（M+n）个或门的输入端相连，第m个或门的输出端Hm与DSP芯片U5的引脚IO(5+COUNT+m)相连，第（M+n）个或门的输出端Ln与DSP芯片U5的引脚IO(5+COUNT+M+n)相连。
2.根据权利要求1所述的电阻型气体传感器柔性电路，其特征在于，电路基底为聚酰亚胺材料的柔性电路板。
3.一种气体浓度计算方法，基于权利要求2所述电路，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1. 预判电阻型气体传感器U（m，n）是否有响应：
DSP芯片U5的引脚IO0和IO4分别给出高电平和低电平，若DSP芯片U5的引脚IO(5+COUNT+m)和IO(5+COUNT+M+n)同时为高电平，第m行第n列的电阻型气体传感器U（m，n）的响应电阻值达到需要检测的阈值；DSP芯片U5的引脚IO0给出低电平，DSP芯片U5的引脚IO4给出高电平，将Y-1的计算结果数值用二进制表示，二进制表示中1为高电平，0为低电平，引脚IO(5+count)根据二进制表示给出相应的高低电平，引脚编号从小到大的顺序对应于二进制表示从右至左的顺序，模拟开关芯片U6的引脚SY对应的通道闭合；
步骤2. 自动选择参考电阻
令参考电阻R5、R6、R7和R8的电阻值依次增大，并选择初始参考电阻R6，令：
Figure 585548DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 750950DEST_PATH_IMAGE006
表征测量精度，
Figure 785903DEST_PATH_IMAGE007
时，令
Figure 290833DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 120249DEST_PATH_IMAGE009
为运算放大器U1的输出端电 压；
Figure 772947DEST_PATH_IMAGE010
为A/D转换芯片U3的参考电压，参考电压为电压VREF+和电压VREF-之间的差值， 电压VREF+为电源电压V1，电压VREF-为模拟开关芯片U4引脚D上的电压；
Figure 346011DEST_PATH_IMAGE011
为A/D转换 芯片U3模拟电压输入引脚AIN的模拟电压转换得到的数字量；n为A/D转换芯片U3的位数；
DSP芯片U5计算
Figure 705448DEST_PATH_IMAGE006
，若
Figure 768082DEST_PATH_IMAGE012
，参考电阻采用参考电阻R6；
若
Figure 580180DEST_PATH_IMAGE013
，通过DSP芯片U5的引脚IO2和引脚IO3控制模拟开关芯片U4的通道控制引脚 A0和通道控制引脚A1，将参考电阻切换为参考电阻R5；
若
Figure 19252DEST_PATH_IMAGE014
，通过DSP芯片的引脚IO2和引脚IO3控制模拟开关芯片U4的通道控制引脚A0和 通道控制引脚A1，将参考电阻切换为参考电阻R7；DSP芯片U5再次计算
Figure 997310DEST_PATH_IMAGE015
，若
Figure 168528DEST_PATH_IMAGE016
，参考电 阻切换为参考电阻R8，否则参考电阻采用参考电阻R7；
步骤3. 计算响应电阻值Rx：
Figure 530239DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 710685DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 779135DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 183572DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 970262DEST_PATH_IMAGE021
分别为电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R9的电阻值；
步骤4. 利用多元线性回归算法模拟响应电阻值Rx随气体浓度变化而变化的模型：
Figure 688819DEST_PATH_IMAGE022
其中，C为气体浓度，T为环境温度，H为环境湿度；a、b、c、d、e、g、h、i、j、k、l、
Figure 939672DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 718272DEST_PATH_IMAGE024
、o和p为多元线性回归算法模型参数；
由上式反解出气体浓度C为：
Figure 992259DEST_PATH_IMAGE025
其中，环境温度T和环境湿度H由温湿度信息采集模块采集得到。
4.根据权利要求3所述的气体浓度计算方法，其特征在于，若有多个阵列单元中的电阻型气体传感器U（m，n）的响应电阻Rx达到需要检测的阈值，模拟开关芯片U6的引脚SY对应的通道按照引脚编号由小至大的顺序依次闭合，同一时刻仅计算单个气体传感器所在环境的气体浓度。
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