人的嗅覺(jué)系統(tǒng)的性能是相當(dāng)出色的。過(guò)去幾十年人們對(duì)嗅覺(jué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)迅速增加，但是目前的成果還少于人們的期望值。利用氣體在電極上的氧化-還原反應(yīng)研制的第一個(gè)氣敏傳感器是由Wikens和Hatman在1964年報(bào)道的。Buck等人利用氣體調(diào)制電導(dǎo)和Dravieks等人利用氣體調(diào)制電位研制的氣敏傳感器在1965年也做了報(bào)道，1982年英國(guó) Warwick大學(xué)的Persaud 等人提出了利用氣敏傳感器模擬動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。氣敏傳感器是一種對(duì)于某種氣體敏感的化學(xué)傳感器，它能隨著外部氣體的濃度或者氣體的種類(lèi)的不同而改變敏感膜的電阻。現(xiàn)在的氣體檢測(cè)中使用的是氣敏傳感器繪圖儀對(duì)傳感器的電壓信號(hào)直接繪制，由于繪圖儀的動(dòng)態(tài)跟隨性差、反應(yīng)速度慢、缺乏靈活性、測(cè)量精度低等缺點(diǎn)，難以畫(huà)出高頻率高精度的氣敏傳感器的時(shí)間電壓曲線。對(duì)于氣敏傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試，繪圖儀根本無(wú)法達(dá)到要求。本文根據(jù)氣敏傳感器的性質(zhì)研究開(kāi)發(fā)了利用RS232與計(jì)算機(jī)建立連接的氣敏傳感器信號(hào)采集，以此提高氣敏傳感器信號(hào)采集的精度和試驗(yàn)的人工效率。

　　2 氣敏傳感器工作原理及其控制任務(wù)

　　2.1 氣敏傳感器工作原理

　　從材料上分，最常用的氣敏傳感器有金屬氧化物，高分子聚合物材料，壓電材料，膠體敏感膜等；從用途上分有廣普型和專(zhuān)一型。根據(jù)試驗(yàn)需要選擇氣敏傳感器，本測(cè)量系統(tǒng)能夠適用于所有氣敏傳感器。

　　氣敏傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜。加熱電阻改變傳感器的工作溫度， 使其工作在氣體敏感的工作溫度，由于外部氣體的變化從而使得氣敏傳感器的敏感材料的電阻發(fā)生變化，金電極連接氣敏材料的兩端，使得它成為一個(gè)阻值隨外部氣體變化的電阻。

　　氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)與測(cè)試原理如圖1所示。

　　2.2 控制任務(wù)

　　根據(jù)氣敏傳感器的特性設(shè)計(jì)采集任務(wù)，傳感器的溫度要求在250℃左右（或更高），在此溫度下氣體表現(xiàn)出很高的靈敏度 ［2］。鑒于傳感器氣敏阻值的不確定性，取樣電阻的阻值應(yīng)與氣敏電阻（氣敏材料的阻值變化在15倍以?xún)?nèi)）的阻值相匹配。取樣電阻和加熱電壓是由計(jì)算機(jī)控制，加熱電阻 Ro的功率要求在0.3~1.5W之間，R o的值在30W左右，所以可知Ro的電壓值在1~7V之間。加熱電阻的溫度與加熱電壓的大小近似成線性關(guān)系，通過(guò)加大電壓來(lái)提高溫度，以選擇一個(gè)適合于氣體測(cè)試的溫度（通常選用5V的加熱電壓），如果是動(dòng)態(tài)測(cè)量則是使加熱電壓為一個(gè)矩形波，占空比可以由軟件設(shè)定。

　　取樣電阻要求為一個(gè)離散值，它們可為1k， 2k，5k，10k。就氣敏傳感器自身特性而言，它可分為幾個(gè)檔次，其氣敏膜的電阻是不恒定的。文中以氣敏膜電阻值在空氣中為10kW到有待測(cè)氣體中其阻值變化到1kW為標(biāo)準(zhǔn)介紹此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中測(cè)試電壓為一個(gè)固定值，它的精度影響到信號(hào)電壓。在實(shí)際試驗(yàn)中選定測(cè)試電壓值為5V，要求測(cè)得測(cè)試信號(hào)的值（電壓）由獲取的采樣信號(hào)可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)快速地計(jì)算出所需要測(cè)量的氣敏傳感器電阻（一般而言只需要直接看電壓的變化值），從而描繪出氣敏傳感器的阻值隨外界氣體變化的波形圖。

　　3氣敏傳感器信號(hào)采樣與控制電路

　　通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制測(cè)試裝置能使得整個(gè)測(cè)試過(guò)程變得更簡(jiǎn)單和更精確。

　　3.1 采樣周期的確定

　　采樣周期Ts決定了采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量： Ts太小，會(huì)使采樣信號(hào)xs （nTs）的數(shù)量劇增，占有大量的內(nèi)存單元； Ts太大，會(huì)使采樣點(diǎn)之間相距太遠(yuǎn)，模擬信號(hào)的某些信息丟失，會(huì)使采樣后的信號(hào)恢復(fù)為原來(lái)的信號(hào)時(shí)產(chǎn)生信號(hào)失真。因此，選擇合適地采樣保持器直接關(guān)系到信號(hào)的真實(shí)性，當(dāng)連續(xù)信號(hào)下X（t）的頻譜X（f ）為有限頻譜且Ts《=1/2f c，（fc為采樣周期內(nèi)的最高頻率），信號(hào)可以無(wú)失真的采集。氣敏傳感器在動(dòng)態(tài)測(cè)量下， fc約為500Hz，Ts應(yīng)取1ms可滿(mǎn)足要求。

　　3.2 芯片的選擇

　　為了克服由于氣敏傳感器在制造中其阻值 Rs不固定的特點(diǎn)，采樣前，采樣電阻的值應(yīng)根據(jù)氣敏傳感器的值來(lái)調(diào)節(jié)，以確保得到的信號(hào)在測(cè)量范圍之內(nèi)。同時(shí)考慮信號(hào)的值與采集電壓相匹配，信號(hào)電壓若低于采樣電壓太大則影響測(cè)量的精度。測(cè)試電壓V c為5V，ADC采用12位相對(duì)分辨率0.0244%（1LSB），ADC的分辨率為1.22mV（1LSB）。

　　Vout=［Vc/（R c+Rs）］×Rc

　　根據(jù)氣敏傳感器選擇為10k到1k檔而選擇 Rc為5k的取樣電阻，可得到信號(hào)電壓V out的值在1.666～4.166V。

　　使用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)氣敏傳感器信號(hào)的采集，選取以下芯片制作單片機(jī)控制電路。

　?。?） ADC：外部的測(cè)試信號(hào)是模擬量，先進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)化。選取ADC1678芯片，它的分辨率是12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間是5ms，轉(zhuǎn)換誤差小于1LSB，輸出電平為T(mén)TL電平，不需要外部時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓，工作電壓為＋5V或±12V。它的最大的優(yōu)點(diǎn)是自帶有采樣保持器；

　?。?）多路模擬開(kāi)關(guān)：選擇所需的取樣電阻。 AD7502芯片采用16腳雙列直插封式封裝，是一種雙4通道多路開(kāi)關(guān)芯片，依據(jù)二位二進(jìn)制地址線 A0、A1及選通斷（EN）的狀態(tài)來(lái)選擇8路輸入的兩路，分別與兩個(gè)輸出端相接通；

　　（3） 單片機(jī)：集成了1個(gè)8位中央處理器；4kB的只讀存儲(chǔ)器；128的讀寫(xiě)存儲(chǔ)器；32條I/O口線; 2個(gè)定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器；1個(gè)具有5個(gè)中斷器、4個(gè)優(yōu)先級(jí)的嵌套中斷結(jié)構(gòu)；用于多處理器通信、I /O拓展或全雙工UART（通用異步接受發(fā)送器）的串行I/O口以及一個(gè)內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。單片機(jī)控制著測(cè)試電路的各個(gè)部分，建立計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的聯(lián)系就可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)外部的控制。