用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路，包括電源電路、加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路、微控制器電路，電源電路的輸出端分別與加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路、微控制器電路相連接，微控制器電路分別與加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路相連接。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的氣體檢測，并可用于多種氣體的測量，其中加熱電路和測溫電路可實(shí)現(xiàn)氣體檢測溫度的精確控制，使氣體傳感器能在相對(duì)穩(wěn)定的溫度下工作，消除溫度波動(dòng)的干擾；氣體采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的精確采樣；485通信電路具備隔離功能，能直接與上位機(jī)進(jìn)行通信或組成485網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式應(yīng)用。
【專利說明】用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種高精度氣體檢測電路，具體涉及一種用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路。

【背景技術(shù)】
[0002]氣體傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器，它能夠感知被測氣體并把氣體中的特定成分檢測出來，并將之轉(zhuǎn)為便于觀測和分析的可輸出信號(hào)。氣體傳感器最早用于可燃易爆性氣體的泄露報(bào)警，保證生產(chǎn)和生命安全。經(jīng)過逐漸的推廣應(yīng)用，目前，它在大氣污染監(jiān)控、工業(yè)、國防、食品安全以及醫(yī)療檢測等領(lǐng)域，均具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)在，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，如美國、日本、德國、英國等，氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，均已發(fā)展成為品種齊全、技術(shù)綜合的關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，美國1996年?2002年氣體傳感器年均增長率均保持在25%以上。
[0003]根據(jù)分析檢測方法的不同，氣體傳感器主要分為化學(xué)反應(yīng)式、熱傳導(dǎo)式、光學(xué)式、電化學(xué)式、接觸燃燒式和半導(dǎo)體式等類別。其中，半導(dǎo)體類傳感器主要是以半導(dǎo)體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化，通過檢測這些物理特性的變化實(shí)現(xiàn)氣體敏感。若氣體接觸到加熱的金屬氧化物其他半導(dǎo)體材料，這些半導(dǎo)體基材的電阻值會(huì)增大或減小，通過這種電學(xué)信號(hào)的變化量來辨別氣體。這類傳感器被廣泛應(yīng)用在日常生活、城市排放氣體、丙烷氣等應(yīng)用領(lǐng)域，其靈敏度高，構(gòu)造與電路簡單，但信號(hào)輸出與氣體濃度線性易受影響。
[0004]其次，半導(dǎo)體式氣體傳感器件由于其靈敏度高、響應(yīng)速率快、體積小、重量輕、易與Si基半導(dǎo)體工藝兼容等一系列優(yōu)點(diǎn)，而備受人們的青睞。為此，半導(dǎo)體電阻型氣體傳感器在工業(yè)應(yīng)用中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。在功能上，半導(dǎo)體氣體傳感器正朝著“在不影響測量精度的前提下，檢測多種氣體”的方向發(fā)展。檢測精度與反應(yīng)溫度、加熱電路有很大的關(guān)系；目前大部分氣體傳感器都不具備智能溫控的功能。另一方面，因?yàn)闅怏w傳感器用于檢測環(huán)境氣體，加熱不當(dāng)，或受熱不平衡，有可能導(dǎo)致氣體爆炸、燃燒或者電池的爆炸，因而對(duì)于其電源電路、加熱電路的設(shè)計(jì)要求非常高。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于一些重要區(qū)域，如礦井，往往進(jìn)行分布式監(jiān)測。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的氣體檢測，并可用于多種氣體的測量，其中加熱電路和測溫電路可實(shí)現(xiàn)氣體檢測溫度的精確控制，使氣體傳感器能在相對(duì)穩(wěn)定的溫度下工作，消除溫度波動(dòng)的干擾；氣體采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的精確采樣，可用于多種氣體同時(shí)檢測；485通信電路具備隔離功能，能直接與上位機(jī)進(jìn)行通信，亦可組成485網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式應(yīng)用的用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路，其特征在于:包括電源電路、加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路、微控制器電路，所述電源電路的輸出端分別與加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路、微控制器電路相連接，所述微控制器電路分別與加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路相連接。
[0008]優(yōu)選地，所述電源電路包括電源轉(zhuǎn)換芯片U1，9V電池Vin，二極管D1，發(fā)光二極管LEDl，電阻 Rl ?R7,電容 Cin_l、Cin_2、Cout_l、C4、C5，按鍵 SI，PNP 三極管 Ql, TVS 管 Tl,電感Lout_l和隔離電源模塊V2 ；9V電池Vin的正極通過按鍵SI與二極管Dl的陽極相連接，二極管Dl的陰極同時(shí)與電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10、12、13腳以及電容Cin_l的一端相連接，電容Cin_l的另一端與9V電池Vin的負(fù)極以及電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的5、6、8、15、17腳相連接；電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的9腳通過電容Cin_2連接到9V電池Vin的負(fù)極，電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的I腳通過電感Lout_l與電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的7、14腳及電阻Rl的一端相連接，電阻Rl的另一端接電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的4腳；電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的14腳輸出3.3V電壓，通過電容Cout_l接9V電池Vin的負(fù)極，并通過電阻R2接發(fā)光二極管LEDl的陽極，發(fā)光二極管LEDl的陰極接9V電池Vin的負(fù)極；隔離電源模塊V2的I腳接電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的14腳、2腳接9V電池Vin的負(fù)極，隔離電源模塊V2的I腳和2腳兩者之間通過電容C4相連接；隔離電源模塊V2的3、4腳通過電容C5相連接，隔離電源模塊V2的4腳輸出5V電壓；電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10腳通過電阻R3與三極管Ql的發(fā)射極相連接；三極管Ql的發(fā)射極通過電阻R4接9V電池Vin的負(fù)極，三極管Ql的集電極與TVS管Tl的陰極及電阻R7的一端相連接，TVS管Tl的陽極接9V電池Vin的負(fù)極；電阻R7的另一端通過電阻R6后接9V電池Vin的負(fù)極；電阻R7、電阻R6的公共端與微控制器電路中微控制器U7的24腳相連接；三極管Ql的基極通過電阻R5與微控制器電路中微控制器U7的40腳相連接。
[0009]優(yōu)選地，所述加熱電路包括電阻R8?R16，NPN三極管Q2，PNP三極管Q3，穩(wěn)壓二極管D2、運(yùn)算放大器U2，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2和微加熱器Rh ;NPN三極管Q2的集電極通過電阻R8與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10腳相連接；NPN三極管Q2的基極通過電阻R16與微控制器電路中微控制器U7的42腳相連接；NPN三極管Q2的發(fā)射極與電阻R9的一端及穩(wěn)壓二極管D2的陰極相連接，電阻R9的另一端通過電阻RlO與電阻Rll的一端相連接，電阻Rll的另一端通過電阻R12與電阻R13的一端相連接，電阻R13的另一端接電源電路中9V電池Vin的負(fù)極，穩(wěn)壓二極管D2的陽極通過電源電路中電阻R13也與9V電池Vin的負(fù)極相連接；NPN三極管Q2的發(fā)射極、電阻R9與電阻RlO的公共端、電阻RlO與電阻RlI的公共端、電阻Rll與電阻R12的公共端分別與六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2中輸入端的一腳相連接，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2的另一個(gè)輸入腳接地，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2的公共輸出腳與運(yùn)算放大器U2的正向輸入端相連接；運(yùn)算放大器U2的負(fù)向輸入端與電阻R14的一端及三極管Q3的發(fā)射極相連接，電阻R14的另一端與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10腳相連接；PNP三極管Q3的基極通過電阻R15與運(yùn)算放大器U2的輸出端相連接，PNP三極管Q3的集電極通過微加熱器Rh與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接。
[0010]優(yōu)選地，所述測溫電路包括NPN三極管Q4，電阻R17、R18、Rb、Rc、Rd，熱敏電阻Ra，運(yùn)算放大器U3 ;NPN三極管Q4的集電極接電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10腳，NPN三極管Q4的基極通過電阻R18與微控制電路中微控制器U7的41腳相連接；NPN三極管Q4的發(fā)射極與電阻Rd的一端及熱敏電阻Ra的一端相連接，電阻Rd的另一端通過電阻Re與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接，熱敏電阻Ra的另一端通過電阻Rb也與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；電阻Rd與電阻Re的公共端與運(yùn)算放大器U3的負(fù)向輸入端相連接，并通過電阻R17與運(yùn)算放大器U3的輸出端相連接；熱敏電阻Ra與電阻Rb的公共端與運(yùn)算放大器U3的正向輸入端相連接，運(yùn)算放大器U3的輸出端與微控制電路中微控制器U7的22腳相連接。
[0011]優(yōu)選地，所述氣體采樣電路包括電阻R19?R27，NPN三極管Q5，電容C6，三端穩(wěn)壓芯片D3，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3，運(yùn)算放大器U4和半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL ;NPN三極管Q5的集電極與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10腳相連接，NPN三極管Q5的基極通過電阻R19與微控制電路中中微控制器U7的39腳相連接；NPN三極管Q5的發(fā)射極通過R20與電容C6的一端及三端穩(wěn)壓芯片D3的3腳相連接，電容C6的另一端與三端穩(wěn)壓芯片D3的2腳及電阻R22的一端相連接；電阻R22的另一端與三端穩(wěn)壓芯片D3的I腳及電阻R21的一端相連接，電阻R21的另一端與三端穩(wěn)壓芯片D3的3腳及半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL的一端相連接；半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL的另一端通過電阻R23與電阻R24相連接，電阻R24通過電阻R25與電阻R26相連接，電阻R26通過電阻R27與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL與電阻R23的公共端、電阻R23與電阻R24的公共端、電阻R24與電阻R25的公共端、電阻R25與電阻R26的公共端、電阻R26與電阻R27的公共端分別與加熱電路中六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3中輸入端的一腳相連接，加熱電路中六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3的另一個(gè)輸入腳接地，加熱電路中六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3的公共輸出腳與運(yùn)算放大器U4的正向輸入端相連接；運(yùn)算放大器U4的負(fù)向輸入端與輸出端相連接后，接至微控制電路中微控制器U7的23腳。
[0012]優(yōu)選地，所述485通信電路包括數(shù)字隔離芯片U5，485通信芯片U6，電阻R28?R35，雙向二極管D4?D6、RS-485通信接口 J ;數(shù)字隔離芯片U5的I腳與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的14腳相連接，并通過電阻R28與數(shù)字隔離芯片U5的7腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的2腳、8腳相連后與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；數(shù)字隔離芯片U5的16腳與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片的14腳相連接，并通過電阻R29與數(shù)字隔離芯片U5的10腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的9腳和15腳相連接后與電源電路中隔離電源模塊V2的3腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的3、4、6腳分別與中微控制器U7的1、9、2腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的11、13、14腳分別與485通信芯片U6的1、2、4腳相連接；U6的2腳和3腳相連接后通過R30與電源電路中隔離電源模塊V2的3腳相連接；485通信芯片U6的8腳與電源電路中隔離電源模塊V2的4腳相連接，并通過電阻R31與485通信芯片U6的7腳相連接，485通信芯片U6的7腳分別與雙向二極管D4的一端、雙向二極管D6的一端及電阻R32的一端相連接，雙向二極管D4的另一端與電源電路中隔離電源模塊V2的3腳、雙向二極管D5的一端、電阻R35的一端及485通信芯片U6的5腳相連接；雙向二極管D6的另一端與電阻R33的一端、雙向二極管D5的另一端、電阻R35的另一端及485通信芯片U6的6腳相連接；電阻R33的另一端通過電阻R34與電阻R32的另一端相連接；電阻R34的兩端分別與RS-485通信接口 J的兩端相連接。
[0013]優(yōu)選地，所述的微控制器電路包括微控制器U7，電阻R36，晶振Y1，電容C7及CS ;晶振Yl的I腳和3腳與電阻R36的兩端相連接后，分別與微控制器U7的33腳、32腳相連接；晶振￥1的3腳通過電容C7與晶振Yl的2腳相連接，并接至電源電路中9V電池Vin的負(fù)極；晶振Yl的I腳通過電容C8與晶振Yl的I腳相連接，并接至電源電路中9V電池Vin的負(fù)極；微控制器U7的4、16、31、47腳分別與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；微控制器U7的3、13、30、48腳分別與電源電路包括電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的14腳輸出端相連接；微控制器U7的22、23、24腳分別與測溫電路中運(yùn)算放大器U3的輸出端、氣體采樣電路中運(yùn)算放大器U4的輸出端、R6和R7的公共端相連接；微控制器U7的1、2、9腳分別與485通信電路中數(shù)字隔離芯片U5的3、6、4腳；微控制器U7的39、40、41、42腳分別與電阻R19、電阻R5、電阻R18、電阻R16的一端相連接。
[0014]本實(shí)用新型用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路具有下述優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的氣體檢測，并可用于多種氣體的測量，其中加熱電路和測溫電路可實(shí)現(xiàn)氣體檢測溫度的精確控制，使氣體傳感器能在相對(duì)穩(wěn)定的溫度下工作，消除溫度波動(dòng)的干擾；氣體采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的精確采樣，可用于多種氣體同時(shí)檢測；485通信電路具備隔離功能，能直接與上位機(jī)進(jìn)行通信，亦可組成485網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的總體框架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中電源電路的電路原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中加熱電路的電路原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中測溫電路的電路原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例中氣體采樣電路的電路原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例中485通信電路的電路原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例中微控制器電路的電路原理結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本實(shí)用新型的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0024]如圖1所示，本實(shí)施例用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路包括電源電路、加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路、微控制器電路，所述電源電路的輸出端分別與加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路、微控制器電路相連接，所述微控制器電路分別與加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路相連接。
[0025]如圖2所示，電源電路包括電源轉(zhuǎn)換芯片Ul，9V電池Vin，二極管Dl，發(fā)光二極管LEDl，電阻 Rl ?R7,電容 Cin_l、Cin_2、Cout_l、C4、C5，按鍵 SI，PNP 三極管 Ql, TVS 管 Tl,電感Lout_l和隔離電源模塊V2 ；9V電池Vin的正極通過按鍵SI與二極管Dl的陽極相連接，二極管Dl的陰極同時(shí)與電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10、12、13腳以及電容Cin_l的一端相連接，電容Cin_l的另一端與9V電池Vin的負(fù)極以及電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的5、6、8、15、17腳相連接；電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的9腳通過電容Cin_2連接到9V電池Vin的負(fù)極，電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的I腳通過電感Lout_l與電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的7、14腳及電阻Rl的一端相連接，電阻Rl的另一端接電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的4腳；電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的14腳輸出3.3V電壓，通過電容Cout_l接9V電池Vin的負(fù)極，并通過電阻R2接發(fā)光二極管LEDl的陽極，發(fā)光二極管LEDl的陰極接9V電池Vin的負(fù)極；隔離電源模塊V2的I腳接電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的14腳、2腳接9V電池Vin的負(fù)極，隔離電源模塊V2的I腳和2腳兩者之間通過電容C4相連接；隔離電源模塊V2的3、4腳通過電容C5相連接，隔離電源模塊V2的4腳輸出5V電壓；電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10腳通過電阻R3與三極管Ql的發(fā)射極相連接；三極管Ql的發(fā)射極通過電阻R4接9V電池Vin的負(fù)極，三極管Ql的集電極與TVS管Tl的陰極及電阻R7的一端相連接，TVS管Tl的陽極接9V電池Vin的負(fù)極；電阻R7的另一端通過電阻R6后接9V電池Vin的負(fù)極；電阻R7、電阻R6的公共端與微控制器電路中微控制器U7的24腳相連接；三極管Ql的基極通過電阻R5與微控制器電路中微控制器U7的40腳相連接。本實(shí)施例中，電源轉(zhuǎn)換芯片Ul采用TPS62132型電源轉(zhuǎn)換芯片，隔離電源模塊V2采用B0305S/D-1W型3.3V轉(zhuǎn)5V隔離電源模塊。電源電路為其他各電路工作提供電源，分別輸出9V、3.3V及5V電壓，其中微控制器U7通過電源電路中的電阻R6、R7實(shí)時(shí)采集電池電壓V_test是否穩(wěn)定，當(dāng)電池電壓V_test不穩(wěn)定時(shí)可輸出報(bào)警信號(hào)；微控制器U7通過加熱電路中的電阻R16控制三極管Q2，從而控制加熱電路是否工作，即當(dāng)需要對(duì)氣體進(jìn)行采樣時(shí)，才觸發(fā)加熱電路，進(jìn)而減少不必要的功耗。
[0026]如圖3所示，加熱電路包括電阻R8?R16，NPN三極管Q2，PNP三極管Q3，穩(wěn)壓二極管D2、運(yùn)算放大器U2，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2和微加熱器Rh ;NPN三極管Q2的集電極通過電阻R8與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10腳相連接；NPN三極管Q2的基極通過電阻R16與微控制器電路中微控制器U7的42腳相連接；NPN三極管Q2的發(fā)射極與電阻R9的一端及穩(wěn)壓二極管D2的陰極相連接，電阻R9的另一端通過電阻RlO與電阻Rll的一端相連接，電阻Rll的另一端通過電阻R12與電阻R13的一端相連接，電阻R13的另一端接電源電路中9V電池Vin的負(fù)極，穩(wěn)壓二極管D2的陽極通過電源電路中電阻R13也與9V電池Vin的負(fù)極相連接；NPN三極管Q2的發(fā)射極、電阻R9與電阻RlO的公共端、電阻RlO與電阻Rll的公共端、電阻Rll與電阻R12的公共端分別與六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2中輸入端的一腳相連接，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2的另一個(gè)輸入腳接地，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2的公共輸出腳與運(yùn)算放大器U2的正向輸入端相連接；運(yùn)算放大器U2的負(fù)向輸入端與電阻R14的一端及三極管Q3的發(fā)射極相連接，電阻R14的另一端與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10腳相連接；PNP三極管Q3的基極通過電阻R15與運(yùn)算放大器U2的輸出端相連接，PNP三極管Q3的集電極通過微加熱器Rh與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接。本實(shí)施例尚未加熱電路具有不同的檔位，從而針對(duì)不同的檢測氣體，可控制加熱的速度，能對(duì)不同的檢測氣體選擇不同的測量檔位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的精確檢測；加熱電路采用恒流控制，能準(zhǔn)確控制加熱的時(shí)間、熱量，有效避免過度加熱。運(yùn)算放大器U2負(fù)向輸入端所輸出的電壓與正向輸入端的電壓相等，而流過微加熱器Rh的電流為電源電路中9V電池Vin與運(yùn)算放大器U2負(fù)向輸入端電壓差除以電阻R14的值，因此要控制該加熱器的發(fā)熱速度，只需通過六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2切換到不同的電阻檔位，使運(yùn)算放大器U2負(fù)向輸入端的電壓發(fā)生變化即可。
[0027]如圖4所示，測溫電路包括NPN三極管Q4，電阻R17、R18、Rb、Rc、Rd，熱敏電阻Ra，運(yùn)算放大器U3 ;NPN三極管Q4的集電極接電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10腳，NPN三極管Q4的基極通過電阻R18與微控制電路中微控制器U7的41腳相連接；NPN三極管Q4的發(fā)射極與電阻Rd的一端及熱敏電阻Ra的一端相連接，電阻Rd的另一端通過電阻Re與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接，熱敏電阻Ra的另一端通過電阻Rb也與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；電阻Rd與電阻Re的公共端與運(yùn)算放大器U3的負(fù)向輸入端相連接，并通過電阻R17與運(yùn)算放大器U3的輸出端相連接；熱敏電阻Ra與電阻Rb的公共端與運(yùn)算放大器U3的正向輸入端相連接，運(yùn)算放大器U3的輸出端與微控制電路中微控制器U7的22腳相連接。本實(shí)施例通過測溫電路實(shí)時(shí)監(jiān)測氣體采樣溫度，從而提高檢測精度，并及時(shí)反饋加熱電路，防止過度加熱以及無效加熱；熱敏電阻的測量采用橋式測量方式，輸出的測量電壓由運(yùn)算放大器進(jìn)行放大后，輸入到微控制器U7的內(nèi)部AD進(jìn)行采樣，該電路用于測量氣體的溫度，可置于氣體出氣口，通過對(duì)溫度的檢測來判斷測量效果以及加熱電路的工作狀態(tài)。本實(shí)施例中，熱敏電阻Ra采用103NT-4-R025H34G高耐溫系列的熱敏電阻。與加熱電阻相似，為了減少測溫電路的功耗，本實(shí)施例亦采用微控制器U7控制NPN三極管Q4的方式進(jìn)行控制，即通過控制NPN三極管Q4的開斷來選擇是否觸發(fā)該電路。
[0028]如圖5所示，氣體采樣電路包括電阻R19?R27，NPN三極管Q5，電容C6，三端穩(wěn)壓芯片D3，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3，運(yùn)算放大器U4和半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL ;NPN三極管Q5的集電極與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的10腳相連接，NPN三極管Q5的基極通過電阻R19與微控制電路中中微控制器U7的39腳相連接；NPN三極管Q5的發(fā)射極通過R20與電容C6的一端及三端穩(wěn)壓芯片D3的3腳相連接，電容C6的另一端與三端穩(wěn)壓芯片D3的2腳及電阻R22的一端相連接；電阻R22的另一端與三端穩(wěn)壓芯片D3的I腳及電阻R21的一端相連接，電阻R21的另一端與三端穩(wěn)壓芯片D3的3腳及半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL的一端相連接；半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL的另一端通過電阻R23與電阻R24相連接，電阻R24通過電阻R25與電阻R26相連接，電阻R26通過電阻R27與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL與電阻R23的公共端、電阻R23與電阻R24的公共端、電阻R24與電阻R25的公共端、電阻R25與電阻R26的公共端、電阻R26與電阻R27的公共端分別與加熱電路中六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3中輸入端的一腳相連接，加熱電路中六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3的另一個(gè)輸入腳接地，加熱電路中六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3的公共輸出腳與運(yùn)算放大器U4的正向輸入端相連接；運(yùn)算放大器U4的負(fù)向輸入端與輸出端相連接后，接至微控制電路中微控制器U7的23腳。本實(shí)施例中，三端穩(wěn)壓芯片D3采用TL431穩(wěn)壓芯片。采樣電路的觸發(fā)也采用微控制電路控制三極管的方式，當(dāng)三極管Q5工作后，整個(gè)采樣電路開始工作，為了提高采樣精度，采用三端穩(wěn)壓芯片D3來控制采樣輸入電壓。電阻串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成了檔位選擇電路，配合不同的采樣氣體，以為不同的氣體引起半導(dǎo)體氣體傳感器電極上電阻變化的范圍不一樣，因而需要不同的匹配電阻。采樣電壓通過運(yùn)算放大器U4構(gòu)成的電壓跟隨器輸入到微控制的內(nèi)部AD進(jìn)行計(jì)算，本發(fā)明所選擇的微控制器U7，其內(nèi)部AD為16位，因而配合該采樣電路，可實(shí)現(xiàn)高精度的采樣。
[0029]如圖6所示，485通信電路包括數(shù)字隔離芯片U5，485通信芯片U6，電阻R28?R35，雙向二極管D4?D6、RS-485通信接口 J ;數(shù)字隔離芯片U5的I腳與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的14腳相連接，并通過電阻R28與數(shù)字隔離芯片U5的7腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的2腳、8腳相連后與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；數(shù)字隔離芯片U5的16腳與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片的14腳相連接，并通過電阻R29與數(shù)字隔離芯片U5的10腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的9腳和15腳相連接后與電源電路中隔離電源模塊V2的3腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的3、4、6腳分別與中微控制器U7的1、9、2腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的11、13、14腳分別與485通信芯片U6的1、2、4腳相連接；U6的2腳和3腳相連接后通過R30與電源電路中隔離電源模塊V2的3腳相連接；485通信芯片U6的8腳與電源電路中隔離電源模塊V2的4腳相連接，并通過電阻R31與485通信芯片U6的7腳相連接，485通信芯片U6的7腳分別與雙向二極管D4的一端、雙向二極管D6的一端及電阻R32的一端相連接，雙向二極管D4的另一端與電源電路中隔離電源模塊V2的3腳、雙向二極管D5的一端、電阻R35的一端及485通信芯片U6的5腳相連接；雙向二極管D6的另一端與電阻R33的一端、雙向二極管D5的另一端、電阻R35的另一端及485通信芯片U6的6腳相連接；電阻R33的另一端通過電阻R34與電阻R32的另一端相連接；電阻R34的兩端分別與RS-485通信接口 J的兩端相連接。本實(shí)施例具備隔離的RS485接口，既能與上位機(jī)直接通信，又可組成檢測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)特殊場合的環(huán)境氣體分布式監(jiān)測。本實(shí)施例中，數(shù)字隔離芯片U5采用ADUM1401型數(shù)字隔離芯片，485通信芯片U6采用MAX3485ESA型485通信芯片，雙向二極管D4?D6采用P6KE6.8CA型雙向二極管。為了保證電路與外界的可靠通信，采用隔離芯片U5將微控制器與外部485芯片進(jìn)行數(shù)字隔離，起到保護(hù)電路的作用。雙向二極管D4?D6用于保護(hù)485芯片U6不被線路上的過壓所損壞，上拉電阻R31、下拉電阻R35確保U6處于空閑狀態(tài)時(shí)，不會(huì)輸出未定義狀態(tài)。下拉電阻R30可確保微控制器U7上電時(shí)，U6處于接收狀態(tài)，防止其輸出隨機(jī)數(shù)，破壞總線通信。
[0030]如圖7所示，微控制器電路包括微控制器U7，電阻R36，晶振Yl，電容C7及C8 ;晶振Yl的I腳和3腳與電阻R36的兩端相連接后，分別與微控制器U7的33腳、32腳相連接；晶振Yl的3腳通過電容C7與晶振Yl的2腳相連接，并接至電源電路中9V電池Vin的負(fù)極；晶振Yl的I腳通過電容C8與晶振Yl的I腳相連接，并接至電源電路中9V電池Vin的負(fù)極；微控制器U7的4、16、31、47腳分別與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；微控制器U7的3、13、30、48腳分別與電源電路包括電源轉(zhuǎn)換芯片Ul的14腳輸出端相連接；微控制器U7的22、23、24腳分別與測溫電路中運(yùn)算放大器U3的輸出端、氣體采樣電路中運(yùn)算放大器U4的輸出端、R6和R7的公共端相連接；微控制器U7的1、2、9腳分別與485通信電路中數(shù)字隔離芯片U5的3、6、4腳;微控制器U7的39、40、41、42腳分別與電阻町9、電阻1?5、電阻R18、電阻R16的一端相連接。本實(shí)施例中，微控制器U7采用MKL25Z64VLK4。微控制器U7主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同電路的控制和監(jiān)測，微控制內(nèi)部16為的AD，可使采集到的數(shù)據(jù)具有很高的精度和分辨率，為高精度的氣體采樣實(shí)現(xiàn)硬件基礎(chǔ)。
[0031]本實(shí)施例在在應(yīng)用于依次由電極、絕緣隔離層、微加熱器疊加構(gòu)成的半導(dǎo)體氣體傳感器時(shí)，加熱電路使微加熱器發(fā)熱，微加熱器通常為鎳鎘合金之類的金屬，其電學(xué)模型等效于電阻；微加熱器上面覆蓋絕緣隔離層，其傳輸熱量到電極，電極表面覆蓋有氣體檢測膜，微工藝使氣體檢測膜與電極融為一體，因此該結(jié)構(gòu)等效為可變電阻，其阻值隨待測氣體濃度的變化而變化，氣體檢測的原理即通過檢測電極兩端電阻的變化來檢測氣體濃度。
[0032]以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不僅限于上述實(shí)施方式，凡是屬于本實(shí)用新型原理的技術(shù)方案均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本實(shí)用新型的原理的前提下進(jìn)行的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路，其特征在于:包括電源電路、加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路、微控制器電路，所述電源電路的輸出端分別與加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路、微控制器電路相連接，所述微控制器電路分別與加熱電路、測溫電路、氣體采樣電路、485通信電路相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路，其特征在于:所述電源電路包括電源轉(zhuǎn)換芯片U1，9V電池Vin，二極管D1，發(fā)光二極管LED1，電阻R1 ?R7,電容 Cin_l、Cin_2、Cout_l、C4、C5，按鍵 S1,PNP 三極管 Q1,TVS 管 T1,電感 Lout_l和隔離電源模塊V2 ；9V電池Vin的正極通過按鍵S1與二極管D1的陽極相連接，二極管D1的陰極同時(shí)與電源轉(zhuǎn)換芯片U1的10、12、13腳以及電容Cin_l的一端相連接，電容Cin_l的另一端與9V電池Vin的負(fù)極以及電源轉(zhuǎn)換芯片U1的5、6、8、15、17腳相連接；電源轉(zhuǎn)換芯片U1的9腳通過電容Cin_2連接到9V電池Vin的負(fù)極，電源轉(zhuǎn)換芯片U1的1腳通過電感Lout_l與電源轉(zhuǎn)換芯片U1的7、14腳及電阻R1的一端相連接，電阻R1的另一端接電源轉(zhuǎn)換芯片U1的4腳；電源轉(zhuǎn)換芯片U1的14腳輸出3.3V電壓，通過電容Cout_l接9V電池Vin的負(fù)極，并通過電阻R2接發(fā)光二極管LED1的陽極，發(fā)光二極管LED1的陰極接9V電池Vin的負(fù)極；隔離電源模塊V2的1腳接電源轉(zhuǎn)換芯片U1的14腳、2腳接9V電池Vin的負(fù)極，隔離電源模塊V2的1腳和2腳兩者之間通過電容C4相連接；隔離電源模塊V2的3、4腳通過電容C5相連接，隔離電源模塊V2的4腳輸出5V電壓；電源轉(zhuǎn)換芯片U1的10腳通過電阻R3與三極管Q1的發(fā)射極相連接；三極管Q1的發(fā)射極通過電阻R4接9V電池Vin的負(fù)極，三極管Q1的集電極與TVS管T1的陰極及電阻R7的一端相連接，TVS管T1的陽極接9V電池Vin的負(fù)極；電阻R7的另一端通過電阻R6后接9V電池Vin的負(fù)極；電阻R7、電阻R6的公共端與微控制器電路中微控制器U7的24腳相連接；三極管Q1的基極通過電阻R5與微控制器電路中微控制器U7的40腳相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路，其特征在于:所述加熱電路包括電阻R8?R16，NPN三極管Q2，PNP三極管Q3，穩(wěn)壓二極管D2、運(yùn)算放大器U2，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2和微加熱器Rh ;NPN三極管Q2的集電極通過電阻R8與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片U1的10腳相連接；NPN三極管Q2的基極通過電阻R16與微控制器電路中微控制器U7的42腳相連接；NPN三極管Q2的發(fā)射極與電阻R9的一端及穩(wěn)壓二極管D2的陰極相連接，電阻R9的另一端通過電阻R10與電阻R11的一端相連接，電阻R11的另一端通過電阻R12與電阻R13的一端相連接，電阻R13的另一端接電源電路中9V電池Vin的負(fù)極，穩(wěn)壓二極管D2的陽極通過電源電路中電阻R13也與9V電池Vin的負(fù)極相連接；NPN三極管Q2的發(fā)射極、電阻R9與電阻R10的公共端、電阻R10與電阻Rl 1的公共端、電阻Rl 1與電阻R12的公共端分別與六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2中輸入端的一腳相連接，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2的另一個(gè)輸入腳接地，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S2的公共輸出腳與運(yùn)算放大器U2的正向輸入端相連接；運(yùn)算放大器U2的負(fù)向輸入端與電阻R14的一端及三極管Q3的發(fā)射極相連接，電阻R14的另一端與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片U1的10腳相連接；PNP三極管Q3的基極通過電阻R15與運(yùn)算放大器U2的輸出端相連接，PNP三極管Q3的集電極通過微加熱器Rh與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路，其特征在于:所述測溫電路包括NPN三極管Q4，電阻R17、R18、Rb、Rc、Rd，熱敏電阻Ra，運(yùn)算放大器U3 ；NPN三極管Q4的集電極接電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片U1的10腳，NPN三極管Q4的基極通過電阻R18與微控制電路中微控制器U7的41腳相連接；NPN三極管Q4的發(fā)射極與電阻Rd的一端及熱敏電阻Ra的一端相連接，電阻Rd的另一端通過電阻Rc與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接，熱敏電阻Ra的另一端通過電阻Rb也與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；電阻Rd與電阻Rc的公共端與運(yùn)算放大器U3的負(fù)向輸入端相連接，并通過電阻R17與運(yùn)算放大器U3的輸出端相連接；熱敏電阻Ra與電阻Rb的公共端與運(yùn)算放大器U3的正向輸入端相連接，運(yùn)算放大器U3的輸出端與微控制電路中微控制器U7的22腳相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路，其特征在于:所述氣體采樣電路包括電阻R19?R27，NPN三極管Q5，電容C6，三端穩(wěn)壓芯片D3，六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3，運(yùn)算放大器U4和半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL ;NPN三極管Q5的集電極與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片U1的10腳相連接，NPN三極管Q5的基極通過電阻R19與微控制電路中中微控制器U7的39腳相連接；NPN三極管Q5的發(fā)射極通過R20與電容C6的一端及三端穩(wěn)壓芯片D3的3腳相連接，電容C6的另一端與三端穩(wěn)壓芯片D3的2腳及電阻R22的一端相連接；電阻R22的另一端與三端穩(wěn)壓芯片D3的1腳及電阻R21的一端相連接，電阻R21的另一端與三端穩(wěn)壓芯片D3的3腳及半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL的一端相連接；半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL的另一端通過電阻R23與電阻R24相連接，電阻R24通過電阻R25與電阻R26相連接，電阻R26通過電阻R27與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；半導(dǎo)體氣體傳感器電極RL與電阻R23的公共端、電阻R23與電阻R24的公共端、電阻R24與電阻R25的公共端、電阻R25與電阻R26的公共端、電阻R26與電阻R27的公共端分別與加熱電路中六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3中輸入端的一腳相連接，加熱電路中六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3的另一個(gè)輸入腳接地，加熱電路中六路轉(zhuǎn)換開關(guān)S3的公共輸出腳與運(yùn)算放大器U4的正向輸入端相連接；運(yùn)算放大器U4的負(fù)向輸入端與輸出端相連接后，接至微控制電路中微控制器U7的23腳。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路，其特征在于:所述485通信電路包括數(shù)字隔離芯片U5，485通信芯片U6，電阻R28?R35，雙向二極管D4?D6、RS-485通信接口 J ;數(shù)字隔離芯片U5的1腳與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片U1的14腳相連接，并通過電阻R28與數(shù)字隔離芯片U5的7腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的2腳、8腳相連后與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；數(shù)字隔離芯片U5的16腳與電源電路中電源轉(zhuǎn)換芯片的14腳相連接，并通過電阻R29與數(shù)字隔離芯片U5的10腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的9腳和15腳相連接后與電源電路中隔離電源模塊V2的3腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的3、4、6腳分別與中微控制器U7的1、9、2腳相連接；數(shù)字隔離芯片U5的11、13、14腳分別與485通信芯片U6的1、2、4腳相連接；U6的2腳和3腳相連接后通過R30與電源電路中隔離電源模塊V2的3腳相連接；485通信芯片U6的8腳與電源電路中隔離電源模塊V2的4腳相連接，并通過電阻R31與485通信芯片U6的7腳相連接，485通信芯片U6的7腳分別與雙向二極管D4的一端、雙向二極管D6的一端及電阻R32的一端相連接，雙向二極管D4的另一端與電源電路中隔離電源模塊V2的3腳、雙向二極管D5的一端、電阻R35的一端及485通信芯片U6的5腳相連接；雙向二極管D6的另一端與電阻R33的一端、雙向二極管D5的另一端、電阻R35的另一端及485通信芯片U6的6腳相連接；電阻R33的另一端通過電阻R34與電阻R32的另一端相連接；電阻R34的兩端分別與RS-485通信接口J的兩端相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度多種氣體檢測電路，其特征在于:所述的微控制器電路包括微控制器U7，電阻R36，晶振Y1，電容C7及C8 ;晶振Y1的1腳和3腳與電阻R36的兩端相連接后，分別與微控制器U7的33腳、32腳相連接；晶振Y1的3腳通過電容C7與晶振Y1的2腳相連接，并接至電源電路中9V電池Vin的負(fù)極；晶振Y1的1腳通過電容C8與晶振Y1的1腳相連接，并接至電源電路中9V電池Vin的負(fù)極；微控制器U7的4、16、31、47腳分別與電源電路中9V電池Vin的負(fù)極相連接；微控制器U7的3、13、30、48腳分別與電源電路包括電源轉(zhuǎn)換芯片U1的14腳輸出端相連接；微控制器U7的22、23、24腳分別與測溫電路中運(yùn)算放大器U3的輸出端、氣體采樣電路中運(yùn)算放大器U4的輸出端、R6和R7的公共端相連接；微控制器U7的1、2、9腳分別與485通信電路中數(shù)字隔離芯片U5的3、6、4腳；微控制器U7的39、40、41、42腳分別與電阻R19、電阻R5、電阻R18、電阻R16的一端相連接。
【文檔編號(hào)】G01N27/12GK204188558SQ201420610131
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】周玲, 李東風(fēng), 許小霞, 張曉婷, 劉衛(wèi), 姚冰, 郭玉坤 申請(qǐng)人:安徽芯核防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司