用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路，包括电源电路、加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路、微控制器电路，电源电路的输出端分别与加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路、微控制器电路相连接，微控制器电路分别与加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路相连接。本实用新型能够实现高精度的气体检测，并可用于多种气体的测量，其中加热电路和测温电路可实现气体检测温度的精确控制，使气体传感器能在相对稳定的温度下工作，消除温度波动的干扰；气体采样电路实现对多种气体的精确采样；485通信电路具备隔离功能，能直接与上位机进行通信或组成485网络实现大规模分布式应用。
【专利说明】用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种高精度气体检测电路，具体涉及一种用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路。
【背景技术】
[0002]气体传感器是一种检测特定气体的传感器，它能够感知被测气体并把气体中的特定成分检测出来，并将之转为便于观测和分析的可输出信号。气体传感器最早用于可燃易爆性气体的泄露报警，保证生产和生命安全。经过逐渐的推广应用，目前，它在大气污染监控、工业、国防、食品安全以及医疗检测等领域，均具有非常重要的应用价值。现在，在工业发达的国家，如美国、日本、德国、英国等，气体传感器技术得到了较快发展，均已发展成为品种齐全、技术综合的关键技术产业。据有关统计分析，美国1996年?2002年气体传感器年均增长率均保持在25%以上。
[0003]根据分析检测方法的不同，气体传感器主要分为化学反应式、热传导式、光学式、电化学式、接触燃烧式和半导体式等类别。其中，半导体类传感器主要是以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化实现气体敏感。若气体接触到加热的金属氧化物其他半导体材料，这些半导体基材的电阻值会增大或减小，通过这种电学信号的变化量来辨别气体。这类传感器被广泛应用在日常生活、城市排放气体、丙烷气等应用领域，其灵敏度高，构造与电路简单，但信号输出与气体浓度线性易受影响。
[0004]其次，半导体式气体传感器件由于其灵敏度高、响应速率快、体积小、重量轻、易与Si基半导体工艺兼容等一系列优点，而备受人们的青睐。为此，半导体电阻型气体传感器在工业应用中逐渐占据主导地位。在功能上，半导体气体传感器正朝着“在不影响测量精度的前提下，检测多种气体”的方向发展。检测精度与反应温度、加热电路有很大的关系；目前大部分气体传感器都不具备智能温控的功能。另一方面，因为气体传感器用于检测环境气体，加热不当，或受热不平衡，有可能导致气体爆炸、燃烧或者电池的爆炸，因而对于其电源电路、加热电路的设计要求非常高。此外，随着物联网技术的发展，对于一些重要区域，如矿井，往往进行分布式监测。
实用新型内容
[0005]本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够实现高精度的气体检测，并可用于多种气体的测量，其中加热电路和测温电路可实现气体检测温度的精确控制，使气体传感器能在相对稳定的温度下工作，消除温度波动的干扰；气体采样电路实现对多种气体的精确采样，可用于多种气体同时检测；485通信电路具备隔离功能，能直接与上位机进行通信，亦可组成485网络，实现大规模分布式应用的用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为:
[0007]—种用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路，其特征在于:包括电源电路、加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路、微控制器电路，所述电源电路的输出端分别与加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路、微控制器电路相连接，所述微控制器电路分别与加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路相连接。
[0008]优选地，所述电源电路包括电源转换芯片U1，9V电池Vin，二极管D1，发光二极管LEDl，电阻 Rl ?R7,电容 Cin_l、Cin_2、Cout_l、C4、C5，按键 SI，PNP 三极管 Ql, TVS 管 Tl,电感Lout_l和隔离电源模块V2 ；9V电池Vin的正极通过按键SI与二极管Dl的阳极相连接，二极管Dl的阴极同时与电源转换芯片Ul的10、12、13脚以及电容Cin_l的一端相连接，电容Cin_l的另一端与9V电池Vin的负极以及电源转换芯片Ul的5、6、8、15、17脚相连接；电源转换芯片Ul的9脚通过电容Cin_2连接到9V电池Vin的负极，电源转换芯片Ul的I脚通过电感Lout_l与电源转换芯片Ul的7、14脚及电阻Rl的一端相连接，电阻Rl的另一端接电源转换芯片Ul的4脚；电源转换芯片Ul的14脚输出3.3V电压，通过电容Cout_l接9V电池Vin的负极，并通过电阻R2接发光二极管LEDl的阳极，发光二极管LEDl的阴极接9V电池Vin的负极；隔离电源模块V2的I脚接电源转换芯片Ul的14脚、2脚接9V电池Vin的负极，隔离电源模块V2的I脚和2脚两者之间通过电容C4相连接；隔离电源模块V2的3、4脚通过电容C5相连接，隔离电源模块V2的4脚输出5V电压；电源转换芯片Ul的10脚通过电阻R3与三极管Ql的发射极相连接；三极管Ql的发射极通过电阻R4接9V电池Vin的负极，三极管Ql的集电极与TVS管Tl的阴极及电阻R7的一端相连接，TVS管Tl的阳极接9V电池Vin的负极；电阻R7的另一端通过电阻R6后接9V电池Vin的负极；电阻R7、电阻R6的公共端与微控制器电路中微控制器U7的24脚相连接；三极管Ql的基极通过电阻R5与微控制器电路中微控制器U7的40脚相连接。
[0009]优选地，所述加热电路包括电阻R8?R16，NPN三极管Q2，PNP三极管Q3，稳压二极管D2、运算放大器U2，六路转换开关S2和微加热器Rh ;NPN三极管Q2的集电极通过电阻R8与电源电路中电源转换芯片Ul的10脚相连接；NPN三极管Q2的基极通过电阻R16与微控制器电路中微控制器U7的42脚相连接；NPN三极管Q2的发射极与电阻R9的一端及稳压二极管D2的阴极相连接，电阻R9的另一端通过电阻RlO与电阻Rll的一端相连接，电阻Rll的另一端通过电阻R12与电阻R13的一端相连接，电阻R13的另一端接电源电路中9V电池Vin的负极，稳压二极管D2的阳极通过电源电路中电阻R13也与9V电池Vin的负极相连接；NPN三极管Q2的发射极、电阻R9与电阻RlO的公共端、电阻RlO与电阻RlI的公共端、电阻Rll与电阻R12的公共端分别与六路转换开关S2中输入端的一脚相连接，六路转换开关S2的另一个输入脚接地，六路转换开关S2的公共输出脚与运算放大器U2的正向输入端相连接；运算放大器U2的负向输入端与电阻R14的一端及三极管Q3的发射极相连接，电阻R14的另一端与电源电路中电源转换芯片Ul的10脚相连接；PNP三极管Q3的基极通过电阻R15与运算放大器U2的输出端相连接，PNP三极管Q3的集电极通过微加热器Rh与电源电路中9V电池Vin的负极相连接。
[0010]优选地，所述测温电路包括NPN三极管Q4，电阻R17、R18、Rb、Rc、Rd，热敏电阻Ra，运算放大器U3 ;NPN三极管Q4的集电极接电源电路中电源转换芯片Ul的10脚，NPN三极管Q4的基极通过电阻R18与微控制电路中微控制器U7的41脚相连接；NPN三极管Q4的发射极与电阻Rd的一端及热敏电阻Ra的一端相连接，电阻Rd的另一端通过电阻Re与电源电路中9V电池Vin的负极相连接，热敏电阻Ra的另一端通过电阻Rb也与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；电阻Rd与电阻Re的公共端与运算放大器U3的负向输入端相连接，并通过电阻R17与运算放大器U3的输出端相连接；热敏电阻Ra与电阻Rb的公共端与运算放大器U3的正向输入端相连接，运算放大器U3的输出端与微控制电路中微控制器U7的22脚相连接。
[0011]优选地，所述气体采样电路包括电阻R19?R27，NPN三极管Q5，电容C6，三端稳压芯片D3，六路转换开关S3，运算放大器U4和半导体气体传感器电极RL ;NPN三极管Q5的集电极与电源电路中电源转换芯片Ul的10脚相连接，NPN三极管Q5的基极通过电阻R19与微控制电路中中微控制器U7的39脚相连接；NPN三极管Q5的发射极通过R20与电容C6的一端及三端稳压芯片D3的3脚相连接，电容C6的另一端与三端稳压芯片D3的2脚及电阻R22的一端相连接；电阻R22的另一端与三端稳压芯片D3的I脚及电阻R21的一端相连接，电阻R21的另一端与三端稳压芯片D3的3脚及半导体气体传感器电极RL的一端相连接；半导体气体传感器电极RL的另一端通过电阻R23与电阻R24相连接，电阻R24通过电阻R25与电阻R26相连接，电阻R26通过电阻R27与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；半导体气体传感器电极RL与电阻R23的公共端、电阻R23与电阻R24的公共端、电阻R24与电阻R25的公共端、电阻R25与电阻R26的公共端、电阻R26与电阻R27的公共端分别与加热电路中六路转换开关S3中输入端的一脚相连接，加热电路中六路转换开关S3的另一个输入脚接地，加热电路中六路转换开关S3的公共输出脚与运算放大器U4的正向输入端相连接；运算放大器U4的负向输入端与输出端相连接后，接至微控制电路中微控制器U7的23脚。
[0012]优选地，所述485通信电路包括数字隔离芯片U5，485通信芯片U6，电阻R28?R35，双向二极管D4?D6、RS-485通信接口 J ;数字隔离芯片U5的I脚与电源电路中电源转换芯片Ul的14脚相连接，并通过电阻R28与数字隔离芯片U5的7脚相连接；数字隔离芯片U5的2脚、8脚相连后与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；数字隔离芯片U5的16脚与电源电路中电源转换芯片的14脚相连接，并通过电阻R29与数字隔离芯片U5的10脚相连接；数字隔离芯片U5的9脚和15脚相连接后与电源电路中隔离电源模块V2的3脚相连接；数字隔离芯片U5的3、4、6脚分别与中微控制器U7的1、9、2脚相连接；数字隔离芯片U5的11、13、14脚分别与485通信芯片U6的1、2、4脚相连接；U6的2脚和3脚相连接后通过R30与电源电路中隔离电源模块V2的3脚相连接；485通信芯片U6的8脚与电源电路中隔离电源模块V2的4脚相连接，并通过电阻R31与485通信芯片U6的7脚相连接，485通信芯片U6的7脚分别与双向二极管D4的一端、双向二极管D6的一端及电阻R32的一端相连接，双向二极管D4的另一端与电源电路中隔离电源模块V2的3脚、双向二极管D5的一端、电阻R35的一端及485通信芯片U6的5脚相连接；双向二极管D6的另一端与电阻R33的一端、双向二极管D5的另一端、电阻R35的另一端及485通信芯片U6的6脚相连接；电阻R33的另一端通过电阻R34与电阻R32的另一端相连接；电阻R34的两端分别与RS-485通信接口 J的两端相连接。
[0013]优选地，所述的微控制器电路包括微控制器U7，电阻R36，晶振Y1，电容C7及CS ;晶振Yl的I脚和3脚与电阻R36的两端相连接后，分别与微控制器U7的33脚、32脚相连接；晶振￥1的3脚通过电容C7与晶振Yl的2脚相连接，并接至电源电路中9V电池Vin的负极；晶振Yl的I脚通过电容C8与晶振Yl的I脚相连接，并接至电源电路中9V电池Vin的负极；微控制器U7的4、16、31、47脚分别与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；微控制器U7的3、13、30、48脚分别与电源电路包括电源转换芯片Ul的14脚输出端相连接；微控制器U7的22、23、24脚分别与测温电路中运算放大器U3的输出端、气体采样电路中运算放大器U4的输出端、R6和R7的公共端相连接；微控制器U7的1、2、9脚分别与485通信电路中数字隔离芯片U5的3、6、4脚；微控制器U7的39、40、41、42脚分别与电阻R19、电阻R5、电阻R18、电阻R16的一端相连接。
[0014]本实用新型用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路具有下述优点:本发明能够实现高精度的气体检测，并可用于多种气体的测量，其中加热电路和测温电路可实现气体检测温度的精确控制，使气体传感器能在相对稳定的温度下工作，消除温度波动的干扰；气体采样电路实现对多种气体的精确采样，可用于多种气体同时检测；485通信电路具备隔离功能，能直接与上位机进行通信，亦可组成485网络，实现大规模分布式应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为本实用新型实施例的总体框架结构示意图。
[0017]图2为本实用新型实施例中电源电路的电路原理结构示意图。
[0018]图3为本实用新型实施例中加热电路的电路原理结构示意图。
[0019]图4为本实用新型实施例中测温电路的电路原理结构示意图。
[0020]图5为本实用新型实施例中气体采样电路的电路原理结构示意图。
[0021]图6为本实用新型实施例中485通信电路的电路原理结构示意图。
[0022]图7为本实用新型实施例中微控制器电路的电路原理结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0024]如图1所示，本实施例用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路包括电源电路、加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路、微控制器电路，所述电源电路的输出端分别与加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路、微控制器电路相连接，所述微控制器电路分别与加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路相连接。
[0025]如图2所示，电源电路包括电源转换芯片Ul，9V电池Vin，二极管Dl，发光二极管LEDl，电阻 Rl ?R7,电容 Cin_l、Cin_2、Cout_l、C4、C5，按键 SI，PNP 三极管 Ql, TVS 管 Tl,电感Lout_l和隔离电源模块V2 ；9V电池Vin的正极通过按键SI与二极管Dl的阳极相连接，二极管Dl的阴极同时与电源转换芯片Ul的10、12、13脚以及电容Cin_l的一端相连接，电容Cin_l的另一端与9V电池Vin的负极以及电源转换芯片Ul的5、6、8、15、17脚相连接；电源转换芯片Ul的9脚通过电容Cin_2连接到9V电池Vin的负极，电源转换芯片Ul的I脚通过电感Lout_l与电源转换芯片Ul的7、14脚及电阻Rl的一端相连接，电阻Rl的另一端接电源转换芯片Ul的4脚；电源转换芯片Ul的14脚输出3.3V电压，通过电容Cout_l接9V电池Vin的负极，并通过电阻R2接发光二极管LEDl的阳极，发光二极管LEDl的阴极接9V电池Vin的负极；隔离电源模块V2的I脚接电源转换芯片Ul的14脚、2脚接9V电池Vin的负极，隔离电源模块V2的I脚和2脚两者之间通过电容C4相连接；隔离电源模块V2的3、4脚通过电容C5相连接，隔离电源模块V2的4脚输出5V电压；电源转换芯片Ul的10脚通过电阻R3与三极管Ql的发射极相连接；三极管Ql的发射极通过电阻R4接9V电池Vin的负极，三极管Ql的集电极与TVS管Tl的阴极及电阻R7的一端相连接，TVS管Tl的阳极接9V电池Vin的负极；电阻R7的另一端通过电阻R6后接9V电池Vin的负极；电阻R7、电阻R6的公共端与微控制器电路中微控制器U7的24脚相连接；三极管Ql的基极通过电阻R5与微控制器电路中微控制器U7的40脚相连接。本实施例中，电源转换芯片Ul采用TPS62132型电源转换芯片，隔离电源模块V2采用B0305S/D-1W型3.3V转5V隔离电源模块。电源电路为其他各电路工作提供电源，分别输出9V、3.3V及5V电压，其中微控制器U7通过电源电路中的电阻R6、R7实时采集电池电压V_test是否稳定，当电池电压V_test不稳定时可输出报警信号；微控制器U7通过加热电路中的电阻R16控制三极管Q2，从而控制加热电路是否工作，即当需要对气体进行采样时，才触发加热电路，进而减少不必要的功耗。
[0026]如图3所示，加热电路包括电阻R8?R16，NPN三极管Q2，PNP三极管Q3，稳压二极管D2、运算放大器U2，六路转换开关S2和微加热器Rh ;NPN三极管Q2的集电极通过电阻R8与电源电路中电源转换芯片Ul的10脚相连接；NPN三极管Q2的基极通过电阻R16与微控制器电路中微控制器U7的42脚相连接；NPN三极管Q2的发射极与电阻R9的一端及稳压二极管D2的阴极相连接，电阻R9的另一端通过电阻RlO与电阻Rll的一端相连接，电阻Rll的另一端通过电阻R12与电阻R13的一端相连接，电阻R13的另一端接电源电路中9V电池Vin的负极，稳压二极管D2的阳极通过电源电路中电阻R13也与9V电池Vin的负极相连接；NPN三极管Q2的发射极、电阻R9与电阻RlO的公共端、电阻RlO与电阻Rll的公共端、电阻Rll与电阻R12的公共端分别与六路转换开关S2中输入端的一脚相连接，六路转换开关S2的另一个输入脚接地，六路转换开关S2的公共输出脚与运算放大器U2的正向输入端相连接；运算放大器U2的负向输入端与电阻R14的一端及三极管Q3的发射极相连接，电阻R14的另一端与电源电路中电源转换芯片Ul的10脚相连接；PNP三极管Q3的基极通过电阻R15与运算放大器U2的输出端相连接，PNP三极管Q3的集电极通过微加热器Rh与电源电路中9V电池Vin的负极相连接。本实施例尚未加热电路具有不同的档位，从而针对不同的检测气体，可控制加热的速度，能对不同的检测气体选择不同的测量档位，从而实现对不同气体的精确检测；加热电路采用恒流控制，能准确控制加热的时间、热量，有效避免过度加热。运算放大器U2负向输入端所输出的电压与正向输入端的电压相等，而流过微加热器Rh的电流为电源电路中9V电池Vin与运算放大器U2负向输入端电压差除以电阻R14的值，因此要控制该加热器的发热速度，只需通过六路转换开关S2切换到不同的电阻档位，使运算放大器U2负向输入端的电压发生变化即可。
[0027]如图4所示，测温电路包括NPN三极管Q4，电阻R17、R18、Rb、Rc、Rd，热敏电阻Ra，运算放大器U3 ;NPN三极管Q4的集电极接电源电路中电源转换芯片Ul的10脚，NPN三极管Q4的基极通过电阻R18与微控制电路中微控制器U7的41脚相连接；NPN三极管Q4的发射极与电阻Rd的一端及热敏电阻Ra的一端相连接，电阻Rd的另一端通过电阻Re与电源电路中9V电池Vin的负极相连接，热敏电阻Ra的另一端通过电阻Rb也与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；电阻Rd与电阻Re的公共端与运算放大器U3的负向输入端相连接，并通过电阻R17与运算放大器U3的输出端相连接；热敏电阻Ra与电阻Rb的公共端与运算放大器U3的正向输入端相连接，运算放大器U3的输出端与微控制电路中微控制器U7的22脚相连接。本实施例通过测温电路实时监测气体采样温度，从而提高检测精度，并及时反馈加热电路，防止过度加热以及无效加热；热敏电阻的测量采用桥式测量方式，输出的测量电压由运算放大器进行放大后，输入到微控制器U7的内部AD进行采样，该电路用于测量气体的温度，可置于气体出气口，通过对温度的检测来判断测量效果以及加热电路的工作状态。本实施例中，热敏电阻Ra采用103NT-4-R025H34G高耐温系列的热敏电阻。与加热电阻相似，为了减少测温电路的功耗，本实施例亦采用微控制器U7控制NPN三极管Q4的方式进行控制，即通过控制NPN三极管Q4的开断来选择是否触发该电路。
[0028]如图5所示，气体采样电路包括电阻R19?R27，NPN三极管Q5，电容C6，三端稳压芯片D3，六路转换开关S3，运算放大器U4和半导体气体传感器电极RL ;NPN三极管Q5的集电极与电源电路中电源转换芯片Ul的10脚相连接，NPN三极管Q5的基极通过电阻R19与微控制电路中中微控制器U7的39脚相连接；NPN三极管Q5的发射极通过R20与电容C6的一端及三端稳压芯片D3的3脚相连接，电容C6的另一端与三端稳压芯片D3的2脚及电阻R22的一端相连接；电阻R22的另一端与三端稳压芯片D3的I脚及电阻R21的一端相连接，电阻R21的另一端与三端稳压芯片D3的3脚及半导体气体传感器电极RL的一端相连接；半导体气体传感器电极RL的另一端通过电阻R23与电阻R24相连接，电阻R24通过电阻R25与电阻R26相连接，电阻R26通过电阻R27与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；半导体气体传感器电极RL与电阻R23的公共端、电阻R23与电阻R24的公共端、电阻R24与电阻R25的公共端、电阻R25与电阻R26的公共端、电阻R26与电阻R27的公共端分别与加热电路中六路转换开关S3中输入端的一脚相连接，加热电路中六路转换开关S3的另一个输入脚接地，加热电路中六路转换开关S3的公共输出脚与运算放大器U4的正向输入端相连接；运算放大器U4的负向输入端与输出端相连接后，接至微控制电路中微控制器U7的23脚。本实施例中，三端稳压芯片D3采用TL431稳压芯片。采样电路的触发也采用微控制电路控制三极管的方式，当三极管Q5工作后，整个采样电路开始工作，为了提高采样精度，采用三端稳压芯片D3来控制采样输入电压。电阻串联网络组成了档位选择电路，配合不同的采样气体，以为不同的气体引起半导体气体传感器电极上电阻变化的范围不一样，因而需要不同的匹配电阻。采样电压通过运算放大器U4构成的电压跟随器输入到微控制的内部AD进行计算，本发明所选择的微控制器U7，其内部AD为16位，因而配合该采样电路，可实现高精度的采样。
[0029]如图6所示，485通信电路包括数字隔离芯片U5，485通信芯片U6，电阻R28?R35，双向二极管D4?D6、RS-485通信接口 J ;数字隔离芯片U5的I脚与电源电路中电源转换芯片Ul的14脚相连接，并通过电阻R28与数字隔离芯片U5的7脚相连接；数字隔离芯片U5的2脚、8脚相连后与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；数字隔离芯片U5的16脚与电源电路中电源转换芯片的14脚相连接，并通过电阻R29与数字隔离芯片U5的10脚相连接；数字隔离芯片U5的9脚和15脚相连接后与电源电路中隔离电源模块V2的3脚相连接；数字隔离芯片U5的3、4、6脚分别与中微控制器U7的1、9、2脚相连接；数字隔离芯片U5的11、13、14脚分别与485通信芯片U6的1、2、4脚相连接；U6的2脚和3脚相连接后通过R30与电源电路中隔离电源模块V2的3脚相连接；485通信芯片U6的8脚与电源电路中隔离电源模块V2的4脚相连接，并通过电阻R31与485通信芯片U6的7脚相连接，485通信芯片U6的7脚分别与双向二极管D4的一端、双向二极管D6的一端及电阻R32的一端相连接，双向二极管D4的另一端与电源电路中隔离电源模块V2的3脚、双向二极管D5的一端、电阻R35的一端及485通信芯片U6的5脚相连接；双向二极管D6的另一端与电阻R33的一端、双向二极管D5的另一端、电阻R35的另一端及485通信芯片U6的6脚相连接；电阻R33的另一端通过电阻R34与电阻R32的另一端相连接；电阻R34的两端分别与RS-485通信接口 J的两端相连接。本实施例具备隔离的RS485接口，既能与上位机直接通信，又可组成检测网络，实现特殊场合的环境气体分布式监测。本实施例中，数字隔离芯片U5采用ADUM1401型数字隔离芯片，485通信芯片U6采用MAX3485ESA型485通信芯片，双向二极管D4?D6采用P6KE6.8CA型双向二极管。为了保证电路与外界的可靠通信，采用隔离芯片U5将微控制器与外部485芯片进行数字隔离，起到保护电路的作用。双向二极管D4?D6用于保护485芯片U6不被线路上的过压所损坏，上拉电阻R31、下拉电阻R35确保U6处于空闲状态时，不会输出未定义状态。下拉电阻R30可确保微控制器U7上电时，U6处于接收状态，防止其输出随机数，破坏总线通信。
[0030]如图7所示，微控制器电路包括微控制器U7，电阻R36，晶振Yl，电容C7及C8 ;晶振Yl的I脚和3脚与电阻R36的两端相连接后，分别与微控制器U7的33脚、32脚相连接；晶振Yl的3脚通过电容C7与晶振Yl的2脚相连接，并接至电源电路中9V电池Vin的负极；晶振Yl的I脚通过电容C8与晶振Yl的I脚相连接，并接至电源电路中9V电池Vin的负极；微控制器U7的4、16、31、47脚分别与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；微控制器U7的3、13、30、48脚分别与电源电路包括电源转换芯片Ul的14脚输出端相连接；微控制器U7的22、23、24脚分别与测温电路中运算放大器U3的输出端、气体采样电路中运算放大器U4的输出端、R6和R7的公共端相连接；微控制器U7的1、2、9脚分别与485通信电路中数字隔离芯片U5的3、6、4脚;微控制器U7的39、40、41、42脚分别与电阻町9、电阻1?5、电阻R18、电阻R16的一端相连接。本实施例中，微控制器U7采用MKL25Z64VLK4。微控制器U7主要实现了对不同电路的控制和监测，微控制内部16为的AD，可使采集到的数据具有很高的精度和分辨率，为高精度的气体采样实现硬件基础。
[0031]本实施例在在应用于依次由电极、绝缘隔离层、微加热器叠加构成的半导体气体传感器时，加热电路使微加热器发热，微加热器通常为镍镉合金之类的金属，其电学模型等效于电阻；微加热器上面覆盖绝缘隔离层，其传输热量到电极，电极表面覆盖有气体检测膜，微工艺使气体检测膜与电极融为一体，因此该结构等效为可变电阻，其阻值随待测气体浓度的变化而变化，气体检测的原理即通过检测电极两端电阻的变化来检测气体浓度。
[0032]以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本实用新型原理的技术方案均属于本实用新型的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路，其特征在于:包括电源电路、加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路、微控制器电路，所述电源电路的输出端分别与加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路、微控制器电路相连接，所述微控制器电路分别与加热电路、测温电路、气体采样电路、485通信电路相连接。
2.根据权利要求1所述的用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路，其特征在于:所述电源电路包括电源转换芯片U1，9V电池Vin，二极管D1，发光二极管LED1，电阻R1 ?R7,电容 Cin_l、Cin_2、Cout_l、C4、C5，按键 S1,PNP 三极管 Q1,TVS 管 T1,电感 Lout_l和隔离电源模块V2 ；9V电池Vin的正极通过按键S1与二极管D1的阳极相连接，二极管D1的阴极同时与电源转换芯片U1的10、12、13脚以及电容Cin_l的一端相连接，电容Cin_l的另一端与9V电池Vin的负极以及电源转换芯片U1的5、6、8、15、17脚相连接；电源转换芯片U1的9脚通过电容Cin_2连接到9V电池Vin的负极，电源转换芯片U1的1脚通过电感Lout_l与电源转换芯片U1的7、14脚及电阻R1的一端相连接，电阻R1的另一端接电源转换芯片U1的4脚；电源转换芯片U1的14脚输出3.3V电压，通过电容Cout_l接9V电池Vin的负极，并通过电阻R2接发光二极管LED1的阳极，发光二极管LED1的阴极接9V电池Vin的负极；隔离电源模块V2的1脚接电源转换芯片U1的14脚、2脚接9V电池Vin的负极，隔离电源模块V2的1脚和2脚两者之间通过电容C4相连接；隔离电源模块V2的3、4脚通过电容C5相连接，隔离电源模块V2的4脚输出5V电压；电源转换芯片U1的10脚通过电阻R3与三极管Q1的发射极相连接；三极管Q1的发射极通过电阻R4接9V电池Vin的负极，三极管Q1的集电极与TVS管T1的阴极及电阻R7的一端相连接，TVS管T1的阳极接9V电池Vin的负极；电阻R7的另一端通过电阻R6后接9V电池Vin的负极；电阻R7、电阻R6的公共端与微控制器电路中微控制器U7的24脚相连接；三极管Q1的基极通过电阻R5与微控制器电路中微控制器U7的40脚相连接。
3.根据权利要求2所述的用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路，其特征在于:所述加热电路包括电阻R8?R16，NPN三极管Q2，PNP三极管Q3，稳压二极管D2、运算放大器U2，六路转换开关S2和微加热器Rh ;NPN三极管Q2的集电极通过电阻R8与电源电路中电源转换芯片U1的10脚相连接；NPN三极管Q2的基极通过电阻R16与微控制器电路中微控制器U7的42脚相连接；NPN三极管Q2的发射极与电阻R9的一端及稳压二极管D2的阴极相连接，电阻R9的另一端通过电阻R10与电阻R11的一端相连接，电阻R11的另一端通过电阻R12与电阻R13的一端相连接，电阻R13的另一端接电源电路中9V电池Vin的负极，稳压二极管D2的阳极通过电源电路中电阻R13也与9V电池Vin的负极相连接；NPN三极管Q2的发射极、电阻R9与电阻R10的公共端、电阻R10与电阻Rl 1的公共端、电阻Rl 1与电阻R12的公共端分别与六路转换开关S2中输入端的一脚相连接，六路转换开关S2的另一个输入脚接地，六路转换开关S2的公共输出脚与运算放大器U2的正向输入端相连接；运算放大器U2的负向输入端与电阻R14的一端及三极管Q3的发射极相连接，电阻R14的另一端与电源电路中电源转换芯片U1的10脚相连接；PNP三极管Q3的基极通过电阻R15与运算放大器U2的输出端相连接，PNP三极管Q3的集电极通过微加热器Rh与电源电路中9V电池Vin的负极相连接。
4.根据权利要求3所述的用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路，其特征在于:所述测温电路包括NPN三极管Q4，电阻R17、R18、Rb、Rc、Rd，热敏电阻Ra，运算放大器U3 ；NPN三极管Q4的集电极接电源电路中电源转换芯片U1的10脚，NPN三极管Q4的基极通过电阻R18与微控制电路中微控制器U7的41脚相连接；NPN三极管Q4的发射极与电阻Rd的一端及热敏电阻Ra的一端相连接，电阻Rd的另一端通过电阻Rc与电源电路中9V电池Vin的负极相连接，热敏电阻Ra的另一端通过电阻Rb也与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；电阻Rd与电阻Rc的公共端与运算放大器U3的负向输入端相连接，并通过电阻R17与运算放大器U3的输出端相连接；热敏电阻Ra与电阻Rb的公共端与运算放大器U3的正向输入端相连接，运算放大器U3的输出端与微控制电路中微控制器U7的22脚相连接。
5.根据权利要求4所述的用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路，其特征在于:所述气体采样电路包括电阻R19?R27，NPN三极管Q5，电容C6，三端稳压芯片D3，六路转换开关S3，运算放大器U4和半导体气体传感器电极RL ;NPN三极管Q5的集电极与电源电路中电源转换芯片U1的10脚相连接，NPN三极管Q5的基极通过电阻R19与微控制电路中中微控制器U7的39脚相连接；NPN三极管Q5的发射极通过R20与电容C6的一端及三端稳压芯片D3的3脚相连接，电容C6的另一端与三端稳压芯片D3的2脚及电阻R22的一端相连接；电阻R22的另一端与三端稳压芯片D3的1脚及电阻R21的一端相连接，电阻R21的另一端与三端稳压芯片D3的3脚及半导体气体传感器电极RL的一端相连接；半导体气体传感器电极RL的另一端通过电阻R23与电阻R24相连接，电阻R24通过电阻R25与电阻R26相连接，电阻R26通过电阻R27与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；半导体气体传感器电极RL与电阻R23的公共端、电阻R23与电阻R24的公共端、电阻R24与电阻R25的公共端、电阻R25与电阻R26的公共端、电阻R26与电阻R27的公共端分别与加热电路中六路转换开关S3中输入端的一脚相连接，加热电路中六路转换开关S3的另一个输入脚接地，加热电路中六路转换开关S3的公共输出脚与运算放大器U4的正向输入端相连接；运算放大器U4的负向输入端与输出端相连接后，接至微控制电路中微控制器U7的23脚。
6.根据权利要求5所述的用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路，其特征在于:所述485通信电路包括数字隔离芯片U5，485通信芯片U6，电阻R28?R35，双向二极管D4?D6、RS-485通信接口 J ;数字隔离芯片U5的1脚与电源电路中电源转换芯片U1的14脚相连接，并通过电阻R28与数字隔离芯片U5的7脚相连接；数字隔离芯片U5的2脚、8脚相连后与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；数字隔离芯片U5的16脚与电源电路中电源转换芯片的14脚相连接，并通过电阻R29与数字隔离芯片U5的10脚相连接；数字隔离芯片U5的9脚和15脚相连接后与电源电路中隔离电源模块V2的3脚相连接；数字隔离芯片U5的3、4、6脚分别与中微控制器U7的1、9、2脚相连接；数字隔离芯片U5的11、13、14脚分别与485通信芯片U6的1、2、4脚相连接；U6的2脚和3脚相连接后通过R30与电源电路中隔离电源模块V2的3脚相连接；485通信芯片U6的8脚与电源电路中隔离电源模块V2的4脚相连接，并通过电阻R31与485通信芯片U6的7脚相连接，485通信芯片U6的7脚分别与双向二极管D4的一端、双向二极管D6的一端及电阻R32的一端相连接，双向二极管D4的另一端与电源电路中隔离电源模块V2的3脚、双向二极管D5的一端、电阻R35的一端及485通信芯片U6的5脚相连接；双向二极管D6的另一端与电阻R33的一端、双向二极管D5的另一端、电阻R35的另一端及485通信芯片U6的6脚相连接；电阻R33的另一端通过电阻R34与电阻R32的另一端相连接；电阻R34的两端分别与RS-485通信接口J的两端相连接。
7.根据权利要求6所述的用于半导体气体传感器的高精度多种气体检测电路，其特征在于:所述的微控制器电路包括微控制器U7，电阻R36，晶振Y1，电容C7及C8 ;晶振Y1的1脚和3脚与电阻R36的两端相连接后，分别与微控制器U7的33脚、32脚相连接；晶振Y1的3脚通过电容C7与晶振Y1的2脚相连接，并接至电源电路中9V电池Vin的负极；晶振Y1的1脚通过电容C8与晶振Y1的1脚相连接，并接至电源电路中9V电池Vin的负极；微控制器U7的4、16、31、47脚分别与电源电路中9V电池Vin的负极相连接；微控制器U7的3、13、30、48脚分别与电源电路包括电源转换芯片U1的14脚输出端相连接；微控制器U7的22、23、24脚分别与测温电路中运算放大器U3的输出端、气体采样电路中运算放大器U4的输出端、R6和R7的公共端相连接；微控制器U7的1、2、9脚分别与485通信电路中数字隔离芯片U5的3、6、4脚；微控制器U7的39、40、41、42脚分别与电阻R19、电阻R5、电阻R18、电阻R16的一端相连接。
【文档编号】G01N27/12GK204188558SQ201420610131
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月21日 优先权日:2014年10月21日
【发明者】周玲, 李东风, 许小霞, 张晓婷, 刘卫, 姚冰, 郭玉坤 申请人:安徽芯核防务装备技术股份有限公司