基于氢气传感器的自适应氢气浓度检测电路的制作方法

本实用新型涉及氢气浓度检测技术领域，具体涉及一种基于氢气传感器的自适应氢气浓度检测电路。

背景技术：

氢气是一种重要的工业原料，广泛应用于石油化工、冶金工业、航空航天、电力、有机化合物合成等领域。同时，氢气还是清洁的二次能源，在混合动力汽车，医疗上也得到相应应用，越来越受到人们的重视。但是，氢气是一种无色、无味的气体，密度极小，化学性质活泼，极易燃烧甚至发生爆炸。近年来报道的爆炸事件有不少是由氢气泄露引起的，所以，准确检测工作环境的氢气浓度显得越发重要。

目前常用的气体传感器按检测原理大概分为以下几种：金属氧化物半导体式，催化燃烧式，定电位电解式，PID光离子化式，伽伐尼电池式，红外式等。其中，金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，通过电流变化的比较，激发报警电路。由于半导体式传感器反应非常灵敏，价格低廉，因此广泛应用的领域为测量气体的微漏现象，但半导体式传感器测量时受环境影响较大，常有纹波、杂波干扰，输出线形不稳定。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有较高识别精度、降低传感器受环境影响的自适应氢气浓度检测电路。

为实现以上目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于氢气传感器的自适应氢气浓度检测电路，包括惠斯通电桥模块、分段线性放大模块、模数转换模块、电压信号校准模块、单片机和电源模块，其中，所述电源模块为所述惠斯通电桥模块、分段线性放大模块和模数转换模块供电；

所述分段线性放大模块包括仪表放大器和模拟开关单元，所述仪表放大器共有8个引脚，其中3号引脚仪表放大器正向输入端和2号引脚仪表放大器反向输入端分别与所述惠斯通电桥模块的两个输出端连接，所述仪表放大器的6号引脚与所述模数转换模块的输入端连接，所述模数转换模块将所述仪表放大器输出的模拟信号转换成数字信号；

所述电压信号校准模块由双电压比较器组成，所述双电压比较器的型号为LM393，所述双电压比较器的反向输入端和正向输入端分别与所述仪表放大器的输出端和参考电压输入端连接；所述单片机的输出端与所述惠斯通电桥模块连接，所述单片机的输出端向所述惠斯通电桥模块下发控制信息，完成对所述惠斯通电桥模块的控制。

优选地，所述惠斯通电桥模块包括四个臂，其中，电桥左上臂由氢气传感器MQ-8和高精度电阻R4串联构成，电桥右上臂由数字电位器CAT5113和高精度电阻R3串联构成，其余的两条电桥臂分别单独由高精度电阻R9、R10构成，桥式电路的输出端分别与可编程线性放大电路的输入正负极相连。

优选地，所述氢气传感器MQ-8的阻值在15k至25k之间，所述氢气传感器MQ-8内部的气敏电阻能够根据被测环境中的氢气浓度变化而变化，并转换成电信号传入所述惠斯通电桥模块中。

优选地，所述数字电位器CAT5113有8个引脚，其中，6号引脚与所述仪表放大器的反向输入端相连，5号引脚通过电阻R3与所述惠斯通电桥模块的右下臂连接，4号引脚接地，3号引脚通过电阻R1与正5v直流电压相连，1号引脚、2号引脚和7号引脚是输入控制管脚，2号引脚与所述电压信号校准模块的输出端口相连，1号引脚和7号引脚与所述单片机相连，由单片机下发控制命令，实现对所述电位器CAT5113的可编程数字控制。

优选地，所述模拟开关单元包括一型号为CD4051的开关芯片，所述开关芯片共有16个引脚，其中，包括有八路输入通道，一路公共输出通道，三个二进制控制输入端。

优选地，所述仪表放大器2号引脚与所述惠斯通电桥的左上臂输出端相连，3号引脚与惠斯通电桥右上臂输出端连接，构成差分放大电路；所述仪表放大器的2号引脚和6号引脚通过电阻R2相连，所述3号引脚与惠斯通电桥右上臂输出端相连，并通过电容C4接地，构成低通滤波电路；1号引脚分别通过电阻R6、R7、R8与所述模拟开关芯片的1号引脚、4号引脚、2号引脚相连，所述仪表放大器的8号引脚与所述模拟开关芯片的3号引脚连接。所述仪表放大器的放大增益(G)公式为：G＝49.4kΩ/R_G+1。期中R_G为仪表放大器的外接电阻，阻值R_G不同，放大增益会随着改变；所述模拟开关芯片的三个二进制控制输入端分别与所述单片机相连，所述模拟开关单元是一个8选1的开关，即所述单片机通过控制所述模拟开关单元来选择电阻R6、R7、R8中的一个作为所述仪表放大器的外接电阻，实现放大功能。

优选地，所述模数转换模块由一个模数转换器和两个保护电阻组成，所述模数转换器是一个8位4通道的基于I2C总线的模数转换器，所述模数转换器的时钟引脚和数据引脚分别通过电阻R11、R12与所述单片机连接，并通过I2C总线来控制数据传输。所述模数转换模块将仪表放大器出来的模拟信号经模数转换后变成数字信号，并传送到给所述单片机。

优选地，所述电源模块为所述惠斯通电桥模块、分段线性放大模块和模数转换模块提供正负电压，所述电源模块包括电源极性转换器和多个电容，所述电源极性转换器共有8个引脚，1号、6号和7号引脚均置空，2号引脚与电容C1的正极相连，4号引脚与电容C1的负极相连，3号引脚接地，5号引脚与电容C3的正极相连，8号引脚与正电压相连，并通过电容C2接地。

优选地，所述仪表放大器的型号是AD620，所述自适应氢气浓度检测电路中所有的电阻精度均相同。

本实用新型采用以上技术方案，所述基于氢气传感器的自适应氢气浓度检测电路包括惠斯通电桥模块、分段线性放大模块和单片机，其中，所述氢气传感器MQ-8能够感知被测环境中的氢气浓度变化，并转换成电信号传入所述惠斯通电桥模块中，所述分段线性放大模块包括高精度仪表放大器AD620和模拟开关单元，所述模拟开关单元在单片机的控制下，实现对所述仪表放大器外接电阻的选择，从而实现对所述惠斯通电桥模块输出电压的放大，并且当输出电压跨度较大时，能够保证小信号不会被其他工频信号干扰；所述惠斯通电桥模块的电桥右上臂由数字电位器CAT5113和高精度电阻R3串联构成，数字电位器2号引脚与所述电压信号校准模块的输出端口相连，1号引脚和7号引脚与所述单片机相连，由单片机下发控制命令，可精确控制电位器输入电阻；本实用新型原理简单，易实现，实用灵活方便，克服了普通机械电位计无法精确控制输入电阻，以及对氢气传感器输出不同电压信号难以单向放大的缺点，具有较高使用价值。

附图说明

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。

图1是本实用新型自适应氢气浓度检测电路的结构示意图；

图2是本实用新型自适应氢气浓度检测电路的电路原理图。

图中：1、惠斯通电桥模块；2、分段线性放大模块；3、模数转换模块；4、电压信号校准模块；5、单片机；6、电源模块；7、仪表放大器；8、模拟开关单元；9、数字电位器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

如图1所示，一种基于氢气传感器的自适应氢气浓度检测电路，包括惠斯通电桥模块1、分段线性放大模块2、模数转换模块3、电压信号校准模块4、单片机5和电源模块6，其中，所述电源模块6为所述惠斯通电桥模块1、分段线性放大模块2和模数转换模块3供电；

所述分段线性放大模块2包括仪表放大器7和模拟开关单元8，所述仪表放大器7共有8个引脚，其中3号引脚仪表放大器7正向输入端和2号引脚仪表放大器7反向输入端分别与所述惠斯通电桥模块1的两个输出端连接，所述仪表放大器7的6号引脚与所述模数转换模块3的输入端连接，所述模数转换模块3将所述仪表放大器7输出的模拟信号转换成数字信号；

所述电压信号校准模块4由双电压比较器组成，所述双电压比较器的型号为LM393，所述双电压比较器的反向输入端和正向输入端分别与所述仪表放大器7的输出端和参考电压输入端连接；所述单片机5的输出端与所述惠斯通电桥模块1连接，所述单片机5的输出端向所述惠斯通电桥模块1下发控制信息，完成对所述惠斯通电桥模块1的控制。

如图2所述，本实施例中，所述惠斯通电桥模块1包括四个臂，其中，电桥左上臂由氢气传感器MQ-8和高精度电阻R4串联构成，电桥右上臂由数字电位器9(CAT5113)和高精度电阻R3(120kΩ)串联构成，其余的两条电桥臂分别单独由高精度电阻R9、R10构成。桥式电路的输出端分别与可编程线性放大电路的输入正负极相连。

需要说明的是，本实施例中所述氢气传感器MQ-8的阻值在15kΩ至25kΩ之间，桥式电路的输出电压在0.05v-5v范围内变化，所述氢气传感器MQ-8内部的气敏电阻能够根据被测环境中的氢气浓度变化而变化，并转换成电信号传入所述惠斯通电桥模块1中。

进一步地，所述数字电位器9有8个引脚，其中，6号引脚与所述仪表放大器7的反向输入端相连，5号引脚通过电阻R3(120kΩ)与所述惠斯通电桥模块1的右下臂连接，4号引脚接地，3号引脚通过电阻R1与正5v直流电压相连，1号引脚、2号引脚和7号引脚是输入控制管脚，2号引脚与所述电压信号校准模块4的输出端口相连，实现对数字电位器9的递增或递减控制，1号引脚和7号引脚与所述单片机5相连，由单片机5下发控制命令，实现对所述数字电位器9的输入电阻可编程数字控制。

具体地，所述数字电位器9的1号、2号和7号引脚分别为增量控制端递增/递减控制端和片选端通过这三个端口来控制滑片点，片选端和增量控制端当和置为高电平时，脚上电平的负跳变将使滑动片向RH端(3号引脚)移动一个增量，当和置为低电平时，脚上电平的负跳变将使滑动片向RL端(6号引脚)移动一个增量。

需要补充说明的是，所述自适应氢气浓度检测电路中所有的电阻精度均相同，其中，所述电阻R9和R10的阻值均为130kΩ。

优选地，所述模拟开关单元8包括一型号为CD4051的开关芯片，所述开关芯片共有16个引脚，其中，引脚1、2、4、5、12-15是八路输入通道，引脚3是公共输出通道，引脚9-11是3个二进制控制输入端，引脚6和引脚8均接地，引脚16和引脚7分别与正负电压连接。

具体地，所述仪表放大器7的2号引脚与所述惠斯通电桥1的左上臂输出端相连，3号引脚与惠斯通电桥1右上臂输出端连接，构成差分放大电路；所述3号引脚与惠斯通电桥1右上臂输出端相连，并通过电容C4接地，构成低通滤波电路；由于氢气传感器MQ-8的输出电压经惠斯通电桥1后的输出电压信号较小，可能会存在一些纹波等杂波的干扰，必须将纹波控制在一定范围内，由于电源部分已有滤波功能，所以此处采用一般电容C4和电阻R2完成滤波功能，达到抑制纹波干扰；1号引脚分别通过电阻R6(5.1kΩ)、R7(100kΩ)、R8(16kΩ)与所述开关芯片的1号引脚、4号引脚、2号引脚相连，所述仪表放大器7的8号引脚与开关芯片的3号引脚连接。所述仪表放大器7的放大增益(G)公式为：G＝49.4kΩ/R_G+1。期中R_G为仪表放大器7的外接电阻，阻值R_G不同，放大增益会随着改变；引脚6接低电平，所述开关芯片的三个二进制控制输入端分别与所述单片机5相连，所述模拟开关单元8是一个8选1的开关，即所述单片机5通过控制所述模拟开关单元8来选择电阻R6、R7、R8中的一个作为所述仪表放大器7的外接电阻，实现放大功能。

本实用新型采用仪表放大器7，目的是将氢气传感器MQ-8输出的电压信号，经惠斯通电桥模块1、低通滤波电路后输出的电压信号放大。由于输出的电压信号范围在0.04v-5v之间，跨度较大，当输出信号较小时，易受到其他工频信号干扰，而所述模拟开关单元8能够在所述单片机5的控制下，根据电压的大小来实现分段线性放大，降低了其他工频信号对较小信号的干扰。

可以理解的是，所述模数转换模块3由一个模数转换器和两个保护电阻组成，所述模数转换器是一个8位4通道的基于I2C总线的模数转换器，所述模数转换器的时钟引脚和数据引脚分别通过电阻R11(10kΩ)、R12(10kΩ)与所述单片机5连接，并通过I2C总线来控制数据传输。所述模数转换模块3将仪表放大器7出来的模拟信号经模数转换后变成数字信号，并传送到给所述单片机5。

需要进一步说明的是，所述电源模块6为所述惠斯通电桥模块1、分段线性放大模块2和模数转换模块3提供正负电压，所述电源模块6包括电源极性转换器和多个电容，所述电源极性转换器共有8个引脚，1号、6号和7号引脚均置空，2号引脚与电容C1(10uF)的正极相连，4号引脚与电容C1的负极相连，3号引脚接地，5号引脚与电容C3(10uF)的正极相连，8号引脚与正电压相连，并通过电容C2(10uF)接地。

优选地，所述仪表放大器7的型号是AD620，具有高精度、低失调电压、低漂移特性。

综上，本实用新型提供的自适应氢气浓度检测电路，能够实现对所述惠斯通电桥模块1输出电压的放大，并且当输出电压跨度较大时，能够保证小信号不会被其他工频信号干扰；所述惠斯通电桥模块1的电桥右上臂由数字电位器9和高精度电阻R3串联构成，数字电位器9的2号引脚与所述电压信号校准模块4的输出端口相连，1号引脚和7号引脚与所述单片机5相连，由单片机5下发控制命令，可精确控制电位器输入电阻；本实用新型原理简单，易实现，实用灵活方便，克服了普通机械电位计无法精确控制输入电阻，以及对氢气传感器输出不同电压信号难以单向放大的缺点，具有较高使用价值。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。