1引言

气体检测系统表是工矿企业、社会公用事业、环境保护等领域必备的安全装备。经过几十年的发展，在可测气体种类、测量范围、精度、稳定性、寿命等主要技术指标方面均有明显提高，随着大规模集成电路技术的发展，仪表向微型化、多参数组合与智能化方向发展。新型甲烷气体检测系统应具有智能化的特点，能在一定其他气体干扰的情况下工作，可以采用电子鼻。气体检测仪是一种气体泄露浓度检测的仪器仪表工具，主要是指便携式/手持式气体检测仪。主要利用气体传感器来检测环境中存在的气体种类，气体传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器。一般认为，气体传感器的定义是以检测目标为分类基础的，也就是说，凡是用于检测气体成份和浓度的传感器都称作气体传感器，不管它是用物理方法，还是用化学方法。比如，检测气体流量的传感器不被看作气体传感器，但是热导式气体分析仪却属于重要的气体传感器，尽管它们有时使用大体一致的检测原理。

传统的基于金属氧化物气体传感器存在气体选择性不高、抗干扰性差的问题，采用单个传感器的检测系统在检测中如果有其它气体干扰，容易出现相似的响应而出现误判。本文所讨论基于单片机的高灵敏度甲烷检测系统是以微结构金属氧化物气体传感器阵列为敏感元件，结合模式识别技术进行甲烷气体检测的便携式系统。

2 检测系统基本结构

由细导管、微型抽气泵和小气室组成的气体进样部分，以单片机为核心的控制、信号采集处理电路以及显示、键盘、PC接口电路，还有在PC机上运行的用于人工神经网络训练的应用软件，如图1所示。检测系统进行气体检测的工作步骤是，单片机控制抽气泵将待检测的气体抽入气室，同时采集气体传感器阵列的响应信号，并进行转换，储存在数据存储器中，然后单片机从保存的数据中提取特征值，由识别网络进行气体识别，并将结果输出到LCD显示屏幕上。生命周期设计（Life Cycle Design）又称生态设计（Eco-Design）。它是从产品性能、环境保护、经济可行性的角度，考虑产品开发全生命周期（包括产品设计、原材料的提取、产品的制造、包装、销售和使用、用后的回收与处置全过程）的污染预防要求，多级使用资源与能源，以降低产品生产和消费过程对环境的影响，使其与地球的承载能力相一致。

甲烷检测仪，是一种可连续检测甲烷浓度或的本质安全型设备。它适用于防爆，甲烷泄漏抢险，地下管道或矿井等场所，能有效保证工作人员的生命安全不受侵害，生产设备不受损失。甲烷检测仪采用自然扩散方式检测气体，敏感元件采用精良的气体传感器，具有极好的灵敏度和出色的重复性；测试程序由人工智能微电脑控制，工作流程合理，简洁便利，功能齐全，具有多种自适应能力；使用超高亮LED数码管显示，直观清晰；小巧美观的便携设计不仅使您爱不释手更便于您移动使用。甲烷检测仪仪外壳采用高强度材料辅以防滑橡胶制成，强度高、手感好，并且防水、防尘、防爆。

图1 甲烷检测系统的组成原理图

低功耗传感器阵列的制备技术： 采用由MEMS工艺制造的微结构金属氧化物气体传感器阵列作为检测系统的气体敏感元件。微结构金属氧化物气体传感器阵列的特点在引言中有讨论。选用的阵列器件体积小，器件面积3 X 3 mm2，在同一膜片中集成了2X2个传感器单元，每个单元的工作功耗小于50mW，并用掩模溅射的方法在每个单元镀上相应的敏感薄膜，各单元膜电阻在一定的工作温度下能对特定气体浓度的变化产生程度不同的变化。

此外由于便携式系统采用电池供电，对设备各部分电路的功耗要求较严格，因而在电路中采用低工作电压、低功耗的元器件，并且优化设计了电源管理功能，保证在电池供电的情况下能工作较长时间。

3检测系统电路

3.1 Cygnal C805lF020单片机介绍

图2 甲烷检测系统电路框图

内置A/D电路的Cygnal C805lF020是采用8052内核的8位单片机1201，属于高速混合信号系统级芯片。它能很好的满足甲烷检测系统的设计要求，所以系统采用它作为处理控制核心。图2是检测系统电路的组成原理框图。

3.2电路设计

3.2.1 信号采集、控制电路

首先阵列各单元的工作温度需要由加热电压进行调节，以保证在较好的响应特性。C8051F020的一路12位D/A通过模拟开关4052选通循环输出传感器阵列各单元所需的加热电压，并直接通过高电流输出运放芯片MAX4069驱动输出到各单元，减少了功率输出电路。在传感器阵列各单元加热到工作温度并稳定后，由单片机通过气泵控制电路控制微型气泵抽入待检测的气体。

IDT71V124SA是低功耗3.3V工作电压静态CMOS随机存储器芯片，能保存128K字节的数据。它作为单片机的扩展数据单元，大大弥补了单片机RAM空间的不足。但是该器件在进行读写操作时需要100mA的电流，而在非片选状态仅为l0mA。

3.2.2 输入输出接口电路

其次，良好的显示、操作界面是便携系统所必需的。本系统中采用具有122X 32分辨率的图形点阵液晶模块HS12232作为显示屏幕，显示提示和处理结果。显示界面设计成多层选择菜单的模式，主菜单中有甲烷检测、传感器工作电压设置，采样数据上传和识别网络更新等选项，通过键盘输入进行菜单选择的方式进行各种操作。

根据检测系统的设计要求，方便灵活地与计算机通信也是很重要的。目前USB标准已经得到了普及，因此选择采用USB通讯方式。USB是一种通用串行总线，具有使用可靠、即插即用和成本低廉的特点。检测系统电路中使用的USB接口芯片是支持USB1.1协议的Philips公司的PDUSBDI2芯片。单片机通过并行I/O口向PDIUSBD 12发命令和数据以实现对USB接口读写，采用的是中断方式非同步传输。图3是PDIUSBDI2与单片机的接口图。

图3 PDUSBDI2的接口电路原理图

3.2.3 系统电源管理电路

最后还需考虑电源的选择。作为便携式系统，甲烷检测系统的电源供电方式是电池供电，供电电压约在5V。而电路中的有的器件工作在较低的电压下，如单片机、SRAM和USB芯片等是3.3V的工作电压，这就需要在电路中设计5V-3.3V的电压转换电路。通过对比，采用DC-DC器件LM2S74进行电压转换（图4），将5V供电电压转换为3.3V，即可以满足低电压器件的工作要求，减少了额外的功耗，而且通过设计合理的滤波电路，还获得了较好的稳压线性输出。在降低功耗方面，在系统设计中均选用了CMOS器件、低功率表贴元器件，不仅使得系统体积较小，而且电路功耗也得到降低。

图4 电源电压转换电路

4 检测系统电路调试

在确定了系统电路硬件总体和各部分的设计方案后，制作了实验电路板，对电路进行了初步的调试。电源是采用4节镍氢充电电池串连，经过调试，每路加热电压驱动电路可以输出最高4.5V的电压，在对传感器进行加热的情况下，同时进行数据的采集保存，总电流可以控制在250mA以内，其中单片机电路部分约120mA，传感器阵列加热电流不高于80mA，抽气泵工作电路低于50mA，满足了设计中的低功耗目标。

5 甲烷检测系统软件设计

检测系统电路调试通过后，需要结合识别软件才能进行气体的检测。本文主要在软件设计方面进行研究，提出了适合单片机系统的网络识别算法，在单片机软件和PC机软件两个方面进行了网络构建、网络训练等的讨论，同时对系统的其它功能程序也做了说明。

由于C8051系列单片机具有完整的8052内核，与MCS-51指令完全兼容，可采用标准的805x编译器进行软件开发。在本检测系统的单片机软件设计中，采用了Cygnal C51IDE的开发环境，通过电路中预留的JTAG接口调试程序，依据检测系统的不同功能的需要，采用模块化的设计，将程序分成几个主要的功能模块，图5是单片机程序的模块图。

图5 检测系统单片机程序模块图

从图5中可以看到，单片机的主程序在经过系统初始化后进入主菜单界面，将等待键盘的输入操作。当检测到有按键输入时，读出键值并判断出需要进行的操作，而后调用相应的子程序模块。

本文作者创新点

本文设计的基于单片机的低功耗高灵敏度甲烷检测系统采用集成的微型传感器阵列提取阵列单元交叉响应信号。通过具有不同响应特性的传感器组成的阵列提取的气体响应特征，可以迅速可靠地检测甲烷气体，可以在许多复杂场合大大改善检测系统的分辨能力。