本實(shí)用新型涉及氫氣濃度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于氫氣傳感器的自適應(yīng)氫氣濃度檢測(cè)電路。

背景技術(shù)：

氫氣是一種重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金工業(yè)、航空航天、電力、有機(jī)化合物合成等領(lǐng)域。同時(shí)，氫氣還是清潔的二次能源，在混合動(dòng)力汽車，醫(yī)療上也得到相應(yīng)應(yīng)用，越來(lái)越受到人們的重視。但是，氫氣是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體，密度極小，化學(xué)性質(zhì)活潑，極易燃燒甚至發(fā)生爆炸。近年來(lái)報(bào)道的爆炸事件有不少是由氫氣泄露引起的，所以，準(zhǔn)確檢測(cè)工作環(huán)境的氫氣濃度顯得越發(fā)重要。

目前常用的氣體傳感器按檢測(cè)原理大概分為以下幾種：金屬氧化物半導(dǎo)體式，催化燃燒式，定電位電解式，PID光離子化式，伽伐尼電池式，紅外式等。其中，金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器利用被測(cè)氣體的吸附作用，改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通過(guò)電流變化的比較，激發(fā)報(bào)警電路。由于半導(dǎo)體式傳感器反應(yīng)非常靈敏，價(jià)格低廉，因此廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域?yàn)闇y(cè)量氣體的微漏現(xiàn)象，但半導(dǎo)體式傳感器測(cè)量時(shí)受環(huán)境影響較大，常有紋波、雜波干擾，輸出線形不穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有較高識(shí)別精度、降低傳感器受環(huán)境影響的自適應(yīng)氫氣濃度檢測(cè)電路。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：一種基于氫氣傳感器的自適應(yīng)氫氣濃度檢測(cè)電路，包括惠斯通電橋模塊、分段線性放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、電壓信號(hào)校準(zhǔn)模塊、單片機(jī)和電源模塊，其中，所述電源模塊為所述惠斯通電橋模塊、分段線性放大模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊供電；

所述分段線性放大模塊包括儀表放大器和模擬開(kāi)關(guān)單元，所述儀表放大器共有8個(gè)引腳，其中3號(hào)引腳儀表放大器正向輸入端和2號(hào)引腳儀表放大器反向輸入端分別與所述惠斯通電橋模塊的兩個(gè)輸出端連接，所述儀表放大器的6號(hào)引腳與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將所述儀表放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；

所述電壓信號(hào)校準(zhǔn)模塊由雙電壓比較器組成，所述雙電壓比較器的型號(hào)為L(zhǎng)M393，所述雙電壓比較器的反向輸入端和正向輸入端分別與所述儀表放大器的輸出端和參考電壓輸入端連接；所述單片機(jī)的輸出端與所述惠斯通電橋模塊連接，所述單片機(jī)的輸出端向所述惠斯通電橋模塊下發(fā)控制信息，完成對(duì)所述惠斯通電橋模塊的控制。

優(yōu)選地，所述惠斯通電橋模塊包括四個(gè)臂，其中，電橋左上臂由氫氣傳感器MQ-8和高精度電阻R4串聯(lián)構(gòu)成，電橋右上臂由數(shù)字電位器CAT5113和高精度電阻R3串聯(lián)構(gòu)成，其余的兩條電橋臂分別單獨(dú)由高精度電阻R9、R10構(gòu)成，橋式電路的輸出端分別與可編程線性放大電路的輸入正負(fù)極相連。

優(yōu)選地，所述氫氣傳感器MQ-8的阻值在15k至25k之間，所述氫氣傳感器MQ-8內(nèi)部的氣敏電阻能夠根據(jù)被測(cè)環(huán)境中的氫氣濃度變化而變化，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳入所述惠斯通電橋模塊中。

優(yōu)選地，所述數(shù)字電位器CAT5113有8個(gè)引腳，其中，6號(hào)引腳與所述儀表放大器的反向輸入端相連，5號(hào)引腳通過(guò)電阻R3與所述惠斯通電橋模塊的右下臂連接，4號(hào)引腳接地，3號(hào)引腳通過(guò)電阻R1與正5v直流電壓相連，1號(hào)引腳、2號(hào)引腳和7號(hào)引腳是輸入控制管腳，2號(hào)引腳與所述電壓信號(hào)校準(zhǔn)模塊的輸出端口相連，1號(hào)引腳和7號(hào)引腳與所述單片機(jī)相連，由單片機(jī)下發(fā)控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述電位器CAT5113的可編程數(shù)字控制。

優(yōu)選地，所述模擬開(kāi)關(guān)單元包括一型號(hào)為CD4051的開(kāi)關(guān)芯片，所述開(kāi)關(guān)芯片共有16個(gè)引腳，其中，包括有八路輸入通道，一路公共輸出通道，三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端。

優(yōu)選地，所述儀表放大器2號(hào)引腳與所述惠斯通電橋的左上臂輸出端相連，3號(hào)引腳與惠斯通電橋右上臂輸出端連接，構(gòu)成差分放大電路；所述儀表放大器的2號(hào)引腳和6號(hào)引腳通過(guò)電阻R2相連，所述3號(hào)引腳與惠斯通電橋右上臂輸出端相連，并通過(guò)電容C4接地，構(gòu)成低通濾波電路；1號(hào)引腳分別通過(guò)電阻R6、R7、R8與所述模擬開(kāi)關(guān)芯片的1號(hào)引腳、4號(hào)引腳、2號(hào)引腳相連，所述儀表放大器的8號(hào)引腳與所述模擬開(kāi)關(guān)芯片的3號(hào)引腳連接。所述儀表放大器的放大增益(G)公式為：G＝49.4kΩ/R_G+1。期中R_G為儀表放大器的外接電阻，阻值R_G不同，放大增益會(huì)隨著改變；所述模擬開(kāi)關(guān)芯片的三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端分別與所述單片機(jī)相連，所述模擬開(kāi)關(guān)單元是一個(gè)8選1的開(kāi)關(guān)，即所述單片機(jī)通過(guò)控制所述模擬開(kāi)關(guān)單元來(lái)選擇電阻R6、R7、R8中的一個(gè)作為所述儀表放大器的外接電阻，實(shí)現(xiàn)放大功能。

優(yōu)選地，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)保護(hù)電阻組成，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一個(gè)8位4通道的基于I2C總線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳分別通過(guò)電阻R11、R12與所述單片機(jī)連接，并通過(guò)I2C總線來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將儀表放大器出來(lái)的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號(hào)，并傳送到給所述單片機(jī)。

優(yōu)選地，所述電源模塊為所述惠斯通電橋模塊、分段線性放大模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供正負(fù)電壓，所述電源模塊包括電源極性轉(zhuǎn)換器和多個(gè)電容，所述電源極性轉(zhuǎn)換器共有8個(gè)引腳，1號(hào)、6號(hào)和7號(hào)引腳均置空，2號(hào)引腳與電容C1的正極相連，4號(hào)引腳與電容C1的負(fù)極相連，3號(hào)引腳接地，5號(hào)引腳與電容C3的正極相連，8號(hào)引腳與正電壓相連，并通過(guò)電容C2接地。

優(yōu)選地，所述儀表放大器的型號(hào)是AD620，所述自適應(yīng)氫氣濃度檢測(cè)電路中所有的電阻精度均相同。

本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案，所述基于氫氣傳感器的自適應(yīng)氫氣濃度檢測(cè)電路包括惠斯通電橋模塊、分段線性放大模塊和單片機(jī)，其中，所述氫氣傳感器MQ-8能夠感知被測(cè)環(huán)境中的氫氣濃度變化，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳入所述惠斯通電橋模塊中，所述分段線性放大模塊包括高精度儀表放大器AD620和模擬開(kāi)關(guān)單元，所述模擬開(kāi)關(guān)單元在單片機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述儀表放大器外接電阻的選擇，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所述惠斯通電橋模塊輸出電壓的放大，并且當(dāng)輸出電壓跨度較大時(shí)，能夠保證小信號(hào)不會(huì)被其他工頻信號(hào)干擾；所述惠斯通電橋模塊的電橋右上臂由數(shù)字電位器CAT5113和高精度電阻R3串聯(lián)構(gòu)成，數(shù)字電位器2號(hào)引腳與所述電壓信號(hào)校準(zhǔn)模塊的輸出端口相連，1號(hào)引腳和7號(hào)引腳與所述單片機(jī)相連，由單片機(jī)下發(fā)控制命令，可精確控制電位器輸入電阻；本實(shí)用新型原理簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，實(shí)用靈活方便，克服了普通機(jī)械電位計(jì)無(wú)法精確控制輸入電阻，以及對(duì)氫氣傳感器輸出不同電壓信號(hào)難以單向放大的缺點(diǎn)，具有較高使用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)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(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)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(lái)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。

圖1是本實(shí)用新型自適應(yīng)氫氣濃度檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型自適應(yīng)氫氣濃度檢測(cè)電路的電路原理圖。

圖中：1、惠斯通電橋模塊；2、分段線性放大模塊；3、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；4、電壓信號(hào)校準(zhǔn)模塊；5、單片機(jī)；6、電源模塊；7、儀表放大器；8、模擬開(kāi)關(guān)單元；9、數(shù)字電位器。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所得到的所有其它實(shí)施方式，都屬于本實(shí)用新型所保護(hù)的范圍。

如圖1所示，一種基于氫氣傳感器的自適應(yīng)氫氣濃度檢測(cè)電路，包括惠斯通電橋模塊1、分段線性放大模塊2、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3、電壓信號(hào)校準(zhǔn)模塊4、單片機(jī)5和電源模塊6，其中，所述電源模塊6為所述惠斯通電橋模塊1、分段線性放大模塊2和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3供電；

所述分段線性放大模塊2包括儀表放大器7和模擬開(kāi)關(guān)單元8，所述儀表放大器7共有8個(gè)引腳，其中3號(hào)引腳儀表放大器7正向輸入端和2號(hào)引腳儀表放大器7反向輸入端分別與所述惠斯通電橋模塊1的兩個(gè)輸出端連接，所述儀表放大器7的6號(hào)引腳與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3的輸入端連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3將所述儀表放大器7輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；

所述電壓信號(hào)校準(zhǔn)模塊4由雙電壓比較器組成，所述雙電壓比較器的型號(hào)為L(zhǎng)M393，所述雙電壓比較器的反向輸入端和正向輸入端分別與所述儀表放大器7的輸出端和參考電壓輸入端連接；所述單片機(jī)5的輸出端與所述惠斯通電橋模塊1連接，所述單片機(jī)5的輸出端向所述惠斯通電橋模塊1下發(fā)控制信息，完成對(duì)所述惠斯通電橋模塊1的控制。

如圖2所述，本實(shí)施例中，所述惠斯通電橋模塊1包括四個(gè)臂，其中，電橋左上臂由氫氣傳感器MQ-8和高精度電阻R4串聯(lián)構(gòu)成，電橋右上臂由數(shù)字電位器9(CAT5113)和高精度電阻R3(120kΩ)串聯(lián)構(gòu)成，其余的兩條電橋臂分別單獨(dú)由高精度電阻R9、R10構(gòu)成。橋式電路的輸出端分別與可編程線性放大電路的輸入正負(fù)極相連。

需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所述氫氣傳感器MQ-8的阻值在15kΩ至25kΩ之間，橋式電路的輸出電壓在0.05v-5v范圍內(nèi)變化，所述氫氣傳感器MQ-8內(nèi)部的氣敏電阻能夠根據(jù)被測(cè)環(huán)境中的氫氣濃度變化而變化，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳入所述惠斯通電橋模塊1中。

進(jìn)一步地，所述數(shù)字電位器9有8個(gè)引腳，其中，6號(hào)引腳與所述儀表放大器7的反向輸入端相連，5號(hào)引腳通過(guò)電阻R3(120kΩ)與所述惠斯通電橋模塊1的右下臂連接，4號(hào)引腳接地，3號(hào)引腳通過(guò)電阻R1與正5v直流電壓相連，1號(hào)引腳、2號(hào)引腳和7號(hào)引腳是輸入控制管腳，2號(hào)引腳與所述電壓信號(hào)校準(zhǔn)模塊4的輸出端口相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字電位器9的遞增或遞減控制，1號(hào)引腳和7號(hào)引腳與所述單片機(jī)5相連，由單片機(jī)5下發(fā)控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述數(shù)字電位器9的輸入電阻可編程數(shù)字控制。

具體地，所述數(shù)字電位器9的1號(hào)、2號(hào)和7號(hào)引腳分別為增量控制端遞增/遞減控制端和片選端通過(guò)這三個(gè)端口來(lái)控制滑片點(diǎn)，片選端和增量控制端當(dāng)和置為高電平時(shí)，腳上電平的負(fù)跳變將使滑動(dòng)片向RH端(3號(hào)引腳)移動(dòng)一個(gè)增量，當(dāng)和置為低電平時(shí)，腳上電平的負(fù)跳變將使滑動(dòng)片向RL端(6號(hào)引腳)移動(dòng)一個(gè)增量。

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，所述自適應(yīng)氫氣濃度檢測(cè)電路中所有的電阻精度均相同，其中，所述電阻R9和R10的阻值均為130kΩ。

優(yōu)選地，所述模擬開(kāi)關(guān)單元8包括一型號(hào)為CD4051的開(kāi)關(guān)芯片，所述開(kāi)關(guān)芯片共有16個(gè)引腳，其中，引腳1、2、4、5、12-15是八路輸入通道，引腳3是公共輸出通道，引腳9-11是3個(gè)二進(jìn)制控制輸入端，引腳6和引腳8均接地，引腳16和引腳7分別與正負(fù)電壓連接。

具體地，所述儀表放大器7的2號(hào)引腳與所述惠斯通電橋1的左上臂輸出端相連，3號(hào)引腳與惠斯通電橋1右上臂輸出端連接，構(gòu)成差分放大電路；所述3號(hào)引腳與惠斯通電橋1右上臂輸出端相連，并通過(guò)電容C4接地，構(gòu)成低通濾波電路；由于氫氣傳感器MQ-8的輸出電壓經(jīng)惠斯通電橋1后的輸出電壓信號(hào)較小，可能會(huì)存在一些紋波等雜波的干擾，必須將紋波控制在一定范圍內(nèi)，由于電源部分已有濾波功能，所以此處采用一般電容C4和電阻R2完成濾波功能，達(dá)到抑制紋波干擾；1號(hào)引腳分別通過(guò)電阻R6(5.1kΩ)、R7(100kΩ)、R8(16kΩ)與所述開(kāi)關(guān)芯片的1號(hào)引腳、4號(hào)引腳、2號(hào)引腳相連，所述儀表放大器7的8號(hào)引腳與開(kāi)關(guān)芯片的3號(hào)引腳連接。所述儀表放大器7的放大增益(G)公式為：G＝49.4kΩ/R_G+1。期中R_G為儀表放大器7的外接電阻，阻值R_G不同，放大增益會(huì)隨著改變；引腳6接低電平，所述開(kāi)關(guān)芯片的三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端分別與所述單片機(jī)5相連，所述模擬開(kāi)關(guān)單元8是一個(gè)8選1的開(kāi)關(guān)，即所述單片機(jī)5通過(guò)控制所述模擬開(kāi)關(guān)單元8來(lái)選擇電阻R6、R7、R8中的一個(gè)作為所述儀表放大器7的外接電阻，實(shí)現(xiàn)放大功能。

本實(shí)用新型采用儀表放大器7，目的是將氫氣傳感器MQ-8輸出的電壓信號(hào)，經(jīng)惠斯通電橋模塊1、低通濾波電路后輸出的電壓信號(hào)放大。由于輸出的電壓信號(hào)范圍在0.04v-5v之間，跨度較大，當(dāng)輸出信號(hào)較小時(shí)，易受到其他工頻信號(hào)干擾，而所述模擬開(kāi)關(guān)單元8能夠在所述單片機(jī)5的控制下，根據(jù)電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)分段線性放大，降低了其他工頻信號(hào)對(duì)較小信號(hào)的干擾。

可以理解的是，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)保護(hù)電阻組成，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一個(gè)8位4通道的基于I2C總線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳分別通過(guò)電阻R11(10kΩ)、R12(10kΩ)與所述單片機(jī)5連接，并通過(guò)I2C總線來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3將儀表放大器7出來(lái)的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號(hào)，并傳送到給所述單片機(jī)5。

需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，所述電源模塊6為所述惠斯通電橋模塊1、分段線性放大模塊2和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3提供正負(fù)電壓，所述電源模塊6包括電源極性轉(zhuǎn)換器和多個(gè)電容，所述電源極性轉(zhuǎn)換器共有8個(gè)引腳，1號(hào)、6號(hào)和7號(hào)引腳均置空，2號(hào)引腳與電容C1(10uF)的正極相連，4號(hào)引腳與電容C1的負(fù)極相連，3號(hào)引腳接地，5號(hào)引腳與電容C3(10uF)的正極相連，8號(hào)引腳與正電壓相連，并通過(guò)電容C2(10uF)接地。

優(yōu)選地，所述儀表放大器7的型號(hào)是AD620，具有高精度、低失調(diào)電壓、低漂移特性。

綜上，本實(shí)用新型提供的自適應(yīng)氫氣濃度檢測(cè)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所述惠斯通電橋模塊1輸出電壓的放大，并且當(dāng)輸出電壓跨度較大時(shí)，能夠保證小信號(hào)不會(huì)被其他工頻信號(hào)干擾；所述惠斯通電橋模塊1的電橋右上臂由數(shù)字電位器9和高精度電阻R3串聯(lián)構(gòu)成，數(shù)字電位器9的2號(hào)引腳與所述電壓信號(hào)校準(zhǔn)模塊4的輸出端口相連，1號(hào)引腳和7號(hào)引腳與所述單片機(jī)5相連，由單片機(jī)5下發(fā)控制命令，可精確控制電位器輸入電阻；本實(shí)用新型原理簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，實(shí)用靈活方便，克服了普通機(jī)械電位計(jì)無(wú)法精確控制輸入電阻，以及對(duì)氫氣傳感器輸出不同電壓信號(hào)難以單向放大的缺點(diǎn)，具有較高使用價(jià)值。

以上所述，僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。