本實用新型涉及氫氣濃度檢測技術領域，具體涉及一種基于氫氣傳感器的自適應氫氣濃度檢測電路。

背景技術：

氫氣是一種重要的工業(yè)原料，廣泛應用于石油化工、冶金工業(yè)、航空航天、電力、有機化合物合成等領域。同時，氫氣還是清潔的二次能源，在混合動力汽車，醫(yī)療上也得到相應應用，越來越受到人們的重視。但是，氫氣是一種無色、無味的氣體，密度極小，化學性質活潑，極易燃燒甚至發(fā)生爆炸。近年來報道的爆炸事件有不少是由氫氣泄露引起的，所以，準確檢測工作環(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原理大概分為以下幾種：金屬氧化物半導體式，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，金屬氧化物半導體式傳感器利用被測氣體的吸附作用，改變半導體的電導率，通過電流變化的比較，激發(fā)報警電路。由于半導體式傳感器反應非常靈敏，價格低廉，因此廣泛應用的領域為測量氣體的微漏現象，但半導體式傳感器測量時受環(huán)境影響較大，常有紋波、雜波干擾，輸出線形不穩(wěn)定。

技術實現要素：

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

為實現以上目的，本實用新型采用如下技術方案：一種基于氫氣傳感器的自適應氫氣濃度檢測電路，包括惠斯通電橋模塊、分段線性放大模塊、模數轉換模塊、電壓信號校準模塊、單片機和電源模塊，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轉換模塊供電；

所述分段線性放大模塊包括儀表放大器和模擬開關單元，所述儀表放大器共有8個引腳，其中3號引腳儀表放大器正向輸入端和2號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輸出端連接，所述儀表放大器的6號引腳與所述模數轉換模塊的輸入端連接，所述模數轉換模塊將所述儀表放大器輸出的模擬信號轉換成數字信號；

所述電壓信號校準模塊由雙電壓比較器組成，所述雙電壓比較器的型號為LM393，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；所述單片機的輸出端與所述惠斯通電橋模塊連接，所述單片機的輸出端向所述惠斯通電橋模塊下發(fā)控制信息，完成對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串聯構成，電橋右上臂由數字電位器CAT5113和高精度電阻R3串聯構成，其余的兩條電橋臂分別單獨由高精度電阻R9、R10構成，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內部的氣敏電阻能夠根據被測環(huán)境中的氫氣濃度變化而變化，并轉換成電信號傳入所述惠斯通電橋模塊中。

優(yōu)選地，所述數字電位器CAT5113有8個引腳，其中，6號引腳與所述儀表放大器的反向輸入端相連，5號引腳通過電阻R3與所述惠斯通電橋模塊的右下臂連接，4號引腳接地，3號引腳通過電阻R1與正5v直流電壓相連，1號引腳、2號引腳和7號引腳是輸入控制管腳，2號引腳與所述電壓信號校準模塊的輸出端口相連，1號引腳和7號引腳與所述單片機相連，由單片機下發(fā)控制命令，實現對所述電位器CAT5113的可編程數字控制。

優(yōu)選地，所述模擬開關單元包括一型號為CD4051的開關芯片，所述開關芯片共有16個引腳，其中，包括有八路輸入通道，一路公共輸出通道，三個二進制控制輸入端。

優(yōu)選地，所述儀表放大器2號引腳與所述惠斯通電橋的左上臂輸出端相連，3號引腳與惠斯通電橋右上臂輸出端連接，構成差分放大電路；所述儀表放大器的2號引腳和6號引腳通過電阻R2相連，所述3號引腳與惠斯通電橋右上臂輸出端相連，并通過電容C4接地，構成低通濾波電路；1號引腳分別通過電阻R6、R7、R8與所述模擬開關芯片的1號引腳、4號引腳、2號引腳相連，所述儀表放大器的8號引腳與所述模擬開關芯片的3號引腳連接。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，放大增益會隨著改變；所述模擬開關芯片的三個二進制控制輸入端分別與所述單片機相連，所述模擬開關單元是一個8選1的開關，即所述單片機通過控制所述模擬開關單元來選擇電阻R6、R7、R8中的一個作為所述儀表放大器的外接電阻，實現放大功能。

優(yōu)選地，所述模數轉換模塊由一個模數轉換器和兩個保護電阻組成，所述模數轉換器是一個8位4通道的基于I2C總線的模數轉換器，所述模數轉換器的時鐘引腳和數據引腳分別通過電阻R11、R12與所述單片機連接，并通過I2C總線來控制數據傳輸。所述模數轉換模塊將儀表放大器出來的模擬信號經模數轉換后變成數字信號，并傳送到給所述單片機。

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轉換模塊提供正負電壓，所述電源模塊包括電源極性轉換器和多個電容，所述電源極性轉換器共有8個引腳，1號、6號和7號引腳均置空，2號引腳與電容C1的正極相連，4號引腳與電容C1的負極相連，3號引腳接地，5號引腳與電容C3的正極相連，8號引腳與正電壓相連，并通過電容C2接地。

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

本實用新型采用以上技術方案，所述基于氫氣傳感器的自適應氫氣濃度檢測電路包括惠斯通電橋模塊、分段線性放大模塊和單片機，其中，所述氫氣傳感器MQ-8能夠感知被測環(huán)境中的氫氣濃度變化，并轉換成電信號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和模擬開關單元，所述模擬開關單元在單片機的控制下，實現對所述儀表放大器外接電阻的選擇，從而實現對所述惠斯通電橋模塊輸出電壓的放大，并且當輸出電壓跨度較大時，能夠保證小信號不會被其他工頻信號干擾；所述惠斯通電橋模塊的電橋右上臂由數字電位器CAT5113和高精度電阻R3串聯構成，數字電位器2號引腳與所述電壓信號校準模塊的輸出端口相連，1號引腳和7號引腳與所述單片機相連，由單片機下發(fā)控制命令，可精確控制電位器輸入電阻；本實用新型原理簡單，易實現，實用靈活方便，克服了普通機械電位計無法精確控制輸入電阻，以及對氫氣傳感器輸出不同電壓信號難以單向放大的缺點，具有較高使用價值。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實用新型自適應氫氣濃度檢測電路的結構示意圖；

圖2是本實用新型自適應氫氣濃度檢測電路的電路原理圖。

圖中：1、惠斯通電橋模塊；2、分段線性放大模塊；3、模數轉換模塊；4、電壓信號校準模塊；5、單片機；6、電源模塊；7、儀表放大器；8、模擬開關單元；9、數字電位器。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本實用新型的技術方案進行詳細的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所得到的所有其它實施方式，都屬于本實用新型所保護的范圍。

如圖1所示，一種基于氫氣傳感器的自適應氫氣濃度檢測電路，包括惠斯通電橋模塊1、分段線性放大模塊2、模數轉換模塊3、電壓信號校準模塊4、單片機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和模數轉換模塊3供電；

所述分段線性放大模塊2包括儀表放大器7和模擬開關單元8，所述儀表放大器7共有8個引腳，其中3號引腳儀表放大器7正向輸入端和2號引腳儀表放大器7反向輸入端分別與所述惠斯通電橋模塊1的兩個輸出端連接，所述儀表放大器7的6號引腳與所述模數轉換模塊3的輸入端連接，所述模數轉換模塊3將所述儀表放大器7輸出的模擬信號轉換成數字信號；

所述電壓信號校準模塊4由雙電壓比較器組成，所述雙電壓比較器的型號為LM393，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5的輸出端與所述惠斯通電橋模塊1連接，所述單片機5的輸出端向所述惠斯通電橋模塊1下發(fā)控制信息，完成對所述惠斯通電橋模塊1的控制。

如圖2所述，本實施例中，所述惠斯通電橋模塊1包括四個臂，其中，電橋左上臂由氫氣傳感器MQ-8和高精度電阻R4串聯構成，電橋右上臂由數字電位器9(CAT5113)和高精度電阻R3(120kΩ)串聯構成，其余的兩條電橋臂分別單獨由高精度電阻R9、R10構成。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極相連。

需要說明的是，本實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范圍內變化，所述氫氣傳感器MQ-8內部的氣敏電阻能夠根據被測環(huán)境中的氫氣濃度變化而變化，并轉換成電信號傳入所述惠斯通電橋模塊1中。

進一步地，所述數字電位器9有8個引腳，其中，6號引腳與所述儀表放大器7的反向輸入端相連，5號引腳通過電阻R3(120kΩ)與所述惠斯通電橋模塊1的右下臂連接，4號引腳接地，3號引腳通過電阻R1與正5v直流電壓相連，1號引腳、2號引腳和7號引腳是輸入控制管腳，2號引腳與所述電壓信號校準模塊4的輸出端口相連，實現對數字電位器9的遞增或遞減控制，1號引腳和7號引腳與所述單片機5相連，由單片機5下發(fā)控制命令，實現對所述數字電位器9的輸入電阻可編程數字控制。

具體地，所述數字電位器9的1號、2號和7號引腳分別為增量控制端遞增/遞減控制端和片選端通過這三個端口來控制滑片點，片選端和增量控制端當和置為高電平時，腳上電平的負跳變將使滑動片向RH端(3號引腳)移動一個增量，當和置為低電平時，腳上電平的負跳變將使滑動片向RL端(6號引腳)移動一個增量。

需要補充說明的是，所述自適應氫氣濃度檢測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，所述模擬開關單元8包括一型號為CD4051的開關芯片，所述開關芯片共有16個引腳，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個二進制控制輸入端，引腳6和引腳8均接地，引腳16和引腳7分別與正負電壓連接。

具體地，所述儀表放大器7的2號引腳與所述惠斯通電橋1的左上臂輸出端相連，3號引腳與惠斯通電橋1右上臂輸出端連接，構成差分放大電路；所述3號引腳與惠斯通電橋1右上臂輸出端相連，并通過電容C4接地，構成低通濾波電路；由于氫氣傳感器MQ-8的輸出電壓經惠斯通電橋1后的輸出電壓信號較小，可能會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，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，達到抑制紋波干擾；1號引腳分別通過電阻R6(5.1kΩ)、R7(100kΩ)、R8(16kΩ)與所述開關芯片的1號引腳、4號引腳、2號引腳相連，所述儀表放大器7的8號引腳與開關芯片的3號引腳連接。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，放大增益會隨著改變；引腳6接低電平，所述開關芯片的三個二進制控制輸入端分別與所述單片機5相連，所述模擬開關單元8是一個8選1的開關，即所述單片機5通過控制所述模擬開關單元8來選擇電阻R6、R7、R8中的一個作為所述儀表放大器7的外接電阻，實現放大功能。

本實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，經惠斯通電橋模塊1、低通濾波電路后輸出的電壓信號放大。由于輸出的電壓信號范圍在0.04v-5v之間，跨度較大，當輸出信號較小時，易受到其他工頻信號干擾，而所述模擬開關單元8能夠在所述單片機5的控制下，根據電壓的大小來實現分段線性放大，降低了其他工頻信號對較小信號的干擾。

可以理解的是，所述模數轉換模塊3由一個模數轉換器和兩個保護電阻組成，所述模數轉換器是一個8位4通道的基于I2C總線的模數轉換器，所述模數轉換器的時鐘引腳和數據引腳分別通過電阻R11(10kΩ)、R12(10kΩ)與所述單片機5連接，并通過I2C總線來控制數據傳輸。所述模數轉換模塊3將儀表放大器7出來的模擬信號經模數轉換后變成數字信號，并傳送到給所述單片機5。

需要進一步說明的是，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和模數轉換模塊3提供正負電壓，所述電源模塊6包括電源極性轉換器和多個電容，所述電源極性轉換器共有8個引腳，1號、6號和7號引腳均置空，2號引腳與電容C1(10uF)的正極相連，4號引腳與電容C1的負極相連，3號引腳接地，5號引腳與電容C3(10uF)的正極相連，8號引腳與正電壓相連，并通過電容C2(10uF)接地。

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

綜上，本實用新型提供的自適應氫氣濃度檢測電路，能夠實現對所述惠斯通電橋模塊1輸出電壓的放大，并且當輸出電壓跨度較大時，能夠保證小信號不會被其他工頻信號干擾；所述惠斯通電橋模塊1的電橋右上臂由數字電位器9和高精度電阻R3串聯構成，數字電位器9的2號引腳與所述電壓信號校準模塊4的輸出端口相連，1號引腳和7號引腳與所述單片機5相連，由單片機5下發(fā)控制命令，可精確控制電位器輸入電阻；本實用新型原理簡單，易實現，實用靈活方便，克服了普通機械電位計無法精確控制輸入電阻，以及對氫氣傳感器輸出不同電壓信號難以單向放大的缺點，具有較高使用價值。

以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。