有害氣體傳感器的信號處理電路的製作方法

2023-10-06 14:52:54 1

本實用新型涉及一種傳感器信號處理電路，具體的說，涉及了一種有害氣體傳感器的信號處理電路。

背景技術：

隨著社會的進步，科技的發展，人類對環境中的空氣品質越來越重視，空氣中的一些常見氣體，如一氧化碳、硫化氫等，在含量低於一定濃度時，是不會對人體產生不利影響的，但是一旦超過某一數據值時，則就必須要對其進行有效的控制，以防止發生有害氣體傷人事件發生。目前市場上對於檢測高濃度的有害氣體產品較為普遍，但對於針對空氣中、低濃度的有害氣體產品卻並不多，而且由於低濃度有害氣體檢測電路的設計難度要高於普通有害氣體檢測電路，所以成本更高並且開發同期更長。

為了解決以上存在的問題，人們一直在尋求一種理想的技術解決方案。

技術實現要素：

本實用新型的目的是針對現有技術的不足，從而提供了一種有害氣體傳感器的信號處理電路，通過將檢測電路模塊化，降低了使用本發明的設備的成本，便於提高使用本發明的設備的市場推廣及應用。

為了實現上述目的，本實用新型所採用的技術方案是：一種有害氣體傳感器的信號處理電路，包括傳感器信號放大電路、數位訊號處理電路、參考電壓生成電路和電源管理電路；

所述參考電壓生成電路用於生成所述傳感器信號放大電路的參考電壓，所述傳感器信號放大電路接收並放大四電極有害氣體傳感器輸出的電信號，並將放大後的電信號發送至所述數位訊號處理電路；

所述數位訊號處理電路將電信號轉換為數位訊號，並根據所述數位訊號解析出當前有害氣體的濃度值，再將解析結果發送至外部主機；

所述電源管理電路用於控制所述數位訊號處理電路的工作狀態以及向所述傳感器信號放大電路、所述數位訊號處理電路和所述參考電壓生成電路提供電源電壓。

基於上述，所述電源管理電路分為電平檢測電路和供電電路，

所述電平檢測電路包括三極體Q1，所述三極體Q1為9013，所述三極體Q1的基極通過電阻R10連接5V正電壓，所述三極體Q1的基極還通過電阻R11連接所述三極體Q1的發射極，所述三極體Q1的發射極接電源地，所述三極體Q1的集電極通過上拉電阻R8連接電源電壓VCC，所述三極體Q1的集電極還輸出電平信號M-POW INFO；

所述供電電路包括穩壓器U3，所述穩壓器U3為REF333X系列穩壓器，正5V電源通過電容C6接電源地，正5V電源還連接所述穩壓器U3的輸入引腳1，所述穩壓器U3的輸出引腳2分別連接電池BT1的正極和二極體D1的陽極，所述電池BT1的負極連接電源地，所述二極體D1的陰極輸出電源電壓VCC，所述二極體D1的陰極通過電阻R7輸出參考電壓Vref-A，所述二極體D1的陰極還通過所述電阻R7分別連接電阻R9的一端和電容C8的一端，所述電阻R9的另一端和所述電容C8的另一端連接電源地，所述二極體D1的陰極通過電容C7連接電源地,所述電源地連接公共地。

基於上述，所述參考電壓生成電路包括運算放大器U4C、電阻R31、電阻R35、電阻R33、電阻R36和電容C27，所述電源電壓VCC通過所述電容C27連接電源地，所述電源電壓VCC通過所述電阻R31和所述電阻R35連接電源地，所述電阻R31和所述電阻R35的連接端輸出參考電壓VrefA，所述電源電壓VCC還通過所述電阻R33和所述電阻R36連接電源地，所述電阻R33和所述電阻R36的連接端輸出參考電壓VrefB，所述電阻R33和所述電阻R36的連接端還分別連接電阻R34的一端和電阻R32的一端，所述電阻R34的另一端連接所述電阻R31和所述電阻R35的連接端，所述電阻R32的另一端連接電源地；

所述參考電壓VrefA還通過電阻R39連接所述運算放大器U4C的同相輸入引腳，所述運算放大器U4的輸出引腳連接所述運算放大器U4的反相輸入引腳，所述運算放大器U4的輸出引腳還輸出參考電壓VrefA1。

基於上述，所述傳感器信號放大電路包括四電極有害氣體傳感器、傳感器輸出穩定電路、信號放大電路和斷電電位平衡電路，

所述傳感器輸出穩定電路包括第一線圈LC1、第二線圈LC2和運算放大器U4A，所述運算放大器U4為LT3012，所述四電極有害氣體傳感器的第一電極通過所述第一線圈LC1、電阻R21分別連接電容C21的一端和所述運算放大器U4A的輸出端，所述四電極有害氣體傳感器的第三電極通過所述第二線圈LC2、電阻R22分別連接所述電容C21的另一端和所述運算放大器U4A的反相輸入引腳；參考電壓VrefB通過電阻R24分別連接所述運算放大器U4A的同相輸入引腳和電容C22的一端，所述電容C22的另一端接電源地；

所述信號放大電路包括第一信號放大電路和第二信號放大電路，所述第一信號放大電路的輸入端連接所述四電極有害氣體傳感器的第二電極，所述第一信號放大電路的輸出端輸出SIG信號；所述第二信號放大電路的輸入端連接所述四電極有害氣體傳感器的第四電極，所述第二信號放大電路的輸出端輸出ZERO信號；所述第一信號放大電路和所述第二信號放大電路為兩路相同的放大濾波電路，具體的，所述放大濾波電路包括第三線圈LC3和運算放大器U4B，所述放大濾波電路的輸入端通過所述第三線圈LC3和電阻R25連接所述運算放大器U4B的反相輸入引腳，所述參考電壓VrefA通過電阻R28分別連接所述運算放大器U4B的同相輸入引腳和電容C24的一端，所述電容C24的另一端接電源地；所述運算放大器U4B的輸出引腳通過電阻R27和電容C25連接電源地，所述電阻R27和所述電容C25的連接端為所述第一信號放大電路的輸出端，所述運算放大器U4B的輸出端還分別通過電容C23和電阻R26連接所述運算放大器U4B的反相輸入引腳；

所述斷電電位平衡電路包括場效應管Q3和場效應管Q4，所述場效應管Q3和場效應管Q4均為J177，所述場效應管Q4的引腳2連接所述四電極有害氣體傳感器的第四電極，所述場效應管Q4的引腳1連接所述場效應管Q3的引腳1和所述四電極有害氣體傳感器的第三電極，所述場效應管Q3的引腳2連接所述四電極有害氣體傳感器的第二電極，所述場效應管Q3的引腳3和所述場效應管Q4的引腳3分別和所述電源電壓VCC連接。

基於上述，所述數位訊號處理電路包括數字晶片U1，所述數字晶片U1為i2401晶片，所述數字晶片U1的引腳1連接所述第一信號放大電路的輸出信號SIG，所述數字晶片U1的引腳3所述第二信號放大電路的輸出信號ZERO，所述數字晶片U1的引腳2和引腳4分別連接所述參考電壓VrefA1，所述數字晶片U1的引腳6連接電源地，所述數字晶片U1的引腳9輸入所述參考電壓Vref-A，所述數字晶片U1的引腳11通過電阻R5連接電源地，所述數字晶片U1的引腳13連接所述電源電壓VCC和電容C3的一端，所述電容C3的另一端連接電源地，所述數字晶片U1的引腳14通過電容C4連接電源地；

所述數字晶片U1的引腳15通過電容C5連接電源地，所述數字晶片U1的引腳15還通過電阻R6連接所述電源電壓VCC；所述數字晶片U1的引腳19通過電阻R4向所述外部主機上傳所述解析結果，所述數字晶片U1的引腳20通過電阻R3從所述外部主機下載控制命令，所述數字晶片U1的引腳26連接所述電平信號M-POW INFO。

基於上述，該信號處理電路還包括溫度補償電路，所述溫度補償電路包括溫度傳感器U2、電阻R1、電阻R2、電容C1和電容C2，所述溫度傳感器U2為TC1047溫度傳感器晶片，電源電壓VCC通過電容C1連接電源地，所述電源電壓VCC還連接所述溫度傳感器U2的引腳1，所述溫度傳感器U2的引腳1通過所述電阻R1輸出溫度信號TEP給所述數字晶片U1的引腳5，所述溫度傳感器U2的引腳1還通過電阻R1分別連接所述電阻R2的一端和所述電容C2的一端，所述電阻R2的另一端接電源地和所述電容C2的另一端分別接電源地，所述溫度傳感器U2的引腳3連接接電源地。

本實用新型相對現有技術具有實質性特點和進步，具體的說，該處理電路使用較少的電器元器件，實現了對四電極有害氣體傳感器信號的模塊化設計，有效降低了有害氣體產品的開發周期以及開發成本，便於市場推廣利用。

附圖說明

圖1為本實用新型的原理框圖。

圖2為本實用新型中所述電平檢測電路的電路圖。

圖3為本實用新型中所述供電電路的電路圖。

圖4為本實用新型的的所述參考電壓生成電路的電路圖。

圖5為本實用新型的傳感器信號處理電路。

圖6為本實用新型的溫度補償電路圖。

圖7為本實用新型的數位訊號處理電路。

具體實施方式

下面通過具體實施方式，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

如圖1所示，一種有害氣體傳感器的信號處理電路，包括傳感器信號放大電路、數位訊號處理電路、參考電壓生成電路和電源管理電路；

所述參考電壓生成電路用於生成所述傳感器信號放大電路的參考電壓，所述傳感器信號放大電路接收並放大四電極有害氣體傳感器輸出的電信號，並將放大後的電信號發送至所述數位訊號處理電路；

所述數位訊號處理電路將電信號轉換為數位訊號，並根據所述數位訊號解析出當前有害氣體的濃度值，再將解析結果發送至外部主機；

所述電源管理電路用於控制所述數位訊號處理電路的工作狀態以及向所述傳感器信號放大電路、所述數位訊號處理電路和所述參考電壓生成電路提供電源電壓。

具體的，所述電源管理電路分為電平檢測電路和供電電路，如圖2所示，所述電平檢測電路包括三極體Q1，優選的，所述三極體為9013三極體；所述三極體Q1的基極通過電阻R10連接5V正電壓，所述三極體Q1的基極還通過電阻R11連接所述三極體Q1的發射極，所述三極體Q1的發射極接電源地，所述三極體Q1的集電極通過上拉電阻R8連接電源電壓VCC，所述三極體Q1的集電極還輸出電平信號M-POW INFO。

當由外部+5V電源供電時，所述三極體Q1的輸出電平M-Pow_Info為低電平，所述數字晶片U1檢測到該低電平時，即可判斷出當前為外部電源供電狀態，所述數字晶片進入工作模式；當外部電源斷開時，所述三極體Q1的輸出電平M-Pow_Info為高電平，所述數字晶片U1檢測到該高電平時，便可判斷出當前為電池供電狀態，從而進入低功耗待機模式。

所述供電電路用於向所述傳感器信號放大電路、所述數位訊號處理電路和所述參考電壓生成電路提供電源電壓。如圖3所示，所述供電電路包括穩壓器U3，優選的，所述穩壓器U3為REF333X系列穩壓器；正5V電源通過電容C6接電源地，正5V電源還連接所述穩壓器U3的輸入引腳1，所述穩壓器U3的輸出引腳2分別連接電池BT1的正極和二極體D1的陽極，所述電池BT1的負極連接電源地，所述二極體D1的陰極輸出電源電壓VCC，所述二極體D1的陰極通過電阻R7輸出參考電壓Vref-A，所述二極體D1的陰極還通過所述電阻R7分別連接電阻R9和電容C8，所述電阻R9和所述電容C8連接電源地，所述二極體D1的陰極通過電容C7連接電源地。

其中，所述二極體D1的目的是防止反向電流的出現，從而避免在電池供電時，電流反向灌入所述電源參考晶片U3中，增加功耗。

具體的，如圖4所示，所述參考電壓生成電路包括多個高精度分壓電阻，省掉了使用專用電源晶片為電路提供參考電源的麻煩，同時也降低了電路的成本。所述電源電壓VCC經電阻R31、電阻R32、電阻R33、電阻R34、電阻R35和電阻R36之間不同的組合後，生成參考電壓VrefA和參考電壓VrefB；同時所述參考電壓VrefA經過所述運算放大器U4C運放與電阻R39組成的驅動電路後，也生成參考電壓Vref-A，用於向所述數位訊號處理電路提供參考電壓。

具體的，如圖5所示，所述傳感器信號放大電路包括四電極有害氣體傳感器、傳感器輸出穩定電路、信號放大電路和斷電電位平衡電路；其中，所述傳感器信號放大電路中的所述運算放大器U4為LT3012，所述場效應管Q3和場效應管Q4均為J177，所述四電極有害氣體傳感器為B4系列傳感器；所述B4系列傳感器將有害氣體轉化為兩路微弱的電信號，然後分別經由所述B4系列傳感器的第二電極與第四電極輸出至運算放大器U4B與運算放大器U4D運放的反相輸入引腳，在所述參考電壓VrefA和所述運算放大器U4B和所述運算放大器U4C的作用下，這兩路微弱電信號輸出兩路信號「SIG」與「ZERO」。

所述B4系列傳感器的第一電極、第二電極、所述參考電壓VrefB和所述運算放大器U4的U4A共同形成傳感器輸出穩定電路。所述場效應管Q3與所述場效應管Q4組成斷電電位平衡電路，用於在所述B4系列傳感器斷電的情況下為所述B4系列傳感器提供電位平衡條件。

具體的，如圖6所示，所述溫度補償電路是由溫度傳感器晶片U2加外圍電路組成，所述溫度傳感器U2為TC1047溫度傳感器晶片，所述TC1047溫度傳感晶片實時輸出與環境成線性關係的溫度模擬量信號，所述溫度模擬量信號經由電阻R1、電阻R2、電容C2組成的分壓及濾波電路處理後，向所述數字處理電路提供環境中的溫度信號值。

具體的，如圖7所示，所述數字處理電路主要是由智能晶片U1構成，所述智能晶片U1為i2401晶片；所述數字晶片U1的模擬量採樣端「SIG、ZERO」信號，是所述傳感器信號放大電路輸出的兩組濃度模擬量信號，所述智能晶片U1的「TEP」信號為所述溫度傳感器輸出的溫度模擬量信號。

所述數位訊號處理電路將濃度模擬量信號和溫度模擬量信號轉化為數位訊號，並通過對所述數位訊號的分析處理解析出當前有害氣體的濃度值及進行溫度補償，最終將獲取的濃度信號與上位機進行通訊。

最後應當說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其限制；儘管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解：依然可以對本實用新型的具體實施方式進行修改或者對部分技術特徵進行等同替換；而不脫離本實用新型技術方案的精神，其均應涵蓋在本實用新型請求保護的技術方案範圍當中。