基于C8051F040单片机的红外瓦斯传感器的设计与研究

2011年第3期工业仪表与自动化装置43基于C8051F040单片机的红外瓦斯传感器的设计与研究谢子殿，刘明辉，高寒1黑龙江科技学院计算机与信息工程学院，哈尔滨150027摘要针对现有煤矿中使用的瓦斯传感器存在的问题，提出了一种以C8051F040单片机为核心的红外瓦斯传感器设计方案。利用气体对红外辐射有选择性吸收的原理来检测瓦斯浓度。并在数据通信方面采用CAN总线方式，提高了数据通信速率和可靠性。关键词瓦斯；CAN总线；红外光中图分类号TP212文献标志码A文章编号10000682201103004304DESIGNANDSTUDYOFINFRAREDGASFORSENSORBASEDONC8051FO4OXIEZIDIAN，LIUMINGHUI，GAOHAN1COMPUTERANDINFORMATIONENGINEERINGINSTITUTE，HEILONGJIANGINSTITUTESCIENCEANDTECHNOLOGY，HARBIN150027，CHINAABSTRACTANOVELDESIGNOFTHEINFRAREDGASSENSORHAVEBEENPROPOSEDBASEDONC8051F040OWINGTOTHEDEFICIENCYOFTHEEXISTINGGASSENSORUSINGTHEINFRAREDRADIATIONSELECTIVEGASABSORPTIONPRINCIPLETODETECTGASCONCENTRATIONFORIMPROVINGTHEDATACOMMUNICATIONRATEANDRELIABILITY，CANBUSMETHODHASBEENAPPLIEDINTHEDATACOMMUNICATIONSYSTEMKEYWORDSGAS；CANBUS；IR0引言目前，大多数煤矿井下安全监测系统的瓦斯传感器受环境干扰严重，测量范围窄，需要定期更换设备，造成成本的浪费。针对上述问题，该文提出了一种以C8051F040单片机为核心的新型矿用红外瓦斯传感器。其主要特点是灵敏度高、测量范围宽、选择性好、防爆性好。在数据传输方面，采用高抗干扰的CAN总线方式，此方式可与监控系统测控分站直接联网，也可通过CANETHERNET协议转换器直接挂接到矿井的以太网上。1红外气体检测原理不同气体对红外光有着不同的吸收光谱，气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关，利用这一原理可以测量出气体浓度。非对称双原子和多原子分子气体如CH、CH、NO等在红外波段均有特征吸收峰。CH在34M和76M处各有一个强吸收峰。当红外光通过CH气体时，其分子吸收稿日期20100928作者简介谢子殿1962，男，黑龙江鹤岗市人，教授，主要从事计算机测控，矿井信息监测，煤矿电气控制方面工作。收光能量，并且吸收关系遵循朗伯一比尔LAMBERTBEER定律，即，人10AE式中，NA为入射光的强度；，A为红外光通过被测气体的强度；A为气体吸收系数；L为气体吸收层厚度；C为被测气体浓度。图1红外光谱吸收式瓦斯探头原理不意图红外瓦斯传感器探头由调制光源、测量元件、参考元件、滤光片、温度传感器、反射镜、气室组成J。红外光谱吸收式瓦斯探头示意图如图1所示。光源由CPU控制以25HZ的频率调制，光线经反射镜反射到测量元件和参考元件上，当气室中无瓦斯时，44工业仪表与自动化装置2011年第3期测量元件与参考元件的输出幅值是相同的，当气室中有一定浓度的瓦斯时，由于瓦斯对红外线在34M处具有较强吸收作用，测量元件的输出减小，而参考元件的输出不变，根据测量元件与参考元件输出的差值可计算出瓦斯的浓度。2传感器硬件设计21传感器硬件框图传感器的硬件以C8051F040单片机为核心，包括光源驱动电路、微弱信号放大、数码显示、声光报警、CAN总线通信、频率电流输出电路等。传感器硬件框图如图2所示。信号调一I里FI理电路ADC探探一Z测测C8051F040U器器L2光源驱一一动电路I频率电流输出I2传感器硬件框图22主控芯片CPU选择C8051F040是CYGNAL公司生产的功能强大的新型单片机，该单片机具有高速的8051控制器内核，64K的程序存储器，可按扇区在运行中编程，4KB的数据存储器，有8个8位的I0接口，2个12位的ADC，其最大转换速率100KSPS，2个12位的DAC，3个比较器，内部电压基准，另外单片机内部还集成了一个标准的CAN控制器。23光源驱动电路文中采用的敏感元件是红外热释电探测器，该探测器经过低频调制采用25HZ的光源辐射后，其内部电极之间会产生与辐射相对应的PA级电荷，经内部放大电路放大后，输出MV级电信号。光源驱动电路主要由光耦TLPII3和NPN型三极管组成，光源5V控制电源与信号调理电路的电源要隔离，否则光源脉动电压会干扰主电路电源。单片机的IO口控制三极管的通断，当IO口输出低电平时，三极管截止，相当于开路，R2有效；当IO口输出高电平时，三极管导通，R2被短路。当单片机IO口控制红外光源的“亮”与“灭”时，在灯丝端会产生很大的冲击电流，这样会使灯丝的寿命降低。在“灭”的状态时，R2的作用就可以使得灯丝有一个“源源不断”的微弱电流流过，因此，R2的作用可以提高灯丝的寿命_3。C1为滤波电容。光源驱动电路如图3所示。5V图3光源驱动电路24信号调理电路热电探测器输出信号为几个毫伏，且有用信号淹没在噪声中，为了提高测量精度，需要根据噪声的特性来设计信号调理电路。探测器输出2路信号，一路是探测信号，另一路是参考信号。需要对2路信号进行放大和滤波。通过调节R11和R23来调节放大器的增益。信号调理电路如图4所示。】IIXCFFI“FTHT二一二二一L一222FFJ口R222F22UL1OOKQ1O0KQIR5200KN二二卜R6FFC7C8二_亡一LLLL100KNIJO47IXF047F1II047FR3RNC40015F300KNLCLIIN。一J广1JIJKI口。刚LOOLCH_二_一1IXFLLUF22UF22IXF1100KQLO0KQNR14L180KN竺FCL97C12LL1RKNLI1D，11I一047FC1；0【L5UF047IXFRL5厂IRI6300KNLR10KQ图4信号调理电路2011年第3期工业仪表与自动化装置4525数据采集C8051F040单片机内部集成12位AD转换器ADCO，电压基准可以根据需要选择内部或外部基准电压。该文选择内部基准电压。只需要通过软件对寄存器赋值进行初始化即可定义。红外探测器的信号经过放大电路后，分别将测量端信号、参考端信号以及温度补偿信号接人单片机的AD转换通道。对采集数据的处理中需要设计必要的数字滤波，根据信号特点、采样速度进行选择。该文采用防脉冲干扰滑动平均值滤波算法。这种算法可以消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，对于信号中偶然出现的脉冲干扰具有较好的滤波功能。26显示电路选用了数码管显示的方式。数码管选用4位红色共阳极数码管，位选端为高电平时，显示段码；为低电平时，数码管熄灭。27声光报警电路报警电路由NPN三极管、蜂鸣器、LED和限流电阻组成。由单片机2个IO口控制声报警方式和光报警方式，实际应用时，可以通过软件设置选择其中一种报警方式，也可以2种都选择。28CAN电路设计C8051F040CPU具有CAN控制器，用CAN协议进行串行通信。SILICONLABSCAN控制器符合BOSCH规范20A基本CAN和20B全功能CAN，CAN控制器包含一个CAN核、消息RAM独立于CIP一51的RAM、消息处理状态机和控制寄存器。SILICONLABSCAN是一个协议控制器，不提供物理层驱动器即收发器。VR图5光电隔离式CAN收发器为了提高系统的抗干扰性能，CPU的CAN控制器与收发器之间采用光电隔离方式，电路如图5所示。其中CAN收发器采用PCA82C251芯片，光电隔离采用TLP113光电隔离器件，采用小型DCDC隔离电源模块供电。29信号输出电路目前矿用瓦斯传感器的输出信号可分为频率量输出和电流量输出2种，频率信号输出一般为2001000HZ，电流输出一般为05MA、15MA、010MA、420MA。该文设计的信号输出方式既可以选择频率量也可以选择电流量。电流输出电路利用CPU的DA和VI转换电路AD694组成。AD694具有多种输入、输出方式，可方便地调零和调量程，输出电流范围为020MA，可根据需要设定输出范围，如图6所示。频率输出电路利用CPU的PCA高速输出模式，由单片机的P04口产生方波频率，利用DA输出改变幅值。电路如图6所示。图6信号输出电路3软件设计传感器的软件包括数据采集模块、显示模块、CAN通信模块、频率电流输出模块。系统软件采用模块化设计，各程序模块由主程序负责调度。31数据采集程序模块数据采集程序主要是对放大后的测量端信号和参考端信号，以及对温度补偿信号的采集处理。数据采集程序流程如图7所示。32CAN通信程序模块在CAN通信程序中首先要进行初始化，主要包括中断设置、接收屏蔽寄存器设置、验收代码寄存器的设置、波特率的设置、总线定时器设置、输出方式设置等，其中总线通信波特率是由波特率寄存器BITREG和系统的晶振频率所决定的。完成CAN初始化后，便可通过CAN控制器向物理总线发送和接收数据。CAN数据发送程序如图8所示。46工业仪表与自动化装置2011年第3期开始初始化ADC寄存器等待触发釜苎兰Y测量和参考信号采样里坚竖笪I逮温度信号采集IN塑图7数据采集程序流程图图8CAN数据发送流程图CAN报文发送由CAN控制器自动完成的，用户只需根据接收到的远程帧的识别符，将对应的数据转移到发送缓冲寄存器，然后将此报文对象的编码写人命令请求寄存器启动发送即可。CAN报文的接收与发送一样，是由CAN控制器自动完成的，接收程序只需从接收缓存器中读取接收的数据，再进行相应的处理即可。33频率电流输出程序模块信号输出方式可根据用户需求设置成频率输出方式或电流输出方式，程序流程如图9所示。图9频率电流输出程序流程图4结束语以C8051F040为核心的新型红外瓦斯传感器，具有性能稳定、集成度高、输出方式灵活等优点，由于采用CAN总线通信方式，提高了通信的可靠性和通信速度，实现了远程监测现场气体浓度的功能。参考文献1邓勃原子吸收光谱分析的原理、技术和应用M北京清华大学出版社，20002王汝琳，王咏涛红外检测技术M北京化学I业出版社，20063陈永甫。红外辐射与红外器件典型应川M北京电子工业出版社，20004张雷，尹王保，董磊，等基于红外光谱吸收原理的红外瓦斯传感器的实验J煤炭学报，2OO6，3144804835谢子殿基于C8051F040单片机的矿用测控分站的设计与研究J自动化技术与应用，2OO971081126马游春基于CAN总线的红外CH监测仪设计J仪表技术与传感器，200923233上接第42页信号数据采集系统，得到了清晰有效的心电信号数据，有利于应用PC机强大的运算处理能力对采集到的心电信号数据进行数据处理和分析。所设计的系统具有操作简单、成本低和通用性强的特点。USB接口提高了通信速度，其生物弱信号检测及处理电路系统对相关仪器的研制具有重要实用价值。参考文献1方勇基于USB技术的心电信号系统的研究D武汉武汉理工大学，200718222黄熠园，胡方明，任爱锋，等心电远程监测系统设计J1电子设计工程，201024345ETCPL一2303USBTORS一232BRIDGECONTROLLERPRODUCTDATASHEETEBPROLIFICTECHNOLOGYIN，20027278王平基于USB20的高速实时数据采集