基于红外发光二极管的有害气体检测系统设计.doc

基于红外发光二极管的基于红外发光二极管的 有害气体检测系统设计有害气体检测系统设计 the design on noxious gas detecting system based on mid-inrfared led 摘 要 本课题所研究的基于中红外发光二极管(mir 一 led)的有害气体检测系统 有助于寻求一种可在线实时检测有害气体的新方法。该方法对提高有害气体的 检测效率、降低仪器成本，改善城市大气和室内空气环境以及提高一些行业的 生产安全具有重要的现实意义。本课题在研究了中红外发光二极管最新成果的 基础上，结合单片机技术设计并开发了整个系统。文章首先阐述了仪器的整体 结构;其次详细说明了各部分的设计思路，着重说明了中红外发光二极管作为红 外光源的优势;然后以电路原理图给出了系统的硬件实现;最后给出了部分软件程 序代码。整个系统按照功能划分为三个模块：单色红外光发射系统；数据 采集系统；单片机控制系统。单色光发射系统包括中红外发光二极管阵列及 其驱动电路。数据采集系统包括红外探测器及其偏置电路、信号放大电路及模/ 数转换电路单片机控制电路包括逻辑控制电路及键盘、显示电路等。 关键词关键词：有害气体；红外光谱；中红外发光二极管；单片机 abstract we proposed and discussed in this paper a new noxious air detecting system based onmir-led.we can use the new system to realize an on line real time detection method.through that method we can boost the detection efficiency，lower the making cost and ameliorate air qualiy in ubran area and in our homes this paper begins with the entire device sturcutre.then we explain our designing thought for every modules of the system.much emphasis is put on the reason why we utilize mir-led as the infrared light source.next we designed the circuit diagram of hardware part and finally implement the software programming.the entire system can be divided into three modules in temrs of functionaliyt:mono infrared emission systemdata collecting systemcontrol system mono inrfare demission system consists of mir-led array and corresponding driver circuit. data collecting system consists of photoelectricity detector and its bias set circuit，signal amplifier circuit and a/d convter circuit .control system consists of logical control circuit and keyboard,display circuit and so on. key words: noxious has; infrared spectrum; mir-led; mcu . 目 录 1 绪论1 1.1 课题的提出.1 1.2 课题的研究方法.1 1.2.1 光谱分析技术及仪器概述1 1.2.2 气体检测的红外光谱法2 1.2.3 本课题的研究方法2 2 系统的整体结构.3 2.1 红外光发射系统4 2.1.1 以 mi-rled 作为单色光源4 2.1.2 驱动电路5 2.2 红外光接收系统.6 2.2.1 用光电导探测器进行光电转换6 2.2.2 偏置电路6 3 控制系统8 3.1 分频电路.8 3.2 脉冲调制电路.9 3.3 单片机控制及其接口.10 3.3.1 at89c52 的部分资源10 3.3.2 键盘接口13 3.3.3 液晶显示接口14 4 数据采集系统16 4.1 直流信号放大电路.17 4.2 模/数转换芯片 ad789619 4.3 电路连接与控制程序.22 结 论23 参考文献24 致 谢26 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 0 1 绪论 1.1 课题的提出 随着工业化水平的提高, 现代社会给人们提供了多种便利, 同时也带来了一一 些公害。环境污染和生态破坏已经在一定程度上严重制约了经济的发展并危害 到人类的健康安全，其中由于空气污染所造成的经济损失和人群发病率的升高 都十分惊人。空气污染在这里是一个广义的概念，它既指通常意义上的大气污 染，也指室内空气的污染，同时也指某些特定生产行业如采煤、冶炼等的空气 环境的高危险性。不论是何种情形，其成因都是由于空气中有害气体的含量超 过甚至大大超过其最小容许浓度所致。 有害气体泛指对人体健康或生命安全构成威胁的各种气体，比如能使人中 毒 的有毒气体、无毒但会使人窒息的气体、可引发爆炸或易燃的气体以及那些破 坏 生态危及人类生存环境的气体如温室气体等。这其中很多种类的有害气体能够 以 不同途径从不同源头释出，在不同环境下的危害也不尽相同，例如大气污染， 瓦斯爆炸引起的灾害事故，工业气体污染等。控制大气中有害气体的排放、在 诸如矿井这样的生产环境中进行安全预警都是势在必行的，而这些都要求人们 有一行之有效的方法和仪器来监测空气中有害气体的含量。 1.2 课题的研究方法 1.2.1 光谱分析技术及仪器概述 近百年来，光谱技术作为理化分析和检测手段已经发展成熟。从真空紫外 到远红外都已经建立起完整的光谱定性、定量分析方法及整套光谱图谱。光谱 分析测试技术和光谱仪器的传统应用领域是物理、化学、天文观测等科学研究 领域，以及矿产资源勘测、工业产品质量分析等物质生产领域。 以红外光谱分析检测技术为基础的红外气体分析仪是一种非常重要的在线 分析仪器，这类仪器的缺点是需要附加复杂的样品预处理装置，仪器成本比较 高，灵活性差。因此开发一种价格低廉、使用方便的有害气体检测方法具有重 要的现实意义 1.2.2 气体检测的红外光谱法 1 光的吸收定律 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 1 光的吸收定律是研究光吸收内在规律的基本定律，也是作为吸收光谱定量 分析的理论依据。早在 1729 年和 1768 年分别由布给(buoguer)和朗伯(lambert)提 出了光的吸收与吸收介质厚度之间的关系，被称为朗伯定律。1852 年比尔 (beer)又提出了光的吸收与吸收介质浓度之间的关系，被称为比尔定律。这两 条定律合并成为朗伯一比尔定律或称为光的吸收定律。朗伯定律表明:如果一束 单色光照射在均匀介质上，当介质中吸光物质的浓度固定时，则均匀介质对光 吸收的程度与均匀介质的厚度成正比。比尔定律表明:如果一束单色光照射在均 匀介质时，当均匀介质的厚度固定，则均匀介质对光的吸收程度与介质中吸光 物质的浓度成正比。 2 空气中有害气体的定量检测 根据光波的波长范围分成不同类型的光谱，它们各自反映出物质的不同类 型 的运动形式。红外光谱研究的内容涉及的是分子运动，因此称之为分子光谱。 通 常红外光谱系指 0.78 一 25um 之间的吸收光谱，这段波长范围反映出分子中原 子间的振动和变角运动。红外光谱定量分析的基础是朗伯 l(ambe)rt 一比尔 b(ee)r 定律。光源发射的单色红外光被待测有害气体直接吸收，因此通过直接 测定吸光度就可以得到有害气体的浓度，并不需要进行复杂的样气采集、样气 预处理等准备阶段，大大简化了检测方法同时也提高了检测精度。 1.2.3 本课题的研究方法 目前应用于气体检测的大多是不分光的气体分析仪，该类仪器一般都需要 对待侧气体进行预处理，具有灵活性差、速度慢等缺点。本课题所研究的基于 中红外发光二极管(mir 一 led)的有害气体检测系统有助于寻求一种可在线实时 检测有害气体的新方法。该方法对提高有害气体的检测效率、降低仪器成本， 改善城市大气和室内空气环境以及提高一些行业的生产安全具有重要的现实意 义。本课题所设计的有害气体检测系统是以光的吸收定律为理论基础，通过测 定有害气体对红外光的吸收度来计算被测气体浓度的实时分析仪器。单色光源 所采用的中红外发光二极管是一种非常适合进行气体分析检测的红外光源，新 的技术工艺保证了在中红外区既能获得很好的单色性又能得到较大的发射功率。 新型的锑化锢(nibs)红外探测器除了具有很宽的光谱范围(2 一 u7m)，还具有很 快的响应速度(时间常数rd，为恒流偏置，通过探测器的偏置电流基本上不随光辐射的 变化而变化，这个电流值受探测器的额定功率限制，必须折中考虑响应率和安 全性。根据偏置电压 vb和暗电阻 rd可以确定负载电阻 rl的阻值。信号从 a 点取出，送到直流信号放大器。 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 7 3 控制系统 外部时钟电路产生的脉冲序列不仅调制发射系统中 mir-led 的驱动电流， 同时也充当数据采集系统的控制信号，同步各波长红外光的发射与接收。而单 片机也在该脉冲的 触发下进行数据的采集与处理工作，如此才能保证检测的实 时性以及所发射红外光的波长与采集到的光强信号数据之间的一一对应。因此 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 8 系统硬件电路中设计了围绕外部脉冲的分频电路、脉宽调制电路等。 3.1 分频电路 本系统中作为光源的一组中红外发光二极管(这里采用了 7 支)共用一个直 流电流源。电流源与每一个 led 之间接一个 mosfet 开关管，外部脉冲加到 mosfet 管的栅极，通过开关管的开/断实现 led 的脉冲电流驱动。原始频率 为 16khz 的外部脉冲通过分频/选择电路依次控制每个 mo sfet 管的导通，使得 各 led 都获得了频率为 2khz 的脉冲电流，并且按固定的顺序发光。分频电路 由前向二进制加法计数器 mc 14520、八路模拟开关 adg608 组成。 红外光探测器每一次接收到的通过被测气体的吸收光都具有不同的波长和 发射光强度，要确定该红外光的波长必须通过单片机对分频电路产生的地址进 行 判断，从而确定待测气体性质及吸收度。 mc14520 clk en r q0 q1 q2 q3 d+5 reset pulse d+5 a0 a1 a2 en d adg608 s1 s7 led1 led2 图 3-1 分频电路原理图 下面说明分频电路各组成部分及工作原理。 mc 14520 有四条地址线，在 en 端为高电平条件下，每一个 clk 端的输 入 脉冲都使计数器加 1，输出 q3-q0 为二进制的 0000-1111。 模拟开关 adg608 的输入为 ne555 产生的原始脉冲，它由三位地址线 a0 , a 1, a2 决定该输入与哪一路输出导通。这里采用 mc 14520 的低三位输出 (q2,ql, q0)作为 adg608 的输出通道地址。 当有触发脉冲到达 clk 引脚，mc14520 的低三位输出 q0, q1, q2(亦即 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 9 adg608 的 a0, a1, a2)从 000 开始向 111 递增，控制各模拟通道依次导通。因 为前向加法计数器 mc14520 的 clk 脉冲与 8 路模拟开关 adg608 的输入都是 由外部脉冲电路产生的，所以每一次 mc 14520 的 clk 引脚有一个脉冲到来， 都 会使得模拟开关的某一个输出引脚 sn 与输入引脚 d “短接” ，此时，这个引脚 上 的电信号就是外部脉冲，而其它引脚输出为高阻状态。同时单片机 at89c52 通 过 i/o 口观察这个地址的变化，当计数器计数到 111 时单片机发出置位信号 reset 送计数器，则 mc 14520 再次从 000 开始计数，相应的 adg608 的输入 d 从头依次与 s1- s8 导通，从而完成对原始输入脉冲的 8 分频。 3.2 脉冲调制电路 本系统中外部独立脉冲同步红外光的发射与接收，这种同步机制的实现是 依 靠该脉冲控制数据采集系统中的 a/d 转换芯片。本系统采用的 a/d 转换芯片型 号为 ad7896(下一章将详细介绍)，在它的自动休眠模式中，convst 引脚上 要有一个宽度大于 gus 的脉冲作为整个 a/d 转换动作的开始信号，因此将外部 脉冲作脉宽调制后送到 ad7896 的 convst 引脚，即可同步红外光的发射与接 收检测。而单片机也因 int0 引脚检测到这个调制后的脉冲下降沿而产生中断。 74ls123 是一个可重触发单稳态触发器，在触发脉冲的上升沿(接 b 端)或下降 沿(接 a 端)的作用下，输出 q 为高电平，经过延时 tw 后，输出 q 返回低电平， 当外接电阻为 r 且电容 c1000pf 时，tw=0.45rc，这里通过选取适当的 r, c 值使得输出 q 的脉宽在 6us 多一些。 cext clr b a 51 vcc cext rext rext vrc cext ls 123 gnd vcc q q pin pout vcc 0.1uf 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 10 图 3-2 74ls123 构成的脉宽调制电路原理图 3.3 单片机控制及其接口 由于本系统是以单片机为核心的自动化检测仪器，对于小规模的信号检测， 其数据处理任务并不十分繁重，所以这里没有选用 dsp，而是选用了 atmel 公 司的 at89c52，相对于 89c51, at89c52 有更丰富的片内资源。例如有 8k 字节 的片内 eeprom，以及 256 字节的片内 ram，对于本系统的控制程序来说， 已 经足够，因此可以省去片外程序存储器和片外 ram，降低了成本和简化了控制 电路。at89c52 有 3 个 16 位的时钟(计数器)，而且 32 个 io 线全部可编程，时 钟可高达 24m，和 89c51 相比，它的使用更加灵活。 本系统中各控制模块以及数据采集系统与单片机的接口在相应章节里进行 介绍，这里主要说明作为自动化检测仪器所具备的人机交互部分，即单片机系 统 的外部控制与显示模块。 在此之前简要介绍一下 at89c52。 3.3.1at89c52 的部分资源 89c52 是在 80c51 的基础上发展起来的，具有 8kb 片内 eeprom 的单片 机 芯片。89c52 系列包括的基本结构如下: (1)一个 8 位算术逻辑单元; (2) 32 个 io 口，4 组 8 位端口可单独寻址; (3) 3 个 16 位定时计数器; (4)全双工串行通信; (5) 6 个中断源两个中断优先级; (6) 256 字节内置 ram; (7)独立的 64k 字节可寻址数据和代码区。 89c52 提供给用户 3 个不同的存储空间，每个存储空间包括从。到最大存 储范围的连续的字节地址空间，通过利用特定地址的寻址指令解决了地址重叠 的问题。第一个存储空间是代码段即 code 区，用来存放可执行代码。16 位寻 址空 间可达 64k，代码段是只读的，当要对外接存储器件如 eprom 进行寻址时， 理器会产生一个信号，但这并不意味着代码区一定要用一个 eprom.。第二个 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 11 存储区是 89c52 的前 128 个字节内部 ram。这部分主要是作为数据段成为 data 区。指令用一个或两个周期访问数据段，访问 data 区比访问 xdata 区要快，因为它采用直接寻址方式，而访问 xdata 需采用间接寻址，必须先 初始化 dptr。通常，把使用比较频繁的的变量或局部变量存储在 data 段中， 但是必须节省使用。89c52 的后 128 个字节的内部 ram 位于从 80h 开始的地 址空间中被称为 idata 区。因为 idata 区的地址和 sfrs 的地址是重叠的， 通过区分所访问的存储区来解决地址重叠问题，因为 idata 区只能通过间接 寻址来访问。89c52 的最后一个存储空间为 64k，和 code 区一样采用 16 位 地址寻址称作部数据区简称 xdata 区。这个区通常包括一些 ram 如 sram 和一些需要通过总线接口的外围器件，对 xdata 的读写操作需要至少两个处 理周期，使用 dptrro 或 dptr r1。对 dptr 来说至少需要两个处理周期， 而读写又需要两个周期，由此可见处理 xdata 中的数据至少要花 3 个指令周 期。因此频繁的数据应尽量保存在 data 中。如果不需要和外部器件进行 i/o 操作或者希望在和外部器件进行 i/o 操作时开关 ram，则 xdata 可全部使用 64k ram o 中断系统和外部功能控制器叫做特殊功能寄存器，简称 sfr。其中很多寄 存器都可位寻址，可通过名字进行引用。这些寄存器的寻址方式和 data 区中 的其 它字节和位一样。 89c52 有一个可通过软件控制的内置全双工串行通讯接口 dart，由寄存 器 scon 来进行设置，选择通讯模式。 dart 发送数据由 txd 端送出，接收数据由 r端输入，带有两个缓冲器 （ sbuf） ，一个作为发送缓冲器，另一个做接收缓冲器。对于接收缓冲区，当上 一个字节还没被处理，下一个数据仍然可以被缓冲区接收进来，但如果接收完 这个字节，上个字节还没被处理完，上个字节将被覆盖。因此软件必须在此之 前处理数据，连续发送字节时也是如此。 （一）与串口有关的 sfr: 1、串行口控制寄存器 scon scon 是串行口控制和状态寄存器，其格式如下: d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 sm0sm1sm2rentb8rb8t1r1 smo, sm1:串口工作方式控制位。 sm2:多机通信控制位仁(方式 2, 3). 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 12 ren:串口接收允许位。 tb8:方式 2 和方式 3 时，为发送的第 9 位数据，也可以作为奇偶校验位。 rb8:方式 2 和方式 3 时，为发送的第 9 位数据。方式 1 时，为接收到的停止位。 t1：发送中断标志 r1：接受中断标志。 2、电源控制寄存器 pcon pcon 的第七位 smod 是与串行口的波特率设置有关的选择位，其格式如 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 smodgf1gf0pdidl smod:串行口波特率加倍位。 1 一方式 1, 3 波特率二定时器 1 溢出率/16;方式 2 波特率=fosc/32 0 一方式 1, 3 波特率二定时器 1 溢出率/32;方式 2 波特率=fosc/64 （二)串口工作方式: 方式 0： 方式 0 为移位寄存器输入/输出方式。串行数据通过 rxd 输入/输出，txd 则用于输出移位时钟脉冲。方式 0 时，收发的数据为 8 位，低位在前。波特率 固定为 fosc/12，其中 fosc 为单片机外接晶振频率。发送是以写 subf 寄存器的 指令开始的，8 位输出结束时 ti 被置位。方式 0 接收是在 ren=1 和 ri=0 同时 满足时开始的。接收的数据装入 sbuf 中，结束时 ri 被复位。 方式 1： 方式 1 是 10 位异步通信方式，1 位起始位(0),8 位数据位和 1 位停止位(l)。 其中的起始位和停止位是在发送时自动插入的。任何一条以 sbuf 为目的的寄 存器的指令都启动一次发送，发送的条件是 ti=0，发送完置位 ti。 方式 1 接收的前提条件是 scon 中的 ren 为 1，同时必须满足以下两个条 件:（l) ri=0; （2) sm2=0 或接收到的停止位为 1 时，本次接收才有效，将其装 入 sbuf 和 rb8 位，否则放弃接收结果。 方式 1 的波特率为 2 smod x(定时器 1 的溢出率)/32，其中溢出率为定时 时间的倒数值。 方式 2 和方式 3： 方式 2 和方式 3 都是 11 位为一帧的串行通信方式，即 1 个起始位、9 个数 据位和 1 个停止位。其中第 9 位数据为可编程位。 方式 2 的波特率为 2smod x (fosc/64); 方式 3 的波特率同方式 1 相同。 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 13 （三)串行口的初始化: 确定定时器 1 的工作方式一编程 tmod 寄存器; 计算定时器 1 的初始值一装载 th1, tl1; 启动定时器 1-编程 tcon 中 trl 位; 确定串行口的控制一编程 scon; 基本的 8051 支持 6 个中断源，两个外部中断，两个定时/计数器中断，一 个串行口输入/输出中断。中断发生后，处理器转到五个中断入口处之一执行中 断处理程序。中断向量位于代码段的最低地址处仁串行口输入，输出中断共用 一个中断向量)。中断服务程序必须在中断入口处或通过跳转，分支转移到别处。 8051 支持两个中断优先级，有标准的中断机制，高优先级的中断不能被低优先 级的中断所中断。每个中断源都可通过设置中断优先级寄存器 ip 来单独设置中 断优先级，如果每个中断源的相应位被置位，则该中断源的优先级为高。 通过设置中断使能寄存器 ie 的 ea 位，使能所有中断。每个中断源都有单 独的使能位，可通过软件设置 ie 中相应的位在任何时候使能或禁能中断。 ie 寄存器仁（可位寻址) d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 eaet2eset1ex1et0ex0 ea:置位使能所有中断，复位则禁止所有中断 es:串行通信中断使能 eto:定时器 0 中断使能 exo:外部中断 0 使能 8051 支持两个外部中断信号，这使外部器件能请求中断，从而得到相应的 服务。外部中断由外部中断引脚仁外部中断。为 p3. 2，外部中断 1 为 p3. 3)电 平为低或电平由高到低跳变引起。由电平触发还是跳变触发取决于寄存器 tc on 的 itx 位。电平触发时，为了产生中断，低电平应至少保持一个指令周期或 12 个时钟周期，因为处理器每个指令周期检测一次引脚。同样的，在跳变触发中， 电平的 0 状态至少保持一个周期。 定时器控制器存器 tcon （可位寻址): d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 tf1tr1tf0tr0ie1it1ie1it0 tf1:定时器 1 溢出中断标志，硬件清零 tr1:定时器 1 控制位，置位时定时器 1 工作 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 14 ie 1:外部中断 1 触发标志位，当检测到 p3. 3 有从高到低的跳变电平时置位， 处理器相应中断后，由硬件清除 it1:中断 1 触发方式控制位，置位时为跳变触发，复位时为低电平触发 ieo:外部中断 0 触发标志位 ito:中断 0 触发方式控制位 3.3.2 键盘接口 对于单片机的控制功能而言，所选的 at89c52 所具备的 io 口足够用，所 以 键盘控制选用了最简单的控制方式，即对单片机的 io 口直接进行扫描。 at89c52 p10 p11 p12 p13 +5 图 3-3 单片机键盘控制接口 这种扫描方式的电路不但简单，软件控制同样简单，只要一直监视 p1 口检 测是否有键按下既可，同时也消除了键抖动。 3.3.3 液晶显示接口 自动化仪器除了进行实时检测外，一项重要的功能就是将检测结果直观的 反应出来。相对于传统的显示方式本系统采用了当前流行的大屏幕液晶显示模 块。本系统显示部分主要任务是将测得的红外光强度或气体浓度显示出来，因 此只要求显示数字和几个字符，所以没有采用图形点阵式液晶，本系统中选用 了北京青云公司的 8 段带小数点的液晶显示模块 lcm1410 lcm141 液晶显示模块，内含显示 ram，可以显示任意字段笔画，有 3-4 线串行接口，可与任何单片机连接，功耗低，典型的显示电流小于 60wa，工 作电压为 2. 7-5. 2v，视角对比度可调，显示清晰，编程控制也较简单。 lcm141 与 at89c52 的接口电路如图所示，用 p1 口控制键盘余下的 3 条 io 线控制 lcd 的显示，p1.5 用来向 lcm 141 串行写入命令或数据。图中的电 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 15 位器 用来调节 lcd 的显示亮度和对比度。 at89c52 p1.5 p1.6 p1.7 +5 data wr cs lcm141 图 3-4 lcm141 与 at89c52 的接口电路 4 数据采集系统 红外探测器接收到红外光后电阻值发生变化，通常亮电阻小于暗电阻。而 红 外光在光路中被特定气体吸收后光强减弱，又将引起探测器电阻的增加。根据 lambert-beer 定律，测得气体对红外光的吸收度即可计算出该气体的浓度，这 个吸收度即对应着探测器亮电阻的变化。因此本系统中数据采集模块所要提取 的数据就是当有红外光照射时由于气体吸收所引起的探测器亮电阻的变化。为 了简化电路本系统所采集的信号选取了偏置电路中探测器节点处的直流电压信 号。因为在直流偏置电路中负载电阻远远大于探测器的亮电阻，因此该电压信 号为小信 号，同时探测器亮电阻的变化更加微小，所以设计了直流电压信号放大电路。 在 得到了合适的电压信号后，模/数转换电路将其转换成数字信号送到单片机进行 处理，最终得到有关气体浓度的结果。 探测器放大电路模/数转换单片机 光强信号 浓度 信息 图 4-1 数据采集系统结构图 根据以上框图，设计了整个数据采集系统的电路，其中光电导探测器的偏 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 16 置 电路，模拟信号放大电路，模数转换电路等以下各节分别进行讨论，下面给出 模 数转换与单片机连接的电路原理图。 放大后的模拟 输入信号 外部脉冲经脉宽 调制后作转换起 始信号 vin busy sdata con sclk ad7986 74ls04 pulse reset p27 p30/rxd p31/txd p32/into p24 at89c52 图 4-2 模数转换与单片机连接电路原理图 4.1 直流信号放大电路 在下图所示的探测器偏置电路中，v0处电压就是我们所要提取及处理的信 rl rd a v0 图 4-3 红外探测器偏置电路 号，由于气体吸收所引起的探测器亮电阻的变化十分微小，所以有必要放大这 种 变化。本系统采用直流放大，所以在设计放大倍数及稳定性上要有所考虑。放 大电路采用的器件为低功耗高性能通用集成运算放大器 lm833。下图为 lm833 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 17 管脚示意图。 1 2 3 4 8 7 6 5 1 - + 2 - + output inputs vee vcc output 2 inputs 2 图 4-4 lm833 管脚示意图 下图所示为放大电路的整体电路连接。 a+ r1rf r2 直流小信号 a+ a+ lm833 v0 - + 图 4-5 放大电路连接示意图 本电路设计为同相放大电路，目的就是通过直流放大使得同向输入端的小 电 压信号扩展到整个电压参考区间。 因为后端所接模/数转换芯片所用参考电压为 sv，故本电路中 lm833 采用 了正和负 5 v 双电源供电。为了不使放大后信号电压超过参考电压值，要求放 大倍数不能太高，通过试验所选取的 rf，r10，r11的电阻值，满足了将小电压 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 18 信号扩展到整个参考电压区间且不使放大电饱和的要求，这里放大倍数小于 20。 4.2 模/数转换芯片 ad7896 光电转换以及放大之后所得到的电压信号是模拟信号，不便于进行数据的 读 取，同时该电压值并不是我们想要的最终结果，必须将其换算为气体对红外光 的 吸收度，而最终要得到的是该气体的浓度值。而仪器的实时性又要求快速将结 果 反映出来，所以就必须将模拟信号转换为数字信号送到单片机进行各种处理。 能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(简称 a/d 转换器)。 a/d 转换器的品种很多，其分类方法也很多，例如，按速度分、按精度分、按 位 数分等，常用的是按工作原理分类。 1.直接比较型 将输入的采样模拟量直接与作为标准的基准电压比较，得到可按数字编码 的 离散量或直接得到数字量。这种类型包括连续比较、逐次逼近、斜波(或阶梯波) 电压比较等，其中最常用的是逐次逼近型。 2.间接比较型 输入的采样模拟量不是直接与基准电压比较，而是将二者都变成中间物理 量 再进行比较，然后将比较得到的时间(t)或频率(f)进行数字编码。由于间接比较 是“先转换后比较” ，因此形式更加多样。例如有双斜式、脉冲调宽型、积分型、 三斜率型、自动校准积分型等。这类转换为平均值响应，抗干扰能力较强，但 速度较慢。 对于一个检测仪器来说，检测精度是最重要的指标之一。在各部分电路确 定 的情况下，决定整个测量精度的关键因素就是模/数转换芯片的精度亦即转换后 的数字信号位数。通过研究测量要求及参考其它仪器本系统所选用的模/数转换 芯片型号为 ad7896，下面对其进行详细说明。 ad7896 是一个 12 位快速模/数转换器，以单电源供电，其电压范围为 2.7v-5.5v。在芯片内包含了一个 bus 逐次逼近式 a/d 转换器、一个锁存器、一 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 19 个片上时钟以及一个高速串行接口。下面是其外形及内部结构示意图。 1 v in 2 v d d 3 a g n d 4 sc l k 8 b u sy 7 c o n v st 6 d g n d 5 sd a ta a d 7896 图 4-6 ad7896 管脚示意图 12-bit- adc track-and-hold ad7896 vin vdd output register convst clockclock agnddgndbusysclk sdata 图 4-7 ad7896 内部结构图 ad7896 输出数字信号时是通过片上的一个高速串行接口完成的，这个两 线的串口包括一条外部时钟输入线以及一条串行信号输出线，数字信号在外部 时钟 脉冲沿驱动下按位串行输出。在电源引脚 vdd接 2.7v-5.5v 的条件下，ad7896 接受电压范围在 0v-vdd间的模拟输入信号，同时电源 vdd也作为 a/d 转换时 的参考电压。该器件典型功耗为 9mw，非常适合低功耗应用。 模拟信号输入 ad7896 的模拟信号输入范围是 0v 至 vdd，vin引脚将模拟输入直接送至 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 20 片上的跟踪所存放大器中。驱动模拟输入信号的最大输出阻抗为 1k 欧姆，这 保证了器件能够在 1.5us 的采样时间里达到 12 位的精度。输出信号为二进制代 码序列.跟踪锁存电路 模拟输入端的跟踪/锁存放大器能够让 adc 完成对全幅正弦波的 12 位精度 的模/数转换，即使 adc 工作在最高频率下(100khz)，跟踪/锁存放大器仍然允 许输入带宽高于 adc 的奈奎斯特采样频率。对用户来说取得模拟输入并加以 锁 存这个动作是不可见的，典型情况下其完成时间小于 1. 5us。在高速采样模式 中， 跟踪/锁存放大器进入模拟信号锁存状态是在转换开始信号到达时完成的，这时 触发方式为 convst 脉冲上升沿，转换完成后，亦即在 busy 变为低电平时， 该放大器又将开始跟踪模拟信号以便下一次采样。在自动休眠模式中，当 convst 有脉冲上升沿到达时，整个器件被“唤醒” ，而在 6us 后，跟踪/锁存 放大器进锁存状态。同样在 busy 变为低电平时，放大器又一次进入跟踪状态。 时序及控制 在 convst 引脚上有脉冲下降沿到来时，整个模/数转换开始，bus 后输出 移位寄存器即有新的二进制数字信号可供读取。读取操作完成与下一次模/数转 换开始之间至少得有 400ns 的间隔，如此才能保证有效重置跟踪锁存放大器， 使得后一次的转换达到最优效果。5v 条件下，如果串行时钟为最高频率 10mhz，则 ad7896 的工作带宽相当于 100khz,(一次完成的总时间为 l0us)。 读取操作时间总共包含 16 个时钟脉冲，单片机通过数据线 sdata 从 ad7896 的输出移位寄存器读取数据。在 16 个周期后，移位寄存器被重置而 sdata 线也被置为三态。如果在 16 个周期后串行时钟仍未停止，则移位寄存 器状态将发生改变。不过，在下一次 convst 脉冲下降沿到来时，移位寄存器 仍要被重置一次以确保模数转换期间整个器件处于可知的状态。 工作模式 模式 1(高速采样模式) convst 上的脉冲下降沿使模/数转换开始并且令跟踪锁存放大器进入锁存 状态。整个下降沿同时也导致 busy 引脚上出现高电平，这个电平信号说明此 时 adc 正在进行模/数转换。转换完成后 busy 变为低电平，告知数字信号可 以从输出移位寄存器中读出，此时距 convst 上的下降沿到来最多不超过 8us。而的 a/d 转换动作由引脚的脉冲沿触发，在脉冲下降沿到来时，片上的 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 21 跟踪锁存器开始进入锁存状态，继而进入 a/d 转换时序。读取操作通过 sdata 访问数据，整个读取时间包含 16 个串行时钟周期。 模式 2(自动休眠模式) 模式 2 中整个器件在一次模数转换完成后 busy 为低电平时进入休眠状态， 而在下一次转换前被“唤醒” 。这种模式的实现是靠 convst 在转换完成后一 直保持低电平完成的，而在模式 1 中，a/d 完成后该引脚为高电平。convst 上的上升沿唤醒器件，这个时间为 6us，此时跟踪锁存放大器进入锁存状态。 加上下降沿到来后 8us 的 a/d 转换时间，整个时间为 16us。当 busy 进入低电 平，则说明转换完成。 实际上 convst 引脚的脉冲宽度可以大于 8us，因为只有在下降沿到达该 引脚时，跟踪锁存放大器才进入锁存状态。convst 引脚上的负跳变是整个芯 片工作的开始信号，而 busy 的电平是 a/d 转换结束与否的唯一标志。即便芯 片处在休眠期中，数据同样可以被读出。这种工作模式非常适合用在低速率、 低功耗的场合，相对于模式 1 具有很高的灵活性。 串行接口 ad7896 的串行接口包含三条线:串行时钟输入(sclk)，串行数据输出 (sdata)，转换状态输出(busy)。这种三线接口使得 ad7896 非常容易与其它 器件进行连接，如单片机，dsp 以及移位寄存器。图 4.2.6 说明了从 ad7896 中 读取数据的时序。在每一个 sclk 脉冲的下降沿，sdata 引脚将扇出一位数 据起首四位数据都是零，之后是 12 位有效数据，以 msb(最高有效位)db 11 开 头，在倒数第二个脉冲下降沿扇出最后一位 lsb(最低有效位)dbo，在最后一 个 sclk 脉冲下降沿时 lsb 仍将保持有效以便能被正确读出，延时 t6 时间之 后 sdata 线输出被禁止即处于三态(高阻)。读取周期完成即第 16 个脉冲下降 沿之后 sclk 应保持低电平，否则数据线 sdata 将不再保持三态，仍可以从 移位寄存器中扇出数据。如果串行时钟能在下一个 convst 脉冲下降沿到来之 前停止，则 ad7896 就可以在 convst 下降沿到来时重置移位寄存器保证持续 正确地进行读取操作，然而重要的是当 convst 为低电平时，sclk 必须也为 低电平以确保移位寄存器能被正确重置。 通过串口读取数据的时候并不要求串行输入时钟一定连续，ad7896 产生 的 16 位数字信号允许以多字节读出，不过在两字节之间 sclk 应保持低电平 ad7896 对每一个 sclk 脉冲沿进行计数，从而确定移位寄存器将哪一位数据 送 到 sdata 线上。为了不使器件丢失同步，串行时钟计数器在每一个 convst 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 22 下降沿都被置位，此时 sclk 线保持低电平，这就要求在串口进行数据读取操 作 的时候不能有 convst 脉冲下降沿到来。 4.3 电路连接与控制程序 ad7896 通过三线串行接口能与大多数 dsp 处理器以及微控制器的串行端 口进行连接，转换后二进制数据的读取操作是依靠外部串行时钟完成的，因此 在这类系统中 ad7896 与微控制器或 dsp 处理器组成了一个主/从结构，其中 ad7896 居于从属地位。 图 4-3-1 示出了 ad7896 与 8x51/l51 系列微处理器的连接。在这个系统中， 8x51/l51 微处理器的 dart 工作模式必须设置为 mode 0。如果在一个系统中， 与 51 单片机连接的 ad7896 多于一个，那么为了片选其中一个，须令单片机 i/o 口的某一位作为片选信号线。只需将该 i/o 口的输出与 sclk 作与操作就能 完成片选功能，选中与之对应的 ad7896，如要选择某一个 ad7896 芯片就将 与之对应的 i/o 口置位高电平，否则为低。 p1.2 or int1 8x51/l51 p3.0 p3.1 busy ad7896 sdata sclk 图 4-8 ad7896 与 51 系列单片机的连接 模/数转换完成与否的标志是 busy 引脚的电平是否为低，在上图中看到 ad7896 的 busy 线与 51 单片机的 p1.2 相连，因此 busy 的电平状态就能被 单 片机获知。 在 51 单片机与 ad7896 组成的系统中，串行时钟频率等于 fosc/12(此时 uart 工作于模式 0)，因此极大的限制了串口上读取数据的速率，尽管 ad7896 的数据输出速率可以快的多。因此读取操作所耗费的时间要远远大于 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 23 模/数转换所耗费的时间，无法体现出高速率的能力。 结 论 气体检测在环境保护和工业应用方面都有重要价值。由于红外区的特点， 用红外吸收法在这个波段探测气体是一种可行的，优点明显的测量方法，与传 统的湿化学法相比，它具有反应时间短，操作简单，精度高等特点。本文着重 阐述了应用红外吸收法设计一种新型便捷的气体检测仪的总体思路，并详细介 绍了系统的整体结构及工作原理。 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 24 参考文献参考文献 1 张叔良,易大年,吴天明.红外光谱分析与技术.中国医药科技出版社,1993 2 叶嘉雄,常大定等.光电系统与信号处理.科学出版社，1997. 3 类玉堂,王庆有等