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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 The Design on Noxious Gas Detecting System Based on Mid-Inrfared LED 作者:任广禄 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: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 system?data collecting system?Control 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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 技术及仪器概述 .............................................................. 1 1.2.2气体检测的红外光谱法 .................................................................. 1 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 ..................................................................................................... 15 4.1直流信号放大电路 ................................................................................... 16 4.2模/数转换芯片AD7896 ............................................................................ 17 4.3 电路连接与控制程序............................................................................... 22 结 论 ...................................................................................................................... 23 参考文献 ................................................................................................................ 24 致 谢 ...................................................................................................................... 26 I 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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 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 1 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 (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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 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>d 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V和暗电阻R可以确定负载电阻R的阻值。信号从A点取出，送BdL 到直流信号放大器。 7 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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。 ADG608 PULSEDS1 LED1EN D+5MC14520 CLKQ0A0 ENA1Q1 A2Q2D+5 S7RQ3ResetLED2 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。 8 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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C>1000pF时，Tw=0.45×R×C，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。 VRCVccVcc Rext 0.1uFCext VCextRextccPoutCextCLRQ B? LS 123 in P ??51ΩGNDQA 9 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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 CODE区，用来存放可执行代码。16位寻址空 题。第一个存储空间是代码段即 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 10 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 T1 R1 SMO, SM1:串口工作方式控制位。 SM2:多机通信控制位仁(方式2, 3). 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 SMOD GF1 GF0 PD IDL 11 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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。 (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 12 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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 EA ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 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 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE1 IT0 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 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。 13 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 AT89C52+5 P10 P11 P12 P13 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。图中的电位器 用来调节LCD的显示亮度和对比度。 AT89C52 DATAP1.5 WRP1.6 CSP1.7 LCM141 +5 图3-4 LCM141与AT89C52的接口电路 14 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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VINP27BUSY SDATAP30/RxD CONSCLKP31/TxD外部脉冲经脉宽 调制后作转换起74LS04 始信号P32/INTOPULSEAD7986 P24Reset AT89C52 图4-2 模数转换与单片机连接电路原理图 15 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 4.1直流信号放大电路 在下图所示的探测器偏置电路中，V处电压就是我们所要提取及处理的信 0 RLV0 A Rd 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管 脚示意图。 1OutputVCC8 - 1Output 272 + Inputs{ 63- Inputs 22}+ VEE45 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。 16 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 A+RfR1 A+ R2 -V0 +LM833直流小信号 A+ 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R，R，R的电阻值，满足了将小电压信号f1011 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 17 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 “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 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。 VinBUSY18 VDDAD7896CONVST27 AGNDDGND36 SCLKSDATA45 图4-6 AD7896管脚示意图 VDD AD7896 TRACK-AND-HOLD VIN12-BIT- ADC CONVSTOUTPUT REGISTERCLOCKCLOCK AGNDDGNDBUSYSCLKSDATA 图4-7 AD7896内部结构图 18 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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V接2.7V-5.5V的条件下，AD7896 DD 接受电压范围在0V-V间的模拟输入信号，同时电源V也作为A/D转换时的DDDD 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V，V引脚将模拟输入直接送至片DDIN 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 19 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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 20 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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 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。 BUSYP1.2ORINT1 8X51/L51AD7896 SDATAP3.0 SCLKP3.1 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模/数转换所耗费的时间，无法体现出高速率的能力。 21 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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。 22 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 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.光电检测技术.中国计量出版社，1997. [4] 刘方,王瑞斌等.中国环境空气质量监测现状与发展，中国环境监测，2004， 35-41. [5] 曹勤,刘砚华等.我国室内空气污染状况及防止建议，中国环境监测，2003， 67-72. [6] 费国云.煤矿瓦斯煤尘爆炸原因和防治对策.矿业安全与环保，2002，4一6. [7] 陈捷光,范世福.光学式分析仪器.机械工业出版社，1988. [8] 万峰.采用AOTF技术的红外单色系统的设计与原理.天津:天津大学，2001. [9] 李小霞.在线声光可调谐红外光谱测量系统的原理与设计.天津:天津大学 2002. [10] 范世福.光谱技术和仪器的新发.光谱仪器与分析，2000，12-17. [11] 王复兴.红外线气体分析仪的发展趋势.分析仪器，1996，2-14. [12] Nanoindentation sutdies of MOVPE grown GaAs/InP heterosturcutres， N.S.Lwason,A.Krie,rGAttolini&C.Pelosi,MaterialsChemistyr&pD.Arivuoli, hysics,2000, 207-212. [13] HighPower4.6 um LED′sfor CO detection grown by LPE using rare eahrth Gettering,A.Krie,rH.Gao,VSherstne,vYu.Yakovlev.ElectronicsLetters,199 9. [14] Light sources for wvaelengths>2um grown by MBE on InP using strain relxaedbueff，A.krier、D. Chubb,M.HoPkinson,GHill&5.E.Krier，Presented atMid-inrfared Optoelectronics Conefrence MIOMD 98Prague,IEE Proc.Optoelectronics145,1998，292-296. [15] CamagniP,SandroniS,Optical Remote Sensing of AirPollutionElsevier， 1984. [16] 张文福,红外探测器技术的新趋势,红外与激光工程,1994-12-27. [17]G.CMalliaras,J.R.Salem,p.J.Brock,etalphotovoltaicMeasurementofthe built-in Potential in ogranic light emitting diodes and Photodiodes,J.APPI.Phys.,1998，84(3):1583一1587. [18] ichard H.Bube，photoeletronic proPerties of Semiconductors， CambridgeUniversity Press，Great Britain，1992. [19] 齐不智等，光敏感器件及其应用，科学出版社，1987. 23 天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计 [20] InAssb/InAssbp light emitting diodes for detection of CO and CO2 at roomemPeruatre,HH.Gao,A.Krier&VSherstne,J.Phys.D:APPI.Phys.32.1999，1768一1772. [21] 杭世平，空气中有害物质的测定方法，人民卫生出版社，1986. [22] Sadtler Research Laboratorie,Inc.Sadtler Standard Inrfared Grating pectra,1976, 41一42. S [23] S.M.Sze,John Wiley&Sons.physics of Semiconductor Devices.Inc一NeWYork,1981. [24] 林理忠,宋敏.微弱信号检测学导论.中国计量出版社，1997 [25] 高光天.电源正负限运算放大器的原理及应用.电子技术应用,1998，57一59. [26] 何立民.MCS一51系列单片机应用系统设.北京航空航天大学出版社，1990. 24 26