王利平 章志鋒 郭文斌 周軍太 吳衛(wèi)東

（川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶錄井公司，陜西 西安 710000）

引言

紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)采用新型電調(diào)制光源產(chǎn)生的紅外光通過(guò)氣室，當(dāng)氣室中流過(guò)含有一定濃度烴類氣體時(shí)，經(jīng)紅外探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸出μV級(jí)的與氣體濃度成一定關(guān)系的電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)高精密放大整流電路的放大，濾波和A/D轉(zhuǎn)換，讀入單片機(jī)，利用單片機(jī)對(duì)輕烴、重?zé)N、CO2的信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)串口送入PC機(jī)計(jì)算出氣體濃度。在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統(tǒng)，使得儀器在體積、功耗、性能、價(jià)格上具有以往儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)以W77E058單片機(jī)為核心，由它控制紅外發(fā)光管的供電和發(fā)光頻率，MAX197的A/D轉(zhuǎn)換頻率，串口通訊。系統(tǒng)主要由紅外氣體傳感器、信號(hào)放大板、采集控制板三大部分組成。

1.1 紅外氣體測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

紅外氣體測(cè)量系統(tǒng)由樣品泵、恒溫氣室、紅外探測(cè)器以及紅外光源四大部分組成，紅外探測(cè)器是紅外氣體測(cè)量系統(tǒng)的核心部件。當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí),這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收,光強(qiáng)在氣體介質(zhì)中隨濃度及厚度按指數(shù)規(guī)律衰減，其吸收關(guān)系服從朗伯--比爾 (Lambert-Beer)吸收定律。紅外探測(cè)器就是根據(jù)這一定律設(shè)計(jì)而成。由于輕烴、重?zé)N、CO2三種氣體的吸收峰波長(zhǎng)不同，本系統(tǒng)中采用高靈敏度紅外傳感器TPS4339，在其封裝上固定安裝有針對(duì)這三種氣體的窄帶干涉濾光片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的測(cè)量。

紅外光源采用IR55高頻電調(diào)制紅外光源,它提供穩(wěn)定、高效的帶內(nèi)紅外光發(fā)射，波段2-20μm，1.7cm拋物面反射器封裝，最大化地增強(qiáng)了軸向光功率，改善了到達(dá)探測(cè)器的信號(hào)，比其它光源具有更好的優(yōu)勢(shì)。

恒溫氣室由恒溫箱、溫控器、加熱棒、PT100組成。由于被分析氣體成分復(fù)雜，具有一定的腐蝕性，如SO2﹑NOx等，長(zhǎng)時(shí)間使用后氣室極易被污染，直接影響測(cè)量精度，因此恒溫氣室采用氣室與外支撐分離的結(jié)構(gòu)。另外，紅外探測(cè)器輸出信號(hào)受溫度影響很大，恒溫氣室可以有效的使氣室內(nèi)溫度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，采用軟件溫度補(bǔ)償算法和硬件恒溫控制雙重技術(shù)，達(dá)到消除溫度變化引起的信號(hào)變化。

1.2 放大電路模塊設(shè)計(jì)

紅外探測(cè)器接收紅外光產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，極易受外界的干擾，因此穩(wěn)定可靠的放大電路是關(guān)鍵。信號(hào)放大板采用負(fù)反饋放大電。電路中使用AD8552作為主要的運(yùn)算放大器，紅外探測(cè)器的μv級(jí)信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后輸出一個(gè)20mv左右的電壓值，再經(jīng)過(guò)二級(jí)放大輸出小于5V的電壓信號(hào)。

1.3 采集控制電路模塊設(shè)計(jì)

采集控制板主要有W77E058單片機(jī)，MAX197AD轉(zhuǎn)換芯片，MAX232串口通訊芯片組成。采集電路中將MAX197的八位數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的P0口相連，用于寫(xiě)控制字和讀數(shù)據(jù)；HBEN與P21相連，控制讀數(shù)據(jù)的高四位或低八位；經(jīng)放大后的電壓信號(hào)，進(jìn)入MAX197的模擬信號(hào)輸入端CH0～CH3，分別采集輕烴、重?zé)N、CO2及溫度電壓值。單片機(jī)通過(guò)P20腳給MAX197一個(gè)片選信號(hào)，寫(xiě)控制字產(chǎn)生一個(gè)WR脈沖，開(kāi)始采集。AD轉(zhuǎn)換結(jié)束并且結(jié)果有效時(shí)，MAX197的INT端變?yōu)榈碗娖街敝翑?shù)據(jù)被讀取。等待MAX197的INT腳給出采集結(jié)束信號(hào)，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。采集控制電路原理圖如下所示：

圖采集控制電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)的軟件采用基于單片機(jī)的C語(yǔ)言編寫(xiě)。主要包括數(shù)據(jù)采集和串口通訊軟件設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)中對(duì)紅外探測(cè)器輸出電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)數(shù)據(jù)通信方式將采集到的電壓值送到PC機(jī)。MAX197選用內(nèi)部參考電壓模式，使用MAX197的內(nèi)部時(shí)鐘作為采集轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘，模擬信號(hào)輸入量程選擇為0～5V，使用內(nèi)部采集方式，MAX197控制字為0X40。

MAX197的控制字開(kāi)始寫(xiě)操作時(shí)就開(kāi)始轉(zhuǎn)換。寫(xiě)操作將選擇多路通道,并確定MAX197的輸入范圍是單極性還是雙極性。一個(gè)寫(xiě)脈沖 (WR+CS)可以開(kāi)始一次采集,或者對(duì)采樣進(jìn)行初始化并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。

2.2 串口通訊程序設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)使用MAX232芯片進(jìn)行串口電平轉(zhuǎn)換。單片機(jī)串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置單片機(jī)允許串口中斷。當(dāng)單片機(jī)通過(guò)串口接收到采集允許信號(hào)后，系統(tǒng)進(jìn)行一輪采集，并把數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。

2.3 單片機(jī)數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)

模擬輸入信號(hào)中，一般均含有來(lái)自被測(cè)信號(hào)源本身、傳感器、外界干擾等的噪聲和干擾，為了進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制，必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪聲和干擾。對(duì)于隨機(jī)信號(hào)的干擾，采用對(duì)采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波的方法來(lái)消除干擾，其方法是連續(xù)若干次采樣再求其平均值作為最終結(jié)果。另外，在程序中讓其中一道接地，取其值作為基準(zhǔn)，消除地對(duì)信號(hào)的干擾。

結(jié)束語(yǔ)

本文主要論述采用紅外氣體傳感器，W77E058單片機(jī)和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX197設(shè)計(jì)的紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)。詳細(xì)給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想、硬件及軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，介紹了單片機(jī)數(shù)字濾波技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。此系統(tǒng)具有精度高、轉(zhuǎn)換速度快、程序簡(jiǎn)單，硬件電路簡(jiǎn)單，成本低廉。為了有效發(fā)揮這種方法的作用，我們還將繼續(xù)學(xué)習(xí)和研究。

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