【文章內(nèi)容簡介】 氣體傳感器主要可以 分為金屬氧化物半導體式傳感器、固體電解質(zhì)傳感器、紅外式傳感器等，一般的半導體傳感器測量時受環(huán)境影響較大，輸出線性不穩(wěn)定；電解式氣體傳感器氣體的重復性比較差；紅外線吸收散射式氣體傳感器靈敏度高，可重復性好，響應時間快，考慮到系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和經(jīng)濟性選擇采用紅外二氧化碳傳感器 6004。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計 說明 書 8 紅外二氧化碳傳感器的工作原理 本課題所選用的二氧化碳傳感器是美國 telaire 公司生產(chǎn)的紅外二氧化碳傳感器6004，此傳感器基于氣體對紅外光吸收的郎伯 比爾吸收定律，采用國際上最新的電調(diào)制紅外光源、高靈敏度濾光傳 感一體化紅外傳感器、高精度前置放大電路、可拆卸式鍍膜氣室等，實現(xiàn)不同濃度、氣體的高精度連續(xù)檢測。其測量精度：二氧化碳濃度相對誤差 2%；檢測重復性 1%；測量范圍：二氧化碳濃度 0～ 5%。 ： 當紅外光通過待測氣體時，這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收作用，其吸收關(guān)系服從朗伯 比爾吸收定律。設入射光是平行光，其強度為 錯誤 !未找到引用源。 ，出射光的強度為 錯誤 !未找到引用源。 ，氣體介質(zhì)的厚度為 錯誤 !未找到引用源。 ．當由氣體介質(zhì)中的分子數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 的吸收 所造成的光強減弱為 錯誤 !未找到引用源。時，根據(jù)朗伯 比爾吸收定律： 錯誤 ! 未找到引用源。 （ ） 式中 K 為比例常數(shù)。 經(jīng)積分得： 錯誤 ! 未找到引用源。 （ ） 式中： 錯誤 !未找到引用源。 為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù)； 錯誤 !未找到引用源。 為積分常數(shù)。 顯然，有： 錯誤 !未找到引用源。 式中 錯誤 !未找到引用源。 為氣體濃度。 則式（ ）可寫成： 錯誤 !未找到引用源。 （ ） 式（ ）表明：光強在氣體介質(zhì)中隨濃度 錯誤 !未找到引用源。 及厚度 錯誤 !未找中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計 說明 書 9 到引用源。 按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于氣體特性，各種氣體的吸收系數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 互不相同。對同一氣體， 錯誤 !未找到引用源。 隨入射波長而變。若吸收介質(zhì)中含 錯誤 !未找到引用源。 種吸收氣體，則式（ ）應改為 錯誤 !未找到引用源。 （ ） 因此對于多種混合氣體，為了分析特定組分，應該在傳感器或紅外光源前安裝一個適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號變化只反映被測氣體濃度變化。 圖 NDIR 紅外氣體分析示意圖 圖 為 NDIR 紅外氣體分析原理圖。分析二氧化碳氣體時，紅外光源發(fā)射出 1～ 20錯誤 !未找到引用源。 的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經(jīng)過一個 錯誤 !未找到引用源。 波 長的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監(jiān)測透過 !未找到引用源。波長紅外光的強度，以此表示二氧化碳氣體的濃度。 A/D 轉(zhuǎn)換器及其接口電路 接口是計算機與外部設備交換信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。單片機接口技術(shù) 【 18】 是研究單片機與外部芯片之間如何交換信息的技術(shù)，外部的各種信息通過輸入接口送入單片機，而單片機的各種信息通過輸出接口送到外部芯片中，因此單片機需要通過信息轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)信息的交流與控制。人們把由模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器件（ Analog to Digital Converter） 稱為模擬 — 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC；把由數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換的器件（ Digital to Analog Converter）稱為數(shù)字 — 模擬轉(zhuǎn)中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計 說明 書 10 換器，簡稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或 DAC。 常用的 A/D 轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近式和雙斜積分式，前者轉(zhuǎn)換時間短，但抗干擾能力差；后者轉(zhuǎn)換時間長，抗干擾能力較強。因此在信號變化緩慢，現(xiàn)場干擾嚴重的場合，易采用雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器。 在常用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片（如 ADC080 ADC083 ICL7109 等）中， ADC0832 與其余幾種有所不同， ADC0832 是 美國國家半導體公司 生產(chǎn)的一種 8 位分辨率 、 雙通道 A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎 ，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學習并使用 ADC0832 可是使我們了解 A/D 轉(zhuǎn)換器 的原理，有助于我們單片機技術(shù)水平的提高。 因此它廣泛應用在速度要求不高，而精度要求較高的各種領(lǐng)域中。本文用單片機的串行方式采集 ADC0832 的數(shù)據(jù) 【 19】 。 圖 ADC0832 封裝以及各端子 。 圖 ADC0832 封裝以及各端子 ADC0832 的主要 特點 及管腳 ADC0832 的主要 特點 有： 178。 8 位分辨率 ； . 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計 說明 書 11 178。 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換； 178。 輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容； 178。 5V 電源供電時輸入電壓在 0~5V 之間； 178。 工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為 32μS ； 178。 一般功耗僅為 15mW； 178。 8P 、 14P— DIP（雙列直插）、 PICC 多種封裝； 178。 商用級芯片溫寬為 0176。C to +70176。C ，工業(yè)級芯片溫寬為 ?40176。C to +85176。C ； 芯片接口說明： 178。 CS 片選 使能，低電平芯片使能。 178。 CH0 模擬輸入通道 0，或作為 IN+/使用。 178。 CH1 模擬輸入通道 1，或作為 IN+/使用。 178。 GND 芯片參考 0 電位（地）。 178。 DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。 178。 DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)輸出 。 178。 CLK 芯片時鐘輸入。 178。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。 ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達 256 級，可以適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32μS ，據(jù)有雙 數(shù)據(jù)輸出 可作為 數(shù)據(jù)校驗 ，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計 說明 書 12 ADC0832 與單片機的接口電路 ： 圖 ADC0832 與單片機的接口 電路 ADC0832 為 8位分辨率 A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達 256級，可以適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32μ S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。 單片機對 ADC0832 的控制原理： 正常情況下 ADC0832 與單片機的接口應為 4條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、 CLK、 DO、 DI。但由于 DO端與 DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將 DO和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。（見圖 ）當 ADC0832未工作時其 CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用， CLK 和 DO/DI 的電平可任意。當要進行 A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端 CLK 輸入時鐘脈沖， DO/DI端則使用 DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第 1 個時鐘脈沖的下沉之前 DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計 說明 書 13 3個脈沖下沉之前 DI端應輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項見表 1。 表 1 如表 1所示，當此 2位數(shù)據(jù)為“ 1”、“ 0”時，只對 CH0 進行單通道轉(zhuǎn)換。當 2位數(shù)據(jù)為“ 1”、“ 1”時，只對 CH1進行單通道轉(zhuǎn)換。當 2 位數(shù)據(jù)為“ 0”、“ 0”時，將 CH0作為正輸入端 IN+， CH1作為負輸入端 IN進行輸入。當 2 位數(shù)據(jù)為“ 0”、“ 1”時，將CH0作為負輸入端 IN， CH1 作為正輸入端 IN+進行輸入。到第 3 個脈沖的下沉之后 DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后 DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出 DO進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) 的讀取。從第 4個脈沖下沉開始由 DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 DATA7，隨后每一個脈沖下沉 DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第 11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11個字節(jié)的下沉輸出 DATD0。隨后輸出 8位數(shù)據(jù)，到第 19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了。更詳細的時序說明請見表 2。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計 說明 書 14 表 2 作為單通道模擬信號輸入時 ADC0832的輸入電壓是 0~5V且 8位分辨率時的電 壓精度為 。如果作為由 IN+與 IN輸入的輸入時，可是將電壓值設定在某一個較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進行 IN+與 IN的輸入時，如果 IN的電壓大于 IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為 00H。 ADC0832 芯片接口程序的編寫： 為了高速有效的實現(xiàn)通信，我們采用匯編語言編寫接口程序。由于 ADC0832 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間僅為 32μ S，所以 A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采樣頻率可以很快，從而也保證的某些場合對A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)實時性的要求。數(shù)據(jù)讀取程序以子程序調(diào)用的形式出現(xiàn)，方 便了程序的移植。程序占用資源有累加器 A，工作寄存器 R7,通用寄存器 B 和特殊寄存器 CY。通道功能寄存器和轉(zhuǎn)換值共用寄存器 B。在使用轉(zhuǎn)換子程序之前必須確定通道功能寄存器 B 的值，其賦值語句為“ MOV B,data”（ 00H~03H）。運行轉(zhuǎn)換子程序后的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值被放入 B 中。子程序退出后即可以對 B 中數(shù)據(jù)處理。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計 說明 書 15 圖 ADC0832 數(shù)據(jù)讀取程序流程： 串行通信接口設計 MCS52 單片機內(nèi)部有一個全雙工的串行通信口，即串行接收和發(fā)送緩沖器（ SBUF），這兩個在物理上獨立的接收發(fā)送器，既可 以接收數(shù)據(jù)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)。但接收緩沖器只能讀出不能寫入，而發(fā)送緩沖器則只能寫入不能讀出，它們的地址為 99H。這個通信口既可以用于網(wǎng)絡通信，亦可實現(xiàn)串行異步通信，還可以構(gòu)成同步移位寄存器使用。如果在串行口的輸入輸出引腳上加上電平轉(zhuǎn)換器，就可方便地構(gòu)成標準的 RS232 接口 【 19】【 20】 。 RS232 簡介 RS232C 是美國電子工業(yè)協(xié)會（ EIA）正式公布的，在異步串行通信中應用最廣的標中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計 說明 書 16 準總線。適用于終端設備（ DTE）和數(shù)據(jù)通信設備（ DCE）之間的接口。最高數(shù)據(jù)傳送速率可達 ，最長傳 送電纜可達到 15 米。 RS232 標準定義了 25 根引線，對于一般的雙向通信，只需使用串行輸入 RXD，串行輸出 TXD 和地線 GND， RS232 標準的電平采用負邏輯，規(guī)定 +3V～ +15V 之間的任意電平為邏輯 0 電平 ,3V～ 15V 之間的任意電平為邏輯 1 電平，與 TTL 和 CMOS 電平是不同的。在接口電路和計算機接口芯片中大都是TTL/CMOS 電平，所以在通信時，必須進行電平轉(zhuǎn)換，以便與 RS232 標準的電平匹配。MAX232C 芯片可以完成電平轉(zhuǎn)換這一工作。 MAX232C 芯片是 MAXIM 公司生產(chǎn)的低功耗，單電源雙 RS232 發(fā) 送 /接受器。 MAX232C 芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V 電源變換為 RS232 輸出電平所需要的177。 10V 電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的 +5V 電源即可。 MAX232C 外圍需要 4 個電解電容 C1， C2， C3， C4，它們是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為 1μ F/16V，選用鉭電容并且應盡量靠近芯片； C5為 F 的去藕電容。 MAX232C 的引腳 T1IN， T2IN， R1OUT， R2OUT 為接 TTL/CMOS 電平的引腳，引腳 T1OUT， T2OUT， R1IN， R2IN 為接 RS232C 電平 的引腳，因此 TTL/CMOS 電平的 T1IN， T2IN 引腳應接 MCS51 的串行發(fā)送引腳 TXD； R1OUT， R2OUT 應接 MCS51 的串行接收引腳 RX