【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 氣體傳感器主要可以 分為金屬氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體傳感器測(cè)量時(shí)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(fù)性比較差；紅外線吸收散射式氣體傳感器靈敏度高，可重復(fù)性好，響應(yīng)時(shí)間快，考慮到系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性選擇采用紅外二氧化碳傳感器 6004。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明 書(shū) 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(guó) 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(duì)紅外光吸收的郎伯 比爾吸收定律，采用國(guó)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(shí)現(xiàn)不同濃度、氣體的高精度連續(xù)檢測(cè)。其測(cè)量精度：二氧化碳濃度相對(duì)誤差 2%；檢測(cè)重復(fù)性 1%；測(cè)量范圍：二氧化碳濃度 0～ 5%。 ： 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)的紅外光有吸收作用，其吸收關(guān)系服從朗伯 比爾吸收定律。設(shè)入射光是平行光，其強(qiáng)度為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，出射光的強(qiáng)度為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，氣體介質(zhì)的厚度為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ．當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的吸收 所造成的光強(qiáng)減弱為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。時(shí)，根據(jù)朗伯 比爾吸收定律： 錯(cuò)誤 ! 未找到引用源。 （ ） 式中 K 為比例常數(shù)。 經(jīng)積分得： 錯(cuò)誤 ! 未找到引用源。 （ ） 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù)； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為積分常數(shù)。 顯然，有： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 式中 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為氣體濃度。 則式（ ）可寫(xiě)成： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ ） 式（ ）表明：光強(qiáng)在氣體介質(zhì)中隨濃度 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 及厚度 錯(cuò)誤 !未找中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明 書(shū) 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(cuò)誤 !未找到引用源。 互不相同。對(duì)同一氣體， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 隨入射波長(zhǎng)而變。若吸收介質(zhì)中含 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 種吸收氣體，則式（ ）應(yīng)改為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ ） 因此對(duì)于多種混合氣體，為了分析特定組分，應(yīng)該在傳感器或紅外光源前安裝一個(gè)適合分析氣體吸收波長(zhǎng)的窄帶濾光片，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測(cè)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?xì)怏w時(shí)，紅外光源發(fā)射出 1～ 20錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的紅外光，通過(guò)一定長(zhǎng)度的氣室吸收后，經(jīng)過(guò)一個(gè) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 波 長(zhǎng)的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監(jiān)測(cè)透過(guò) !未找到引用源。波長(zhǎng)紅外光的強(qiáng)度，以此表示二氧化碳?xì)怏w的濃度。 A/D 轉(zhuǎn)換器及其接口電路 接口是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備交換信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。單片機(jī)接口技術(shù) 【 18】 是研究單片機(jī)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(guò)輸入接口送入單片機(jī)，而單片機(jī)的各種信息通過(guò)輸出接口送到外部芯片中，因此單片機(jī)需要通過(guò)信息轉(zhuǎn)換器件實(shí)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(jiǎn)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(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明 書(shū) 10 換器，簡(jiǎn)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(shí)間短，但抗干擾能力差；后者轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，抗干擾能力較強(qiáng)。因此在信號(hào)變化緩慢，現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重的場(chǎng)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)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(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎 ，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)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(jī)技術(shù)水平的提高。 因此它廣泛應(yīng)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(jī)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(diǎn) 及管腳 ADC0832 的主要 特點(diǎn) 有： 178。 8 位分辨率 ； . 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明 書(shū) 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(shí)輸入電壓在 0~5V 之間； 178。 工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)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(jí)芯片溫寬為 0176。C to +70176。C ，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為 ?40176。C to +85176。C ； 芯片接口說(shuō)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(hào)輸入，選擇通道控制。 178。 DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)輸出 。 178。 CLK 芯片時(shí)鐘輸入。 178。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。 ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá) 256 級(jí)，可以適應(yīng)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(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32μS ，據(jù)有雙 數(shù)據(jù)輸出 可作為 數(shù)據(jù)校驗(yàn) ，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)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(guò) DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明 書(shū) 12 ADC0832 與單片機(jī)的接口電路 ： 圖 ADC0832 與單片機(jī)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(dá) 256級(jí)，可以適應(yīng)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(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32μ S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)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(guò)DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。 單片機(jī)對(duì) ADC0832 的控制原理： 正常情況下 ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)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(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將 DO和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。（見(jiàn)圖 ）當(dāng) ADC0832未工作時(shí)其 CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用， CLK 和 DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，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(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入時(shí)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(hào)。在第 1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前 DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明 書(shū) 13 3個(gè)脈沖下沉之前 DI端應(yīng)輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項(xiàng)見(jiàn)表 1。 表 1 如表 1所示，當(dāng)此 2位數(shù)據(jù)為“ 1”、“ 0”時(shí)，只對(duì) CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng) 2位數(shù)據(jù)為“ 1”、“ 1”時(shí)，只對(duì) CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為“ 0”、“ 0”時(shí)，將 CH0作為正輸入端 IN+， CH1作為負(fù)輸入端 IN進(jìn)行輸入。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為“ 0”、“ 1”時(shí)，將CH0作為負(fù)輸入端 IN， CH1 作為正輸入端 IN+進(jìn)行輸入。到第 3 個(gè)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(kāi)始利用數(shù)據(jù)輸出 DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) 的讀取。從第 4個(gè)脈沖下沉開(kāi)始由 DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉 DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第 11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11個(gè)字節(jié)的下沉輸出 DATD0。隨后輸出 8位數(shù)據(jù)，到第 19 個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)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(jìn)行處理就可以了。更詳細(xì)的時(shí)序說(shuō)明請(qǐng)見(jiàn)表 2。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明 書(shū) 14 表 2 作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí) ADC0832的輸入電壓是 0~5V且 8位分辨率時(shí)的電 壓精度為 。如果作為由 IN+與 IN輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在某一個(gè)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(jìn)行 IN+與 IN的輸入時(shí)，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(xiě)： 為了高速有效的實(shí)現(xiàn)通信，我們采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)接口程序。由于 ADC0832 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)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(chǎng)合對(duì)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(yǔ)句為“ MOV B,data”（ 00H~03H）。運(yùn)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(duì) B 中數(shù)據(jù)處理。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明 書(shū) 15 圖 ADC0832 數(shù)據(jù)讀取程序流程： 串行通信接口設(shè)計(jì) MCS52 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(gè)在物理上獨(dú)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(xiě)入，而發(fā)送緩沖器則只能寫(xiě)入不能讀出，它們的地址為 99H。這個(gè)通信口既可以用于網(wǎng)絡(luò)通信，亦可實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的 RS232 接口 【 19】【 20】 。 RS232 簡(jiǎn)介 RS232C 是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ EIA）正式公布的，在異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明 書(shū) 16 準(zhǔn)總線。適用于終端設(shè)備（ DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（ DCE）之間的接口。最高數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá) ，最長(zhǎng)傳 送電纜可達(dá)到 15 米。 RS232 標(biāo)準(zhǔn)定義了 25 根引線，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的電平采用負(fù)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(jì)算機(jī)接口芯片中大都是TTL/CMOS 電平，所以在通信時(shí)，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以便與 RS232 標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(gè)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(yīng)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(yīng)接 MCS51 的串行發(fā)送引腳 TXD； R1OUT， R2OUT 應(yīng)接 MCS51 的串行接收引腳 RX