【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 入輸出端口是單片機(jī)基本界面，可以與周邊電路進(jìn)行電路控制和信號(hào)傳輸與檢測(cè)。 PIC 是 8 位的單片機(jī)，以接腳特性分組，每組盡量湊滿 8 支接腳，并將 I/O 命名為 PORTA(RA0～ RA5)、 PORTB(RB0～ 10 RB7)、 PORTC(RC0～ RC7)、 PORTD(RD0～ RD7)和 PORTE(RE0～ RE2)等，各分組接口特性說(shuō)明如下： PORTA: PIC16F877 的 PORTA 總共有 6 個(gè)位 (RA0～ RA5)， PORTA 的接腳可作為數(shù)字輸出輸入端口，而系統(tǒng)重置后， PORTA 自動(dòng)成為模擬輸入狀態(tài)，可讀取模擬輸入訊號(hào)。 PORTB: PORTB 總共有 8 個(gè)位 (RB0～ RB7)，可以撰寫(xiě)程序規(guī)劃輸入輸出方向、狀態(tài)，其中，要進(jìn)行燒錄時(shí)，使用到三支接腳，分別是 Pin36(RB3/PGM)、Pin39(RB6/PGC)與 Pin40(RB7/PGD)。 PORTC: PORTC 總共有 8 個(gè)位 (RC0～ RC7)，除了可作為數(shù) 字 I/O 外，還和一些特殊功能的周邊電路共享接腳，例如 CCP（直流馬達(dá)控制）、 I2C、 SPI（同步串行通訊電路）、 USART（異步串行傳輸電路）等等。 PORTD: PORTD 總共有 8 個(gè)位 (RD0～ RD7)，可作一般數(shù)字 I/O，并與 PSP(Parallel Slave Port)并列傳輸接口共享。當(dāng)整體系統(tǒng)需要多單片機(jī)時(shí)，彼此可以經(jīng)由并列傳輸接口來(lái)快速傳輸資料。 PORTE: PORTE 總共有 3 個(gè)位 (RE0～ RE2)， PORTE 的 Pin 10 有三種功能，除了基本 I/O 功能，也有模擬輸入功能，而上述 PORTD 的并列傳輸接口設(shè)定所需的控制接腳，如 /RD、 /WR、 /CS 等，也是屬于 PORTE 接腳。 PIC16F877 指令簡(jiǎn)介 PIC16F877 常用的語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言與 C 語(yǔ)言兩種，匯編語(yǔ)言是 將每一 個(gè)機(jī)器碼使用一個(gè)文字代號(hào)代表，比較接近處理器真正動(dòng)作模式 ， 而 C 語(yǔ)言是比較符合人們的使用習(xí)慣，事先將匯編語(yǔ)言組合成 C 語(yǔ)言形式，使用較為方便，但是 C 語(yǔ)言所組譯的機(jī)器碼程序通常比較大，且組譯軟件通常需要額外購(gòu)買。以下簡(jiǎn)介匯編語(yǔ)言相關(guān)指令與一套 C語(yǔ)言組譯軟件。 PIC16F877 指令摘要 。 PIC 是采用 RISC（ Reduced Instruction Set 11 Computing，精簡(jiǎn)指令集），與 8051 系列采用的 CISC（ Complicated Instruction Set Computing，復(fù)雜指令集）不同， PIC16F877 所有指令指有35 個(gè)， 而 8051 卻 高達(dá) 111 個(gè)指令 。 12 第 3 章 瓦斯檢測(cè)系統(tǒng) 硬件部分設(shè)計(jì) 紅外甲烷氣體檢測(cè)的原理及紅外氣體檢測(cè)儀簡(jiǎn)介 原理 紅外吸收型甲烷檢測(cè)儀是利用不同氣體對(duì)紅外輻射有著不同的吸收光譜，吸收強(qiáng)度與氣體濃度有關(guān)的事實(shí)來(lái)檢測(cè)甲烷濃度的。紅外吸收型氣體分析檢測(cè)儀一般由紅外輻射源 (白熾燈或紅外 LED)，測(cè)量氣樣室，波長(zhǎng)選擇裝置 (濾光片 )，紅外探測(cè)裝置 (熱電探測(cè)器，熱電池 )組成。如果氣體吸收譜線在入射光譜范圍內(nèi)， 那么紅外輻射透過(guò)被測(cè)氣體后，在相應(yīng)譜線處就會(huì)發(fā)生能量的衰減，未被吸收的輻射被探頭測(cè)出，通過(guò)測(cè)量該譜線處能量的衰減量來(lái)得知被測(cè)氣體濃度 [8]。 衡量氣體吸收的基本定律為 lambertbeer 定律，其 內(nèi) 容為 :當(dāng)能量為 I0的一束單色入射光透過(guò)長(zhǎng)度為 L 的氣體吸收介質(zhì)后，在不考慮散射的情況下，其透射光強(qiáng) I可以表示為： ? ? ? ? ? ?0 CLII e ???? ?? （ 31） ??I? 一 氣 體吸收后的透射光強(qiáng)。 ? ?0I ? 一通過(guò)待測(cè)氣體前的光強(qiáng)。 ? ???一給定波長(zhǎng)的單位濃度、單位長(zhǎng)度氣體的吸收系數(shù)。 C 一待測(cè)氣體濃度。 L 一待測(cè)氣體與光相互作用的長(zhǎng)度。 由上式可知光強(qiáng) ??I? 與氣體濃度 C 、氣體吸收系數(shù) ???? 和路徑長(zhǎng)度 L 13 具有相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系 [9]。氣體的吸收系 ? ???決定于被測(cè)氣體的性質(zhì)、傳感器的結(jié)構(gòu)等，它一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法求得。被測(cè)氣體的濃度越大，氣體的吸收系數(shù)越大，氣體穿過(guò)的路徑長(zhǎng)度越長(zhǎng)，能量衰減得越厲害。路徑長(zhǎng)度是指光在氣體中的有效長(zhǎng)度，路徑長(zhǎng)度越長(zhǎng)，氣體吸收越充分 !所以穿透過(guò)氣體長(zhǎng)度為 L 的紅外輻射 I 僅僅是待測(cè)氣體 濃度 C 的單值函數(shù)，其關(guān)系如圖 31 所示 ： CI0 圖 31 lmbertbeer 定律確定的 IC 關(guān)系曲線 紅外氣體檢測(cè)儀的構(gòu)成 紅外吸收型氣體傳感器一般包括紅外光源、采樣氣室、濾光片和紅外探測(cè)器四部分 ，如圖 32。 為了減少紅外光源的背景干擾和系統(tǒng)的其它一些干擾，一般采用兩路信號(hào)通道的結(jié)構(gòu)，一路通道作為測(cè)量信號(hào)，一路通道作為參考信號(hào)。整個(gè)氣體檢測(cè)裝置的測(cè)量精度和準(zhǔn)確度等特性 能 都?xì)w功于這四個(gè)方 面的優(yōu)化設(shè)計(jì)程度。 當(dāng)紅外輻射經(jīng)過(guò)氣室照射到探測(cè)頭上時(shí)，具有特征吸收帶的濾光片過(guò)濾掉其他波長(zhǎng)的紅外輻射，只保留甲烷的吸收波長(zhǎng)，從而檢測(cè)到因甲烷吸收而有所變化的光強(qiáng)信號(hào)，再通過(guò)探測(cè)頭轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出 ； 另一個(gè)濾光片與這個(gè)濾光片不同，它對(duì)甲烷吸收的波長(zhǎng)進(jìn)行過(guò)濾而保留其他紅外波長(zhǎng)，以便檢 14 測(cè)到紅外輻射的入射光強(qiáng)，通過(guò)探測(cè)頭轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出 [11][12]。這樣對(duì)兩個(gè)引腳信號(hào)進(jìn)行作差便可以得到 I? 。這種具有兩個(gè)吸收通道的方法也就是所謂的差分式吸收。差分式 吸收 比起直接吸收 式 (指氣體吸收通道下的被測(cè)氣體直接吸收 )有很明 顯 的優(yōu)點(diǎn) :首先，差分式具有更好的抗干擾能力。直接吸收式在紅 外波長(zhǎng)抖動(dòng)，溫度發(fā)生變化和氣室中有粉塵或干擾氣體時(shí)，系統(tǒng)的檢測(cè) 光 源參 考 濾 光 片 探 測(cè) 器參 考 信 號(hào) 輸 出測(cè) 量 信 號(hào) 輸 出氣 室測(cè) 量 濾 光 片 圖 32 紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖 性能有很明顯的影響。而差分式，在同一干擾源下由于作差 (除 )的原因可以降低這種誤差帶來(lái)的影響。其次 差分式便于計(jì)算。依據(jù) lambertbeer 定律 ，在氣室長(zhǎng)度 L 已知的情況下，要想求得氣體濃度 C ，必須知道 ? ???，入射光強(qiáng) 0I 和氣體吸收后光強(qiáng) I ，這對(duì)直接吸收式來(lái)說(shuō)是有難度的。最后，差分式測(cè)量比直接吸收型精度高。因?yàn)槭?(3l)中的系數(shù) ? ???有隨機(jī)因素存在，差分式吸收可以減弱這種隨機(jī)干擾 [13]。 IR32BC IR32BC 紅外吸收型甲烷氣體傳感器 ， 其紅外光源采用白熾小燈泡 ； 紅外探測(cè)器采用熱釋電探測(cè)器 ； 測(cè)量紅外濾光片的中心波長(zhǎng)是 m，采樣 紅外濾光片的中心波長(zhǎng)是 m，兩片濾光片與探測(cè)器封裝在一起 ； 采樣氣室采用鋁合金制作，呈圓柱形，紅外光源和紅外探測(cè)器均固定在氣室的底部， 15 氣室的頂部留有讓氣體自由擴(kuò)散的小孔，紅外光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)氣室內(nèi)壁多次反射而到達(dá)探測(cè)器，在有限的空間內(nèi)增大了光程，使紅外輻射能夠被氣體充分吸收，有利于提高分辨率。 IR32BC 傳感器的基本參數(shù)如下 : .量程 :0～ 5% .目標(biāo)氣體反應(yīng) 時(shí)間 :20s .平均無(wú)故障時(shí)間 :5 年 .工作電壓 推薦 :+5V 最大 :+15V .光源工作電壓 最大電壓 :+5v(60mA) 推薦調(diào)制頻率 :4Hz， 50%占空比 .工作溫度 :10～ 50℃ .工作濕度 :0～ 100% . 探測(cè)器輸出電壓界限 氮（ 165 前置放大器增益） ： 測(cè)量通道： ～ 參考通道： ～ IR32BC 紅外吸收型甲烷氣體傳感器 的實(shí)物圖 如下 圖 33。 圖 33 IR32B 實(shí)物圖 16 紅外光源 紅外光源的選擇 為了最終獲得有效的信號(hào)，紅外光源必須 提供測(cè)量所需的足夠能量的光強(qiáng)，這樣，必須要求紅外光源在氣體強(qiáng)烈吸收紅外輻射的波段處具有較高的輻射能量。采用 IRL715 作為紅外光源， IRL715 是白熾燈，波長(zhǎng)從可見(jiàn)光到 5μ m，具有很寬的波譜，高可靠性，穩(wěn)定的輸出，短時(shí)間常數(shù)，長(zhǎng)壽命，當(dāng)工作在 5V 電源時(shí)，可達(dá) 40000 小時(shí)。 光譜圖如圖 34所示。 3 . 5 4 . 0 4 . 51 02 03 04 05 06 07 05 . 0發(fā) 射 率 %G 5 . 2G 5 . 1G 2 0C O 2C H 4波 長(zhǎng) ：μ m參 考 濾 鏡C OG 1H CG 2圖 34 IRL715 光譜 圖 注： 是測(cè)量濾光片， G20 是參考濾光片 紅外光源 驅(qū) 動(dòng) 由圖 35 可見(jiàn)， 在光線強(qiáng)度出現(xiàn)突變時(shí) (燈由滅到亮 ) ,探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生 17 明顯的變化 , 125 ms (典型值 )達(dá)到峰值 。此后若輻射光強(qiáng)維持恒定 ,則探測(cè)器輸出逐漸下降至初始值 (直流分量 )并維持不變。同樣 ,如果輻射光突然消失(燈由亮到滅 ) ,探測(cè)器輸出將產(chǎn)生與圖 35 相似但方向相反的曲線。這樣 ,如果給燈施加脈沖電壓 ,提供一個(gè)連續(xù) 的脈動(dòng)光源 ,探測(cè)器將會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的交 反 應(yīng) 時(shí) 間 1 2 5 m s紅 外 輻 射無(wú)有探 測(cè) 信 號(hào) 圖 35 紅外輻射與探測(cè)信號(hào)的變化關(guān)系 圖 變信號(hào)。由于光源關(guān)斷和開(kāi)通后 ,探測(cè)器信號(hào)達(dá)到峰值的時(shí)間約 125 ms,所以 ,最合適的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓是頻率 為 4 Hz、占空比為 50%的方波 ,此時(shí) ,探測(cè)器的輸出近似為 4 Hz 的正弦波。如圖 36 所示。為使燈絲不完全冷卻 ,脈沖驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)能提供給燈絲一定大小的涌入電流。設(shè)置關(guān)斷電壓在 0 V 以上 ,維持一個(gè)小電流流過(guò)燈絲 ,能夠減少涌入電流。如果驅(qū)動(dòng)電源不能提供涌入電流 ,則電壓波形的上升沿將變緩 ,相應(yīng)的探測(cè)器輸出信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生畸變。另外 ,當(dāng)燈絲加高電平點(diǎn)亮?xí)r燈絲需要一個(gè)臨界啟動(dòng)電壓和一定的延遲時(shí)間 ,脈沖的低電平大于 0 V,可降低啟動(dòng)電壓、減少延遲時(shí)間 ,使燈絲能在開(kāi)關(guān)狀態(tài)間快速地切換。脈沖驅(qū)動(dòng)電壓的高電平不能大于 5 V,電壓 過(guò)高 ,會(huì)燒壞燈絲 [14]。 探 測(cè) 信 號(hào)紅 外 輻 射有有有無(wú)無(wú)無(wú) 圖 36 探測(cè)信號(hào)隨紅外輻射有規(guī)律的變化 圖 18 滿足上述要求的燈絲電源驅(qū)動(dòng)電路如圖 37 所示。三端穩(wěn)壓塊 LM317 輸出 5 V左右的直流電壓 Vo。由單片機(jī)產(chǎn)生 4 Hz 的方波脈沖控制三極管 T。當(dāng)脈沖為低 電平時(shí) ,三極管 T 導(dǎo)通 , 有較小 的電流流過(guò)燈絲 , 燈絲電阻上獲得較小 的壓降 ,燈熄滅 ； 當(dāng)脈沖為高 電平時(shí) ,三極管 T 截止 ,由于燈絲回路中增加了 R12 ， 燈絲電阻上獲得較大 的壓降 ,燈被點(diǎn)亮 。實(shí)際電路中還應(yīng)在輸入輸出端增加濾波電容、考慮電 源的功耗等因素。燈絲上施加 5 V 電壓時(shí)所需的典型電流值為 60 mA。此外 , 為防止燈絲驅(qū)動(dòng)回路中電流脈沖信號(hào)通過(guò)地線產(chǎn)生干擾 , 燈絲驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與探測(cè)器信號(hào)電路隔離。這樣 ,提供給兩個(gè)熱電探測(cè)器一個(gè) 4 Hz的脈動(dòng)光源 ,以便對(duì)比有光和無(wú)光的情況 ,從而修正外部光線的干涉 ,并去掉兩個(gè)熱電探測(cè)器上的直流偏移 [15][16]。 D3 I N 4 0 0 2C910uFC80 . 1 u FR 1 310KR 1 1200Ω+ 5 V VoP W M 脈沖G N D 1L M 3 1 7U 3 BR 1 2600ΩQ1P N P 圖 37 紅外光源驅(qū)動(dòng)電路 圖 熱釋電探測(cè)器 熱釋電探測(cè)器原理 熱釋電紅外傳感器是一種光電轉(zhuǎn)換器件，它是一種 PZT 晶體結(jié)構(gòu)的表面電荷極化隨其溫度變化而變化的傳感器。自發(fā)極化的 鐵電體平時(shí)靠捕捉大氣中的富有電荷保持平衡狀態(tài)，受到紅外線照射后，其內(nèi)部溫度將會(huì)升高，內(nèi)部的極化狀態(tài)便隨之降低，表面電荷濃度也相應(yīng)降低，這就相當(dāng)于“釋放” 19 了一部分電荷，這種現(xiàn)象稱為電解質(zhì)的“熱釋電效應(yīng)”，從外部將釋放的電荷取出，就變成傳感器的輸出電壓。需要指出的是，如果紅外輻射持續(xù)下去，鐵電體的溫度就會(huì)升到新的平衡狀態(tài)，表面電荷也同時(shí)達(dá)到平衡，這時(shí)它就不再釋放電荷，也就不再有信號(hào)輸出了。 所以 ，對(duì)于熱釋電紅外傳感器，只有在紅外輻射不斷變化，它的內(nèi)部溫度隨之不斷升降的過(guò)程中，傳感器才有信號(hào)輸出，而在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸 出信號(hào)則為恒值，即熱釋電紅外傳感器只對(duì)紅外輻射相對(duì)變化有反應(yīng)，而對(duì)紅外輻射的絕對(duì)值沒(méi)有反應(yīng)。因此在應(yīng)用熱釋電傳感器時(shí)，應(yīng)設(shè)法使紅外輻射不斷變化，這樣才能使傳感器輸出的信號(hào)有效，為了滿足此要求，須將紅外光源按一定頻率進(jìn)行調(diào)制 [17]。 熱 釋 電探測(cè)器信號(hào)與氣體濃度的關(guān)系分析 紅外傳感頭通過(guò)一個(gè)氣體擴(kuò)散柵欄獲得樣氣 ,因此不受氣流的影響。采用防火設(shè)計(jì) ,不銹鋼的結(jié)構(gòu)使其能短期暴露在大部分的弱酸、堿溶劑中。測(cè)量通道熱電探測(cè)器包括一個(gè)待檢氣體吸收光譜的濾光器 ,而參考通道探測(cè)器包括一個(gè)待檢氣體不吸收