【文章內(nèi)容簡介】 入輸出端口是單片機基本界面，可以與周邊電路進行電路控制和信號傳輸與檢測。 PIC 是 8 位的單片機，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，各分組接口特性說明如下： PORTA: PIC16F877 的 PORTA 總共有 6 個位 (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 自動成為模擬輸入狀態(tài)，可讀取模擬輸入訊號。 PORTB: PORTB 總共有 8 個位 (RB0～ RB7)，可以撰寫程序規(guī)劃輸入輸出方向、狀態(tài)，其中，要進行燒錄時，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)需要多單片機時，彼此可以經(jīng)由并列傳輸接口來快速傳輸資料。 PORTE: PORTE 總共有 3 個位 (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 指令簡介 PIC16F877 常用的語言有匯編語言與 C 語言兩種，匯編語言是 將每一 個機器碼使用一個文字代號代表，比較接近處理器真正動作模式 ， 而 C 語言是比較符合人們的使用習(xí)慣，事先將匯編語言組合成 C 語言形式，使用較為方便，但是 C 語言所組譯的機器碼程序通常比較大，且組譯軟件通常需要額外購買。以下簡介匯編語言相關(guān)指令與一套 C語言組譯軟件。 PIC16F877 指令摘要 。 PIC 是采用 RISC（ Reduced Instruction Set 11 Computing，精簡指令集），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， 而 8051 卻 高達 111 個指令 。 12 第 3 章 瓦斯檢測系統(tǒng) 硬件部分設(shè)計 紅外甲烷氣體檢測的原理及紅外氣體檢測儀簡介 原理 紅外吸收型甲烷檢測儀是利用不同氣體對紅外輻射有著不同的吸收光譜，吸收強度與氣體濃度有關(guān)的事實來檢測甲烷濃度的。紅外吸收型氣體分析檢測儀一般由紅外輻射源 (白熾燈或紅外 LED)，測量氣樣室，波長選擇裝置 (濾光片 )，紅外探測裝置 (熱電探測器，熱電池 )組成。如果氣體吸收譜線在入射光譜范圍內(nèi)， 那么紅外輻射透過被測氣體后，在相應(yīng)譜線處就會發(fā)生能量的衰減，未被吸收的輻射被探頭測出，通過測量該譜線處能量的衰減量來得知被測氣體濃度 [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長度為 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 I可以表示為： ? ? ? ? ? ?0 CLII e ???? ?? （ 31） ??I? 一 氣 體吸收后的透射光強。 ? ?0I ? 一通過待測氣體前的光強。 ? ???一給定波長的單位濃度、單位長度氣體的吸收系數(shù)。 C 一待測氣體濃度。 L 一待測氣體與光相互作用的長度。 由上式可知光強 ??I? 與氣體濃度 C 、氣體吸收系數(shù) ???? 和路徑長度 L 13 具有相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系 [9]。氣體的吸收系 ? ???決定于被測氣體的性質(zhì)、傳感器的結(jié)構(gòu)等，它一般通過實驗的方法求得。被測氣體的濃度越大，氣體的吸收系數(shù)越大，氣體穿過的路徑長度越長，能量衰減得越厲害。路徑長度是指光在氣體中的有效長度，路徑長度越長，氣體吸收越充分 !所以穿透過氣體長度為 L 的紅外輻射 I 僅僅是待測氣體 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，一般采用兩路信號通道的結(jié)構(gòu)，一路通道作為測量信號，一路通道作為參考信號。整個氣體檢測裝置的測量精度和準(zhǔn)確度等特性 能 都歸功于這四個方 面的優(yōu)化設(shè)計程度。 當(dāng)紅外輻射經(jīng)過氣室照射到探測頭上時，具有特征吸收帶的濾光片過濾掉其他波長的紅外輻射，只保留甲烷的吸收波長，從而檢測到因甲烷吸收而有所變化的光強信號，再通過探測頭轉(zhuǎn)變成電信號輸出 ； 另一個濾光片與這個濾光片不同，它對甲烷吸收的波長進行過濾而保留其他紅外波長，以便檢 14 測到紅外輻射的入射光強，通過探測頭轉(zhuǎn)變成電信號輸出 [11][12]。這樣對兩個引腳信號進行作差便可以得到 I? 。這種具有兩個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氣體直接吸收 )有很明 顯 的優(yōu)點 :首先，差分式具有更好的抗干擾能力。直接吸收式在紅 外波長抖動，溫度發(fā)生變化和氣室中有粉塵或干擾氣體時，系統(tǒng)的檢測 光 源參 考 濾 光 片 探 測 器參 考 信 號 輸 出測 量 信 號 輸 出氣 室測 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的影響。其次 差分式便于計算。依據(jù) lambertbeer 定律 ，在氣室長度 L 已知的情況下，要想求得氣體濃度 C ，必須知道 ? ???，入射光強 0I 和氣體吸收后光強 I ，這對直接吸收式來說是有難度的。最后，差分式測量比直接吸收型精度高。因為式 (3l)中的系數(shù) ? ???有隨機因素存在，差分式吸收可以減弱這種隨機干擾 [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 ； 紅外探測器采用熱釋電探測器 ； 測量紅外濾光片的中心波長是 m，采樣 紅外濾光片的中心波長是 m，兩片濾光片與探測器封裝在一起 ； 采樣氣室采用鋁合金制作，呈圓柱形，紅外光源和紅外探測器均固定在氣室的底部， 15 氣室的頂部留有讓氣體自由擴散的小孔，紅外光源發(fā)出的光經(jīng)過氣室內(nèi)壁多次反射而到達探測器，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) 時間 :20s .平均無故障時間 :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% . 探測器輸出電壓界限 氮（ 165 前置放大器增益） ： 測量通道： ～ 參考通道： ～ IR32BC 紅外吸收型甲烷氣體傳感器 的實物圖 如下 圖 33。 圖 33 IR32B 實物圖 16 紅外光源 紅外光源的選擇 為了最終獲得有效的信號，紅外光源必須 提供測量所需的足夠能量的光強，這樣，必須要求紅外光源在氣體強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，波長從可見光到 5μ m，具有很寬的波譜，高可靠性，穩(wěn)定的輸出，短時間常數(shù)，長壽命，當(dāng)工作在 5V 電源時，可達 40000 小時。 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 ：μ m參 考 濾 鏡C OG 1H CG 2圖 34 IRL715 光譜 圖 注： 是測量濾光片， G20 是參考濾光片 紅外光源 驅(qū) 動 由圖 35 可見， 在光線強度出現(xiàn)突變時 (燈由滅到亮 ) ,探測器信號產(chǎn)生 17 明顯的變化 , 125 ms (典型值 )達到峰值 。此后若輻射光強維持恒定 ,則探測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 ,提供一個連續(xù) 的脈動光源 ,探測器將會產(chǎn)生連續(xù)的交 反 應(yīng) 時 間 1 2 5 m s紅 外 輻 射無有探 測 信 號 圖 35 紅外輻射與探測信號的變化關(guān)系 圖 變信號。由于光源關(guān)斷和開通后 ,探測器信號達到峰值的時間約 125 ms,所以 ,最合適的脈沖驅(qū)動電壓是頻率 為 4 Hz、占空比為 50%的方波 ,此時 ,探測器的輸出近似為 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 ,維持一個小電流流過燈絲 ,能夠減少涌入電流。如果驅(qū)動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)的探測器輸出信號將會產(chǎn)生畸變。另外 ,當(dāng)燈絲加高電平點亮?xí)r燈絲需要一個臨界啟動電壓和一定的延遲時間 ,脈沖的低電平大于 0 V,可降低啟動電壓、減少延遲時間 ,使燈絲能在開關(guān)狀態(tài)間快速地切換。脈沖驅(qū)動電壓的高電平不能大于 5 V,電壓 過高 ,會燒壞燈絲 [14]。 探 測 信 號紅 外 輻 射有有有無無無 圖 36 探測信號隨紅外輻射有規(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 ,三極管 T 導(dǎo)通 , 有較小 的電流流過燈絲 , 燈絲電阻上獲得較小 的壓降 ,燈熄滅 ； 當(dāng)脈沖為高 電平時 ,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 ,燈被點亮 。實際電路中還應(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 電壓時所需的典型電流值為 60 mA。此外 , 為防止燈絲驅(qū)動回路中電流脈沖信號通過地線產(chǎn)生干擾 , 燈絲驅(qū)動電路應(yīng)與探測器信號電路隔離。這樣 ,提供給兩個熱電探測器一個 4 Hz的脈動光源 ,以便對比有光和無光的情況 ,從而修正外部光線的干涉 ,并去掉兩個熱電探測器上的直流偏移 [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)動電路 圖 熱釋電探測器 熱釋電探測器原理 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，鐵電體的溫度就會升到新的平衡狀態(tài)，表面電荷也同時達到平衡，這時它就不再釋放電荷，也就不再有信號輸出了。 所以 ，對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程中，傳感器才有信號輸出，而在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸 出信號則為恒值，即熱釋電紅外傳感器只對紅外輻射相對變化有反應(yīng)，而對紅外輻射的絕對值沒有反應(yīng)。因此在應(yīng)用熱釋電傳感器時，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有效，為了滿足此要求，須將紅外光源按一定頻率進行調(diào)制 [17]。 熱 釋 電探測器信號與氣體濃度的關(guān)系分析 紅外傳感頭通過一個氣體擴散柵欄獲得樣氣 ,因此不受氣流的影響。采用防火設(shè)計 ,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。測量通道熱電探測器包括一個待檢氣體吸收光譜的濾光器 ,而參考通道探測器包括一個待檢氣體不吸收