基于C8051f040单片机的光离子化气体浓度检测电路设计*

高利聪，梁　庭*，孙玉虹，周雷刚

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051; 2.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室，太原030051)



基于C8051f040单片机的光离子化气体浓度检测电路设计*

高利聪1，2，梁庭1，2*，孙玉虹1，2，周雷刚1，2

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051; 2.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室，太原030051)

摘要:对光离子化气体浓度的测量，本质上是对其产生的微电流的测量。为此以C8051f040单片机为核心器件，采用内部ADC、信号采集单元设计一种测量系统，可以对0～200×10－6量程范围内的待测气体浓度实时检测并用数码管显示。该系统通过金属屏蔽信号采集单元和在软件编程中采用过采样、数字滤波相结合的方法来提高系统的信噪比。在计算机自动配气系统中测试了二甲醚的气体浓度，误差范围≤0.07×10－6，响应速度快、工作可靠、可作为实际应用。

关键词:光离子化;数据采集; I－V转换;过采样;数字滤波;浓度计算

项目来源:国家自然科学基金项目(51075375)

光离子化检测器通过紫外灯辐射的能量电离物质，输出微弱的电流信号，通过对微电流的测量来实现对物质浓度的检测，是一种具有高灵敏度，用途广泛的检测器，主要用来检测浓度在1×10－9～10 000× 10－6范围内的挥发性有机化合物和其他有毒气体［1－2］。其中微弱信号的测量决定着整个检测器性能的优良。本文以C8051f040单片机为核心器件设计的测量系统可以实现对待测气体浓度的精确测量。

1　系统总体设计方案

该系统的总体设计方案由7部分组成:光离子化检测器、信号采集单元、C8051f040单片机、复位电路、时钟模块、显示模块及报警电路。系统总体框图如图1所示。信号采集单元把光离子化检测器产生的微电流信号转换成电压信号，C8051f040作为核心控制器件，通过AIN0口对信号的进行采集，然后利用内部自带的ADC实现模数转换，最后通过数据处理控制LED显示待测气体浓度值。

图1　系统总体框图

2　系统主要硬件电路

C8051F040单片机是集成的混合信号片上系统SOC(System on Chip)，具有与MCS－51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件［3－4］。单片机具有9通道的模拟通道选择器，本系统通过编程配置AIN0.0为信号输入口，用P1.4及P1.5来控制声光报警电路，用P2.0～P2.3及P3.0～P3.7来控制数码管的位选和段选，动态的显示被测气体的浓度值。

2.1内部自带ADC

C8051F040内部ADC为12 bit转换精度，最高转换速率可大100 ksample/s，而且在转换前，有一个可编程增益放大器PGA对采集的模拟量进行放大和缩小，以满足实际需要。ADC参考电压可以选择AV+或者DAC输出电压，也可以使用内部参考电平VREF，若要使VREF作为ADC的参考电压，在硬件上需要将VREF0和VREF连接起来，且在VREF上最好能并联一个4.7 μF和0.1 μF的电源滤波电容，使参考电平平稳，典型输出值为2.43 V［5］。本文通过配置参考电压设置寄存器REFCN，使内部参考电压输出开启，在VREF上输出参考电平;通过设置模拟通道配置寄存器AMXCF和通道选择寄存器AMXSL，选择通道AIN0.0在单端输入模式下进行电压采样;通过设置ADC配置寄存器ADCCF和控制寄存器ADCCN来实现ADC的采样频率和PGA增益的选择、转换的开始与结束、工作方式的选择。

2.2信号采集电路

光离子化检测器输出信号是微弱的电流信号，为了信号的方便处理，必须经过I－V转换电路转换为电压信号。本文采用输入阻抗高，偏置电流小的斩波稳流放大器ICL7650作为I－V转换器，采用“T”型反馈网络［6］。由于探测器输出是变化缓慢的信号，所以在转换器后面接一个截止频率为2 Hz的有源低通滤波器，电路如图2所示。

图2　信号采集电路

由于信号采集电路极易受到外界的干扰，尤其容易受到紫外灯高频驱动电压的影响，因此我们给信号采集电路加上金属屏蔽外壳来屏蔽外界的干扰。我们把屏蔽前和屏蔽后的测试数据用MATLAB经过傅里叶变换后得到幅频特性曲线如图3、图4所示。从图3中可以看出，信号在87 kHz处的幅值最大，而87 kHz正好是紫外灯驱动电压的频率;从图4中可以看出，信号在2.1 Hz处的幅值最大，高频噪声得到很好的抑制。

图3　屏蔽前的幅频特性曲线

图4　屏蔽后的幅频特性曲线

3　系统软件结构设计

系统的软件设计包括初始化配置、AD采样、数字滤波、浓度计算等。程序采用C语言编写，具有编程效率高、可读性强、便于修改等优点［7］。主程序流程图如图5所示。

图5　主程序流程图

3.1ADC采样和数字滤波子程序

在ADC转换的过程中会产生量化噪声，增加ADC的比特数可以降低噪声［8］。本系统ADC是12位的，位数较小，会引入较大的量化误差。本文采用过采样［9］。技术来提高ADC的有效量化位数，从而减少量化噪声。

信号经过ADC转化后，相邻两个ADC二进制代码代表的电压差值为:

式中: N是二进制代码的位数，Vref是ADC的参考电压。

最大量化误差为:

过采样频率fos与ADC增加的采样位数n和信号初始采样频率fo之间的关系［10］:

光离子化探测器输出信号的最高频率2 Hz，其初始采样频率fo为4 Hz，为了实现对信号的过采样，由式(3)可知，过采样频率fOS=44×4 Hz=1 024 Hz。本系统ADC的采样频率设置为1.5 kHz。由式(2)可以知，系统采样误差由0.6 mV减小到0.04 mV。

ADC采样与数字滤波程序如图6所示。采样得到的12位数据经过滑动平均滤波器滤波后，存储到长度为256的数组中，将每组样本求和，再除以16，就获得了一个16位采样数据。通过采用过采样与滑动滤波相结合的方法，减少量化噪声，同时又抑制了随机噪声，用软件编程的方法提高了系统的信噪比。

图6　采样和数字滤波流程图

3.2浓度计算子程序

16位采样数据经过式(4)计算，就可以得到实际电压值:

式中: Vref=2.43 V，M为16位采样数据。

图7为报警仪在浓度范围为0～200×10－6异丁烯的测量数据。横轴异丁烯浓度，纵轴为光离子化探测器输出信号经过采样和滑动平均滤波后，在经式(4)计算得到的电压值。通过最小二乘法线性拟合后的函数关系式，如式(5) :

由式(5)可知只要知道采样电压值，就可以计算待测物的相对异丁烯浓度。

图7　系统采样值与异丁烯浓度的关系

校正系数CF(Correction factor)是探测器对待测物灵敏度与探测器对校正气体异丁烯灵敏度之比，其可以用式(6)计算得到［11］:

根据式(6)，待测物的实际浓度即为其相对异丁烯浓度与CF的乘积，待测物浓度计算流程如图8所示。

图8　浓度计算流程图

4　实测数据

应用该检测系统并结合计算机自动配气系统，来测量二甲醚的浓度。并用PhoCheck Tiger便携式VOC气体检测仪进行监测，输入浓度值为PhoCheck Tiger便携式VOC气体检测仪测量的值，实际测量值为检测系统处理后经4位数码管显示的浓度值，记录测量数据如表1所示，数据拟合曲线如图9所示。由测试数据可以看出，本文设计的浓度测试系统可用于实际测量，且绝对误差≤0.07×10－6。

表1　测量数据

5　结束语

该系统采用C8051f040单片机为核心器件实现对光离子化气体浓度的检测及显示功能。通过金属屏蔽和软件编程两方面来抑制外界噪声，提高系统信噪比。经过重复测量，该系统在0～200×10－6范围内，测量精度比较高，性能可靠，对今后制作大量程的系统提供了理论基础。

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高利聪(1987－)，男，山西大同人，硕士研究生，主要研究方向为光电传感器，gaolicong361@ 126.com;

梁　庭(1979－)，男，山西长治人，中北大学副教授、硕士生导师、博士，主要从事光学气体传感器及高温压力传感器等的研究，liangtingnuc@ 163.com。

图9　测量数据拟合曲线

Design of a Novel Sleep Apnea Detecting System*

LIU Yi1*，ZHANG Qin1，REN Zhanbing2
(1.Department of Electronic Information Engineering，Guangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510665，China; 2.Guangzhou Sport University，Guangzhou 510500，China)

Abstract:A sleep apnea detecting system is proposed based on grating encoder in order to monitor the sleep apnea hypopnea syndrome.When the bellyband of the system is tied to the waist of the subject，the abdomen volume change during respiration.So，the position of the grating which is embedded in the bellyband is changed，and PIN sensor array can detect the position of the grating，and then the process of Expiration and inspiration is determined.The sensor signal is analyzed and processed by MCU，and then the respiratory cycle is calculated.If the cycle time for the apnea Experiments are repeated，and the results are compared with those of the respiration detection equipment.Results indicate that the average accuracy of the designed system is above 95%.

Key words:PIN sensor array; respiratory frequency; sleep apnea hypopnea syndrome

中图分类号:TN92

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 03－0632－04

收稿日期:2014－07－09修改日期: 2014－08－01

doi:EEACC: 7210B; 7510D10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.032