基于ADuC842的制冷剂气体检测仪设计

吴永忠，陈浩

（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥230009）

基于ADuC842的制冷剂气体检测仪设计

吴永忠，陈浩

（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥230009）

为了保护环境和节约成本，需要对汽车空调中的R134a制冷剂再回收，但在回收之前要鉴别R134a气体的浓度是否达到回收标准。本文基于红外气体检测技术的原理，得出制冷剂浓度鉴别算法，设计了基于ADuC842的制冷剂气体检测仪。主要从硬件和软件两方面对制冷剂气体检测仪的实现进行了阐述。硬件层主要包括了ADuC842核心模块、光源驱动模块、传感器检测模块、信号调理模块、液晶显示模块、串口通信模块、按键模块。软件层以uC/OSII作为实时操作系统，在实时操作系统上建立了初始化任务、采样鉴别任务、看门狗任务、液晶显示任务。

制冷剂；气体检测仪；ADuC842；红外气体检测

在常用的中小型空调、汽车空调中广泛使用了R134a型制冷剂，这种制冷剂是不允许直接排向大气中的，加大对R134a制冷剂的回收，既能够保护环境，也能够实现资源的再利用，减少企业的成本。按照发布的汽车空调制冷剂回收规范要求，制冷剂的浓度达到96%才被认为是纯制冷剂而被回收。目前市场上的制冷剂鉴别仪分为使用电化学传感器和基于红外吸收光谱的气体传感器。由于红外传感器是利用光信号来检测浓度，有干扰较少、灵敏度高的优点，所以正在被广泛使用，以红外吸收为原理的R134a制冷剂浓度检测正成为研究热点。

1　R134　a红外吸收检测原理

红外吸收检测法是利用气体的特定吸收峰实现的，既只吸收某波段处的红外光能量，并且特定的气体的吸收峰并不相同。吸收红外光的能量由气体的浓度决定。R134a制冷剂的吸收峰为10.27 um，可通过R134a吸收能量的多少来测量R134a的浓度。为了投入于实际应用，根据朗伯比尔定律，文中提出了一种简单、有效的R134a浓度测量算法。

图1　制冷剂气体检测仪原理

朗伯比尔定律i=i0exp（-k（λ）lc），其中i是入射光强度，即红外光通过气体后的光强，i0是透射光的强度，即红外光通过气体之前的光强，l是红外光通过的气体的光程，c是气体的浓度。红外探测器是检测红外光强的，将光信号转化为电压信号，探测器测量通道U对应的是i转化后的电压值，探测器参考通道U0对应的是i0转化后的电压值。U=U0exp（-k（λ）lc），β=U/U0=exp（-k（λ）lc）。当c=0，气体浓度为0，气室为空气，探测器测量通道U=U0，β=1。气室通入96%的R12气体时，c=U/U0=exp（-0.96k（λ）l）为固定值β0.96。β的值取决于气体浓度大小，气体浓度大于96%时，β＜β0.96，气体浓度小于96%时，β＞β0.96。通过计算通入待测气体时探测器测量通道电压值U与参考通道电压值U0的比值β，将β与β0.96比较，即可测得气体浓度是否大于96%。

如图1所示，探测器有两个通道，每个通道各有一个滤光片。测量通道的滤光片通过10.27 um处的红外光，检测10.27 um处的红外光强度，10.27 um处的红外光已经被R134a部分吸收，输出上文中的测量通道电压值U；参考通道的滤光片通过10.27 um以外的红外光，10.27 um以外的红外光没有被R134a吸收，输出参考通道电压值U0。微控制器ADuC842将对U和U0采样和数据处理，根据上文提出的R134a浓度鉴别算法进行鉴别。

2　系统设计

文中设计的R134a制冷剂鉴别仪系统组成如图2，分成了硬件层，操作系统层，应用软件层。硬件层微控制器核心模块包括微控制器ADuC842、晶振电路、复位电路以及电源电路，硬件层的外围电路包括了光源驱动模块、传感器检测模块、信号调理模块、液晶显示模块、串口通信模块以及按键模块。操作系统选用了嵌入式实时操作系统uC/OSII，uC/OS对任务进行调度，应用层软件则负责完成实际的R134a制冷剂鉴别工作。

图2　制冷剂气体检测仪系统组成

3　硬件电路设计

3.1信号调理模块电路的设计

信号调理模块电路由前级放大电路、低通滤波电路、后级放大电路组成，在红外探测器的信号传输到ADuC842进行AD采样前对信号放大、滤波去除干扰。

前级放大电路采用了AD820放大器，AD820是低功耗的FET输入运算放大器，最大800 μV的失调电压，AD820可在单电源和双电源两种情况下工作。本系统是单电源设计，由5 V电压供电。

低通滤波电路采用的MAX7400是利用开关电容网络组成的八阶椭圆滤波器，截止频率fc和时钟频率fclk关系为fc=fclk/100，截止频率调节范围从1 Hz到10 kHz。本系统探测器的输出信号为2 Hz，设计fclk为256 Hz，由单片机ADuc842提供时钟信号，则截止频率fc为2.56 Hz，可得到2 Hz的低频信号。

经前级放大，低通滤波后的信号还不能直接进行AD处理，还需要经过AD820后级放大。

3.2ADuC842核心模块电路的设计

本系统采用的ADuC842作为微控制器，ADuC842主要用于数据采集领域，具有强大的AD转换功能，ADC精度为12位，8通道，采样频率为420 kb/s。本系统中AD输入信号大于ADuC842带隙电压2.5 V，采用外部参考电压，则要在上电后的初始化程序中将寄存器ADCON1置1使内部参考电压处于关断状态。ADuC842主要完成AD转换，为低通滤波电路提供时钟频率，驱动红外光源，液晶显示，按键处理以及与上位机的串口通信。

微控制器核心模块电路如图2所示，外部链接频率为32.768 kHz的晶振，经过ADuC842内部的PLL电路产生频率为16.777216 MHz的高精度时钟信号。复位电路采用MAX708芯片，当WR端的复位按钮按下时，MAX708将输出200 ms的复位脉冲使ADuC842复位。PSEN引脚为低电平时，ADuC842进入串口下载模式，PSEN引脚为高电平时，进入正常工作模式。EA引脚为低电平时，ADuC842访问外部存储器，EA引脚为高电平时。访问内部存储器。

4　软件设计

4.1软件总体结构设计

以uC/OSII为嵌入式操作系统的应用软件设计重点是任务的设计，。软件总体结构如图4，本文以R134a制冷剂鉴别仪的功能将应用软件划分为4个任务：系统初始化任务、采样鉴别任务、液晶显示任务、看门狗任务。除了任务的设计还要设计中断服务子程序，中断服务子程序包括串口中断、AD采样中断以及按键中断。通过uC/OS对任务优先级的配置，实现系统的实时性功能。

4.2系统主函数设计

主函数的功能主要包括初始化uC/OSII，创建应用软件中的四个任务和任务通信的信号量，最后通过uC/OSII对任务进行调度。

4.3系统初始化任务

系统初始化任务具有最高的任务优先级，每次系统上电后只执行一次就被删除。初始化中断控制寄存器，定时器，看门狗以及外围设备。

4.4采样鉴别任务

AD转换采用定时器2，两个通道信号为2 Hz正弦波，为提高采样准确性，每个周期连续采样256个点，取其峰峰值，参考通道电压值和测量通道电压值交替采样，所以每个周期共采样512个点。AD采用中断模式，一个通道完成一次AD采样系统中断调用uC/OSII提供的应用程序接口OSSemPost（ADCISem）释放ADCISem信号量，另一个通道通过OSSemPend（ADCISem，0，&err）接收到ADCISem信号量后开始采样，这样交替采样，分别采集256个点。采集256个点后停止采样，采样完成后用上文的R134a制冷剂鉴别算法鉴别。

图3　微控制器核心模块电路

图4　软件总体结构

图5　系统主函数

5　结束语

文中以红外气体检测原理，推导出R134a浓度的鉴别算法，完成了基于ADuC842的制冷剂气体检测仪的研制，ADuC842作为微处理器能够从硬件上实现对R134a浓度的快速采样鉴别，该系统整体上应用方便，响应速度快，精度较高，能够满足实际应用的要求。但本设计仍存在一些问题，芯片的功耗还可以降低，可以使用体积更小的红外光源。

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Design of refrigerant gas detecting instrument based on ADuC842

WU Yong-zhong，CHEN Hao
（School of Computer and Information，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In order to protect the environment and save cost，we need to recycle the R134a refrigerant in automobile air conditioner.But we need to identify whether the R134a gas concentration meets the recycling standards before recycling.This paper come up with the identification algorithm of concentration of the refrigerant，based on the principle of infrared gas detection technology，and design the refrigerant gas detecting instrument based on ADuC842.Mainly from two aspects，hardware and software，realization of refrigerant gas detecting instrument are described.The hardware layer includes ADuC842 core module，drive module，sensor module，signal conditioning module，LCD module，serial communication module，and key module.The software layer selects uC/OSII as real-time operating system and the initialization tasks，sampling identification task，watchdog task and liquid crystal display task are established on the real-time operating system.

refrigerant；gas detecting instrument；ADuC842；infrared gas detection

TN98

A

1674－6236（2016）12-0064-03

2015-05-18稿件编号：201505156

吴永忠（1964—），男，四川武胜人，博士，教授。研究方向：嵌入式系统设计。