高利聰，梁　庭*，孫玉虹，周雷剛

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

?

基于C8051f040單片機(jī)的光離子化氣體濃度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)*

高利聰1，2，梁庭1，2*，孫玉虹1，2，周雷剛1，2

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

摘要:對(duì)光離子化氣體濃度的測(cè)量，本質(zhì)上是對(duì)其產(chǎn)生的微電流的測(cè)量。為此以C8051f040單片機(jī)為核心器件，采用內(nèi)部ADC、信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)一種測(cè)量系統(tǒng)，可以對(duì)0～200×10－6量程范圍內(nèi)的待測(cè)氣體濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)并用數(shù)碼管顯示。該系統(tǒng)通過金屬屏蔽信號(hào)采集單元和在軟件編程中采用過采樣、數(shù)字濾波相結(jié)合的方法來提高系統(tǒng)的信噪比。在計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)中測(cè)試了二甲醚的氣體濃度，誤差范圍≤0.07×10－6，響應(yīng)速度快、工作可靠、可作為實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:光離子化;數(shù)據(jù)采集; I－V轉(zhuǎn)換;過采樣;數(shù)字濾波;濃度計(jì)算

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075375)

光離子化檢測(cè)器通過紫外燈輻射的能量電離物質(zhì)，輸出微弱的電流信號(hào)，通過對(duì)微電流的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)濃度的檢測(cè)，是一種具有高靈敏度，用途廣泛的檢測(cè)器，主要用來檢測(cè)濃度在1×10－9～10 000× 10－6范圍內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)化合物和其他有毒氣體［1－2］。其中微弱信號(hào)的測(cè)量決定著整個(gè)檢測(cè)器性能的優(yōu)良。本文以C8051f040單片機(jī)為核心器件設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)氣體濃度的精確測(cè)量。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案由7部分組成:光離子化檢測(cè)器、信號(hào)采集單元、C8051f040單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘模塊、顯示模塊及報(bào)警電路。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。信號(hào)采集單元把光離子化檢測(cè)器產(chǎn)生的微電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，C8051f040作為核心控制器件，通過AIN0口對(duì)信號(hào)的進(jìn)行采集，然后利用內(nèi)部自帶的ADC實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過數(shù)據(jù)處理控制LED顯示待測(cè)氣體濃度值。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2　系統(tǒng)主要硬件電路

C8051F040單片機(jī)是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)SOC(System on Chip)，具有與MCS－51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件［3－4］。單片機(jī)具有9通道的模擬通道選擇器，本系統(tǒng)通過編程配置AIN0.0為信號(hào)輸入口，用P1.4及P1.5來控制聲光報(bào)警電路，用P2.0～P2.3及P3.0～P3.7來控制數(shù)碼管的位選和段選，動(dòng)態(tài)的顯示被測(cè)氣體的濃度值。

2.1內(nèi)部自帶ADC

C8051F040內(nèi)部ADC為12 bit轉(zhuǎn)換精度，最高轉(zhuǎn)換速率可大100 ksample/s，而且在轉(zhuǎn)換前，有一個(gè)可編程增益放大器PGA對(duì)采集的模擬量進(jìn)行放大和縮小，以滿足實(shí)際需要。ADC參考電壓可以選擇AV+或者DAC輸出電壓，也可以使用內(nèi)部參考電平VREF，若要使VREF作為ADC的參考電壓，在硬件上需要將VREF0和VREF連接起來，且在VREF上最好能并聯(lián)一個(gè)4.7 μF和0.1 μF的電源濾波電容，使參考電平平穩(wěn)，典型輸出值為2.43 V［5］。本文通過配置參考電壓設(shè)置寄存器REFCN，使內(nèi)部參考電壓輸出開啟，在VREF上輸出參考電平;通過設(shè)置模擬通道配置寄存器AMXCF和通道選擇寄存器AMXSL，選擇通道AIN0.0在單端輸入模式下進(jìn)行電壓采樣;通過設(shè)置ADC配置寄存器ADCCF和控制寄存器ADCCN來實(shí)現(xiàn)ADC的采樣頻率和PGA增益的選擇、轉(zhuǎn)換的開始與結(jié)束、工作方式的選擇。

2.2信號(hào)采集電路

光離子化檢測(cè)器輸出信號(hào)是微弱的電流信號(hào)，為了信號(hào)的方便處理，必須經(jīng)過I－V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。本文采用輸入阻抗高，偏置電流小的斬波穩(wěn)流放大器ICL7650作為I－V轉(zhuǎn)換器，采用“T”型反饋網(wǎng)絡(luò)［6］。由于探測(cè)器輸出是變化緩慢的信號(hào)，所以在轉(zhuǎn)換器后面接一個(gè)截止頻率為2 Hz的有源低通濾波器，電路如圖2所示。

圖2　信號(hào)采集電路

由于信號(hào)采集電路極易受到外界的干擾，尤其容易受到紫外燈高頻驅(qū)動(dòng)電壓的影響，因此我們給信號(hào)采集電路加上金屬屏蔽外殼來屏蔽外界的干擾。我們把屏蔽前和屏蔽后的測(cè)試數(shù)據(jù)用MATLAB經(jīng)過傅里葉變換后得到幅頻特性曲線如圖3、圖4所示。從圖3中可以看出，信號(hào)在87 kHz處的幅值最大，而87 kHz正好是紫外燈驅(qū)動(dòng)電壓的頻率;從圖4中可以看出，信號(hào)在2.1 Hz處的幅值最大，高頻噪聲得到很好的抑制。

圖3　屏蔽前的幅頻特性曲線

圖4　屏蔽后的幅頻特性曲線

3　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括初始化配置、AD采樣、數(shù)字濾波、濃度計(jì)算等。程序采用C語言編寫，具有編程效率高、可讀性強(qiáng)、便于修改等優(yōu)點(diǎn)［7］。主程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程圖

3.1ADC采樣和數(shù)字濾波子程序

在ADC轉(zhuǎn)換的過程中會(huì)產(chǎn)生量化噪聲，增加ADC的比特?cái)?shù)可以降低噪聲［8］。本系統(tǒng)ADC是12位的，位數(shù)較小，會(huì)引入較大的量化誤差。本文采用過采樣［9］。技術(shù)來提高ADC的有效量化位數(shù)，從而減少量化噪聲。

信號(hào)經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)化后，相鄰兩個(gè)ADC二進(jìn)制代碼代表的電壓差值為:

式中: N是二進(jìn)制代碼的位數(shù)，Vref是ADC的參考電壓。

最大量化誤差為:

過采樣頻率fos與ADC增加的采樣位數(shù)n和信號(hào)初始采樣頻率fo之間的關(guān)系［10］:

光離子化探測(cè)器輸出信號(hào)的最高頻率2 Hz，其初始采樣頻率fo為4 Hz，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的過采樣，由式(3)可知，過采樣頻率fOS=44×4 Hz=1 024 Hz。本系統(tǒng)ADC的采樣頻率設(shè)置為1.5 kHz。由式(2)可以知，系統(tǒng)采樣誤差由0.6 mV減小到0.04 mV。

ADC采樣與數(shù)字濾波程序如圖6所示。采樣得到的12位數(shù)據(jù)經(jīng)過滑動(dòng)平均濾波器濾波后，存儲(chǔ)到長度為256的數(shù)組中，將每組樣本求和，再除以16，就獲得了一個(gè)16位采樣數(shù)據(jù)。通過采用過采樣與滑動(dòng)濾波相結(jié)合的方法，減少量化噪聲，同時(shí)又抑制了隨機(jī)噪聲，用軟件編程的方法提高了系統(tǒng)的信噪比。

圖6　采樣和數(shù)字濾波流程圖

3.2濃度計(jì)算子程序

16位采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過式(4)計(jì)算，就可以得到實(shí)際電壓值:

式中: Vref=2.43 V，M為16位采樣數(shù)據(jù)。

圖7為報(bào)警儀在濃度范圍為0～200×10－6異丁烯的測(cè)量數(shù)據(jù)。橫軸異丁烯濃度，縱軸為光離子化探測(cè)器輸出信號(hào)經(jīng)過采樣和滑動(dòng)平均濾波后，在經(jīng)式(4)計(jì)算得到的電壓值。通過最小二乘法線性擬合后的函數(shù)關(guān)系式，如式(5) :

由式(5)可知只要知道采樣電壓值，就可以計(jì)算待測(cè)物的相對(duì)異丁烯濃度。

圖7　系統(tǒng)采樣值與異丁烯濃度的關(guān)系

校正系數(shù)CF(Correction factor)是探測(cè)器對(duì)待測(cè)物靈敏度與探測(cè)器對(duì)校正氣體異丁烯靈敏度之比，其可以用式(6)計(jì)算得到［11］:

根據(jù)式(6)，待測(cè)物的實(shí)際濃度即為其相對(duì)異丁烯濃度與CF的乘積，待測(cè)物濃度計(jì)算流程如圖8所示。

圖8　濃度計(jì)算流程圖

4　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

應(yīng)用該檢測(cè)系統(tǒng)并結(jié)合計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)，來測(cè)量二甲醚的濃度。并用PhoCheck Tiger便攜式VOC氣體檢測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輸入濃度值為PhoCheck Tiger便攜式VOC氣體檢測(cè)儀測(cè)量的值，實(shí)際測(cè)量值為檢測(cè)系統(tǒng)處理后經(jīng)4位數(shù)碼管顯示的濃度值，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，數(shù)據(jù)擬合曲線如圖9所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，本文設(shè)計(jì)的濃度測(cè)試系統(tǒng)可用于實(shí)際測(cè)量，且絕對(duì)誤差≤0.07×10－6。

表1　測(cè)量數(shù)據(jù)

5　結(jié)束語

該系統(tǒng)采用C8051f040單片機(jī)為核心器件實(shí)現(xiàn)對(duì)光離子化氣體濃度的檢測(cè)及顯示功能。通過金屬屏蔽和軟件編程兩方面來抑制外界噪聲，提高系統(tǒng)信噪比。經(jīng)過重復(fù)測(cè)量，該系統(tǒng)在0～200×10－6范圍內(nèi)，測(cè)量精度比較高，性能可靠，對(duì)今后制作大量程的系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

［1］Sevcik J，Krysl S.A Photoionization Detector［C］/ /Chromatographia，1973，6: 375－380.

［2］牛坤旺.高靈敏度紫外光離子化器件研究［D］.太原:中北大學(xué)，2012.

［3］馬喜順.高速SoC單片機(jī)C8051F［J］.電子產(chǎn)品世界，2002 (9) : 63－64.

［4］童長飛.C8051F040系列單片機(jī)開發(fā)與C語言編程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005: 548－549.

［5］譚秋林，許姣，薛晨陽.基于C8051F040酒精濃度測(cè)試儀的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22(10) : 1378－1381.

［6］魏立乾，雷升杰，方美華.輻射監(jiān)測(cè)的微弱電流測(cè)量I－V轉(zhuǎn)換技術(shù)［J］.儀器儀表與分析監(jiān)測(cè)，2010(3) : 28－31.

［7］邊晶瑩，李曉峰，李平周.基于FPGA的新型數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(6) : 185－188.

［8］曾昌祿.量化噪聲［J］.成都師專學(xué)報(bào)，2001(2) : 28－29.

［9］李衍忠，薛巍，蔡英杰.過采樣及抖動(dòng)注入對(duì)數(shù)字產(chǎn)生LFM信號(hào)譜質(zhì)的改善［J］.信號(hào)處理，2000(4) : 344－348.

［10］殷亞飛.光離子化氣體報(bào)警儀的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.中北大學(xué)，2011.

［11］白亮.光離子化檢測(cè)器在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探討［J］.海峽科學(xué)，2007(6) : 109－1l0.

高利聰(1987－)，男，山西大同人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆妭鞲衅鳎琯aolicong361@ 126.com;

梁　庭(1979－)，男，山西長治人，中北大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師、博士，主要從事光學(xué)氣體傳感器及高溫壓力傳感器等的研究，liangtingnuc@ 163.com。

圖9　測(cè)量數(shù)據(jù)擬合曲線

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

中圖分類號(hào):TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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