高利聰，梁　庭*，孫玉虹，周雷剛

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051; 2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，太原030051)

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

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)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051; 2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，太原030051)

摘要:對光離子化氣體濃度的測量，本質(zhì)上是對其產(chǎn)生的微電流的測量。為此以C8051f040單片機(jī)為核心器件，采用內(nèi)部ADC、信號采集單元設(shè)計一種測量系統(tǒng)，可以對0～200×10－6量程范圍內(nèi)的待測氣體濃度實時檢測并用數(shù)碼管顯示。該系統(tǒng)通過金屬屏蔽信號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。在計算機(jī)自動配氣系統(tǒng)中測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;濃度計算

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(51075375)

光離子化檢測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，通過對微電流的測量來實現(xiàn)對物質(zhì)濃度的檢測，是一種具有高靈敏度，用途廣泛的檢測器，主要用來檢測濃度在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］。其中微弱信號的測量決定著整個檢測器性能的優(yōu)良。本文以C8051f040單片機(jī)為核心器件設(shè)計的測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)對待測氣體濃度的精確測量。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案由7部分組成:光離子化檢測器、信號采集單元、C8051f040單片機(jī)、復(fù)位電路、時鐘模塊、顯示模塊及報警電路。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。信號采集單元把光離子化檢測器產(chǎn)生的微電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，C8051f040作為核心控制器件，通過AIN0口對信號的進(jìn)行采集，然后利用內(nèi)部自帶的ADC實現(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為信號輸入口，用P1.4及P1.5來控制聲光報警電路，用P2.0～P2.3及P3.0～P3.7來控制數(shù)碼管的位選和段選，動態(tài)的顯示被測氣體的濃度值。

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，有一個可編程增益放大器PGA對采集的模擬量進(jìn)行放大和縮小，以滿足實際需要。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信號采集電路

光離子化檢測器輸出信號是微弱的電流信號，為了信號的方便處理，必須經(jīng)過I－V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號。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］。由于探測器輸出是變化緩慢的信號，所以在轉(zhuǎn)換器后面接一個截止頻率為2 Hz的有源低通濾波器，電路如圖2所示。

圖2　信號采集電路

由于信號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)動電壓的影響，因此我們給信號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，信號在87 kHz處的幅值最大，而87 kHz正好是紫外燈驅(qū)動電壓的頻率;從圖4中可以看出，信號在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

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括初始化配置、AD采樣、數(shù)字濾波、濃度計算等。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［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)換的過程中會產(chǎn)生量化噪聲，增加ADC的比特數(shù)可以降低噪聲［8］。本系統(tǒng)ADC是12位的，位數(shù)較小，會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。

信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)化后，相鄰兩個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和信號初始采樣頻率fo之間的關(guān)系［10］:

光離子化探測器輸出信號的最高頻率2 Hz，其初始采樣頻率fo為4 Hz，為了實現(xiàn)對信號的過采樣，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)過滑動平均濾波器濾波后，存儲到長度為256的數(shù)組中，將每組樣本求和，再除以16，就獲得了一個16位采樣數(shù)據(jù)。通過采用過采樣與滑動濾波相結(jié)合的方法，減少量化噪聲，同時又抑制了隨機(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濃度計算子程序

16位采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過式(4)計算，就可以得到實際電壓值:

式中: Vref=2.43 V，M為16位采樣數(shù)據(jù)。

圖7為報警儀在濃度范圍為0～200×10－6異丁烯的測量數(shù)據(jù)。橫軸異丁烯濃度，縱軸為光離子化探測器輸出信號經(jīng)過采樣和滑動平均濾波后，在經(jīng)式(4)計算得到的電壓值。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，就可以計算待測物的相對異丁烯濃度。

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)是探測器對待測物靈敏度與探測器對校正氣體異丁烯靈敏度之比，其可以用式(6)計算得到［11］:

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

圖8　濃度計算流程圖

4　實測數(shù)據(jù)

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

表1　測量數(shù)據(jù)

5　結(jié)束語

該系統(tǒng)采用C8051f040單片機(jī)為核心器件實現(xiàn)對光離子化氣體濃度的檢測及顯示功能。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)測量，該系統(tǒng)在0～200×10－6范圍內(nèi)，測量精度比較高，性能可靠，對今后制作大量程的系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

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高利聰(1987－)，男，山西大同人，碩士研究生，主要研究方向為光電傳感器，gaolicong361@ 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:TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號: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