吳永忠，陳浩

（合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院，安徽合肥230009）

基于ADuC842的制冷劑氣體檢測儀設(shè)計

吳永忠，陳浩

（合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院，安徽合肥230009）

為了保護環(huán)境和節(jié)約成本，需要對汽車空調(diào)中的R134a制冷劑再回收，但在回收之前要鑒別R134a氣體的濃度是否達到回收標準。本文基于紅外氣體檢測技術(shù)的原理，得出制冷劑濃度鑒別算法，設(shè)計了基于ADuC842的制冷劑氣體檢測儀。主要從硬件和軟件兩方面對制冷劑氣體檢測儀的實現(xiàn)進行了闡述。硬件層主要包括了ADuC842核心模塊、光源驅(qū)動模塊、傳感器檢測模塊、信號調(diào)理模塊、液晶顯示模塊、串口通信模塊、按鍵模塊。軟件層以uC/OSII作為實時操作系統(tǒng)，在實時操作系統(tǒng)上建立了初始化任務(wù)、采樣鑒別任務(wù)、看門狗任務(wù)、液晶顯示任務(wù)。

制冷劑；氣體檢測儀；ADuC842；紅外氣體檢測

在常用的中小型空調(diào)、汽車空調(diào)中廣泛使用了R134a型制冷劑，這種制冷劑是不允許直接排向大氣中的，加大對R134a制冷劑的回收，既能夠保護環(huán)境，也能夠?qū)崿F(xiàn)資源的再利用，減少企業(yè)的成本。按照發(fā)布的汽車空調(diào)制冷劑回收規(guī)范要求，制冷劑的濃度達到96%才被認為是純制冷劑而被回收。目前市場上的制冷劑鑒別儀分為使用電化學(xué)傳感器和基于紅外吸收光譜的氣體傳感器。由于紅外傳感器是利用光信號來檢測濃度，有干擾較少、靈敏度高的優(yōu)點，所以正在被廣泛使用，以紅外吸收為原理的R134a制冷劑濃度檢測正成為研究熱點。

1　R134　a紅外吸收檢測原理

紅外吸收檢測法是利用氣體的特定吸收峰實現(xiàn)的，既只吸收某波段處的紅外光能量，并且特定的氣體的吸收峰并不相同。吸收紅外光的能量由氣體的濃度決定。R134a制冷劑的吸收峰為10.27 um，可通過R134a吸收能量的多少來測量R134a的濃度。為了投入于實際應(yīng)用，根據(jù)朗伯比爾定律，文中提出了一種簡單、有效的R134a濃度測量算法。

圖1　制冷劑氣體檢測儀原理

朗伯比爾定律i=i0exp（-k（λ）lc），其中i是入射光強度，即紅外光通過氣體后的光強，i0是透射光的強度，即紅外光通過氣體之前的光強，l是紅外光通過的氣體的光程，c是氣體的濃度。紅外探測器是檢測紅外光強的，將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，探測器測量通道U對應(yīng)的是i轉(zhuǎn)化后的電壓值，探測器參考通道U0對應(yīng)的是i0轉(zhuǎn)化后的電壓值。U=U0exp（-k（λ）lc），β=U/U0=exp（-k（λ）lc）。當c=0，氣體濃度為0，氣室為空氣，探測器測量通道U=U0，β=1。氣室通入96%的R12氣體時，c=U/U0=exp（-0.96k（λ）l）為固定值β0.96。β的值取決于氣體濃度大小，氣體濃度大于96%時，β＜β0.96，氣體濃度小于96%時，β＞β0.96。通過計算通入待測氣體時探測器測量通道電壓值U與參考通道電壓值U0的比值β，將β與β0.96比較，即可測得氣體濃度是否大于96%。

如圖1所示，探測器有兩個通道，每個通道各有一個濾光片。測量通道的濾光片通過10.27 um處的紅外光，檢測10.27 um處的紅外光強度，10.27 um處的紅外光已經(jīng)被R134a部分吸收，輸出上文中的測量通道電壓值U；參考通道的濾光片通過10.27 um以外的紅外光，10.27 um以外的紅外光沒有被R134a吸收，輸出參考通道電壓值U0。微控制器ADuC842將對U和U0采樣和數(shù)據(jù)處理，根據(jù)上文提出的R134a濃度鑒別算法進行鑒別。

2　系統(tǒng)設(shè)計

文中設(shè)計的R134a制冷劑鑒別儀系統(tǒng)組成如圖2，分成了硬件層，操作系統(tǒng)層，應(yīng)用軟件層。硬件層微控制器核心模塊包括微控制器ADuC842、晶振電路、復(fù)位電路以及電源電路，硬件層的外圍電路包括了光源驅(qū)動模塊、傳感器檢測模塊、信號調(diào)理模塊、液晶顯示模塊、串口通信模塊以及按鍵模塊。操作系統(tǒng)選用了嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OSII，uC/OS對任務(wù)進行調(diào)度，應(yīng)用層軟件則負責(zé)完成實際的R134a制冷劑鑒別工作。

圖2　制冷劑氣體檢測儀系統(tǒng)組成

3　硬件電路設(shè)計

3.1信號調(diào)理模塊電路的設(shè)計

信號調(diào)理模塊電路由前級放大電路、低通濾波電路、后級放大電路組成，在紅外探測器的信號傳輸?shù)紸DuC842進行AD采樣前對信號放大、濾波去除干擾。

前級放大電路采用了AD820放大器，AD820是低功耗的FET輸入運算放大器，最大800 μV的失調(diào)電壓，AD820可在單電源和雙電源兩種情況下工作。本系統(tǒng)是單電源設(shè)計，由5 V電壓供電。

低通濾波電路采用的MAX7400是利用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組成的八階橢圓濾波器，截止頻率fc和時鐘頻率fclk關(guān)系為fc=fclk/100，截止頻率調(diào)節(jié)范圍從1 Hz到10 kHz。本系統(tǒng)探測器的輸出信號為2 Hz，設(shè)計fclk為256 Hz，由單片機ADuc842提供時鐘信號，則截止頻率fc為2.56 Hz，可得到2 Hz的低頻信號。

經(jīng)前級放大，低通濾波后的信號還不能直接進行AD處理，還需要經(jīng)過AD820后級放大。

3.2ADuC842核心模塊電路的設(shè)計

本系統(tǒng)采用的ADuC842作為微控制器，ADuC842主要用于數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，具有強大的AD轉(zhuǎn)換功能，ADC精度為12位，8通道，采樣頻率為420 kb/s。本系統(tǒng)中AD輸入信號大于ADuC842帶隙電壓2.5 V，采用外部參考電壓，則要在上電后的初始化程序中將寄存器ADCON1置1使內(nèi)部參考電壓處于關(guān)斷狀態(tài)。ADuC842主要完成AD轉(zhuǎn)換，為低通濾波電路提供時鐘頻率，驅(qū)動紅外光源，液晶顯示，按鍵處理以及與上位機的串口通信。

微控制器核心模塊電路如圖2所示，外部鏈接頻率為32.768 kHz的晶振，經(jīng)過ADuC842內(nèi)部的PLL電路產(chǎn)生頻率為16.777216 MHz的高精度時鐘信號。復(fù)位電路采用MAX708芯片，當WR端的復(fù)位按鈕按下時，MAX708將輸出200 ms的復(fù)位脈沖使ADuC842復(fù)位。PSEN引腳為低電平時，ADuC842進入串口下載模式，PSEN引腳為高電平時，進入正常工作模式。EA引腳為低電平時，ADuC842訪問外部存儲器，EA引腳為高電平時。訪問內(nèi)部存儲器。

4　軟件設(shè)計

4.1軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

以uC/OSII為嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計重點是任務(wù)的設(shè)計，。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4，本文以R134a制冷劑鑒別儀的功能將應(yīng)用軟件劃分為4個任務(wù)：系統(tǒng)初始化任務(wù)、采樣鑒別任務(wù)、液晶顯示任務(wù)、看門狗任務(wù)。除了任務(wù)的設(shè)計還要設(shè)計中斷服務(wù)子程序，中斷服務(wù)子程序包括串口中斷、AD采樣中斷以及按鍵中斷。通過uC/OS對任務(wù)優(yōu)先級的配置，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性功能。

4.2系統(tǒng)主函數(shù)設(shè)計

主函數(shù)的功能主要包括初始化uC/OSII，創(chuàng)建應(yīng)用軟件中的四個任務(wù)和任務(wù)通信的信號量，最后通過uC/OSII對任務(wù)進行調(diào)度。

4.3系統(tǒng)初始化任務(wù)

系統(tǒng)初始化任務(wù)具有最高的任務(wù)優(yōu)先級，每次系統(tǒng)上電后只執(zhí)行一次就被刪除。初始化中斷控制寄存器，定時器，看門狗以及外圍設(shè)備。

4.4采樣鑒別任務(wù)

AD轉(zhuǎn)換采用定時器2，兩個通道信號為2 Hz正弦波，為提高采樣準確性，每個周期連續(xù)采樣256個點，取其峰峰值，參考通道電壓值和測量通道電壓值交替采樣，所以每個周期共采樣512個點。AD采用中斷模式，一個通道完成一次AD采樣系統(tǒng)中斷調(diào)用uC/OSII提供的應(yīng)用程序接口OSSemPost（ADCISem）釋放ADCISem信號量，另一個通道通過OSSemPend（ADCISem，0，&err）接收到ADCISem信號量后開始采樣，這樣交替采樣，分別采集256個點。采集256個點后停止采樣，采樣完成后用上文的R134a制冷劑鑒別算法鑒別。

圖3　微控制器核心模塊電路

圖4　軟件總體結(jié)構(gòu)

圖5　系統(tǒng)主函數(shù)

5　結(jié)束語

文中以紅外氣體檢測原理，推導(dǎo)出R134a濃度的鑒別算法，完成了基于ADuC842的制冷劑氣體檢測儀的研制，ADuC842作為微處理器能夠從硬件上實現(xiàn)對R134a濃度的快速采樣鑒別，該系統(tǒng)整體上應(yīng)用方便，響應(yīng)速度快，精度較高，能夠滿足實際應(yīng)用的要求。但本設(shè)計仍存在一些問題，芯片的功耗還可以降低，可以使用體積更小的紅外光源。

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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稿件編號：201505156

吳永忠（1964—），男，四川武勝人，博士，教授。研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。