甲醛测量设计系统毕业论文(编辑修改稿)

甲醛测量设计系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

； 最大精度为 ； 工作环境温度范围为 20~45 0C。 具体规格如表 所示 表 甲醛传感器 CH20/S10 技术指标 [13] 技术指标 说明 技术 指标 说明 测量范围 0 10 ppm 最大零点漂移(20℃ to 40℃ ) ppm 最大负荷 50ppm 长期漂移 2% /每月 工作寿命 空气中 3年 推荐负载值 10Ω 输出 1200177。 300nA/ppm 420mA(甲醛模块 ) 偏置电压 无需 分辨率 ppm 线性度输出 线性 温度范围 20℃ to 45℃ 重复性 2% 压力范围 大气压 177。 10% 存储温度 5℃ to 20℃ 响应时间 (T 90) 50 seconds 存储寿命 6个月（容器内） 湿度 范围 1590 %RH（非凝结） 重量 约 32 克 可以从表中得技术指标看出所选用的这个甲醛传感器 CH20/S10 的 测量范围为 0 10 ppm 的甲醛气体并 输出线性的 4~20mA 电流信号。 因此，系统设计时，只需要通过一定的信号调理和 A/D 转化便可将传感器输出信号转化为单片机可用数字信号。 基于甲醛传感器不可避免存在的零漂现象，在软件中设置了相应的零 甲醛测试仪的研究与设计 12 漂补偿操作从而进一步提高了系统的精度和稳定性。 数据采集系统设计 数据采集系统是指定时对模拟输入信号进行采样，并转换为数字量，再以特定算法进行数据处 理（如数据滤波）的整个过程，以便于下一步将结果输出。 数据采集模块的设计是系统的一个关键部分，所采集的数据的准确性直接关系到整个系统设计的质量。 考虑到所选用的甲醛传感器输出的信号为 4~20mA 的线性电流，而后续信号 A/D转换选用的芯片 AD574A选择的是 0~20V的输入端口，故只需要用一个简单的 I/V转换电路便可实现信号调理。 数据采集系统的结构流程如图 所示，首先由传感器进行采样得到原始数据后输出了 4~20mA 的直流电流信号 ，通过一个 I/V转换电路将直流电流信号变成更为常用的 ~ 16V的电 压信号，通过一个反相跟随器后， ~ 16V的电压信号转化成 ~16V 的正电压信号，至此完成了信号的调理过程；将调理后的模拟信号输入 12 位 AD 转换芯片 AD574A 进行处理得到了单片机可用的数字信号。 图 数据采集系统的结构流程 接下来，将分别具体介绍数据采集系统所使用的 I/V 变化电路和 AD转换电路的详细情况 一、简单 I/V变化电路 在检测技术中，为了便于长距离传输，测试信号经常采用的是电流形式，有些传 感器的输出也是采用电流形式，而在实际检测仪器中的测量电路多数是采用传感器 I/V转换电路 反相跟随器 AD574A 89C51 单 片 机 4~20mA ~ 16V ~16V 数字信号 第三章 数据采集系统设计 13 电压信号形式工作的，因此，在设计这类自动测试仪器中，总是先用 I/V变换电路将仪器输入端的电流信号变换成电压信号，然后才进行实际的测量过程。 图 给出了两种常见的 I/V变化方法，图 中测试电流 Ix（常见为 4~20mA直流信号）经导线长距离传输，送到自动测试仪输入端以后，仪器要用一个精密电阻 Rx（常见为 250 欧姆）将 Ix 变化成信号电压 Ux（ =IxRx）。 只要 Rx 选择恰当， Ux 就可以与仪器输入端的要求相匹配。 在恒流源回路中， Rx不能选 得太大，否则会引起测量误差。 为了改善这种情况，可以采用运算放大器电路结构，如图 所示，这时 Ux=RxIx （ 31） 而等效电路回路的负载电阻只有 Rx’=Rx/K0，由于 K0 为运算放大器的开环放大倍数，约为 104~105，故 Rx’几乎等于零。 因此这种电路可以得到较好的转换效益。 通过调节 Rx 的大小，可以获得满意的 Ux 测试电压大小。 图 a 简单 I/V转换 b 运放 I/V转换 在本次设计中我选择了 的运方式 I/V转换电路，由甲醛传感器 CH20/S10输出的了线性的 4~20mA 电流信号，而在后续的 A/D 转换芯片选择的是 AD574A（有多种输入信号选择方式，本次设计选择的是 0~20v 的单极性输入），故而选用了一个 800 欧姆的普通电阻，这样由该 I/V转换电路输出为 Ux=RxIx=800*（ 4~20mA） =~16V (32) 甲醛测试仪的研究与设计 14 则在后续电路加入一个反相跟随器即可得到正极性的 ~16 电压信 号，完全和A/D574A 的输入匹配。 具体电路如图 所示。 图 信号调理电路 二、 A/D 转换 A/D 转换器是指通过一定的电路将模拟量转变为数字量。 A/D 转换器芯片种类很多，按照转换原理的不同分为计数器式 A/D、逐次逼近式 A/D、双积分式 A/D、并行 A/D 等多种芯片。 A/D 转换后，输出的数字信号有 8 位、 l0 位、 12 位等。 本毕业设计采用的是 12 位转换精度的逐次逼近式 A/D 芯片。 （一） A/D转换器的主要性能参数 1. 分辨率 分辨率是指 A／ D 转换器能分辨的最小模拟输入量。 通常用能转换成的数字量的 位数来表示，如 8 位、 10 位、 12 位等。 2. 转换时间 转换时间是 A／ D 完成一次转换所需的时间。 比如本毕业设计采用的 AD574A第三章 数据采集系统设计 15 最快转换时间是 25s。 3. 量程 量程是指所能转换的输入电压范围。 比如本毕业设计采用的 AD574A 有 10V 和20V两种可选择的输入量程，在本设计中选择的是 0～ 20V 的量程。 4. 精度 A／ D 转换精度分为绝对精度和相对精度两种。 （ 1）绝对精度：是指对应于 — 个给定量， A／ D转换器的误差，其误差大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。 （ 2）相对精度：由相对误差决定。 相对误差是 指绝对误差与满刻度值之比，— 般用百分数表示。 例如，对于本设计采用的是 12位 0～ 20V的 A／ D转换器，如果其绝对误差为： 14096 20= (33) 则其相对误差为 %。 （二） A/D转换常用的软件控制方式 常用的控制方式主要有：程序查询方式、延时等待方式和中断方式。 微处理器向 A/D 转换器发出启动信号后，读入转换结束信号，查询转 换是否结束；若转换结束，可以读入数据；否则再继续查询，直至转换结束再读入数据。 微机 “ 查询 ” 消耗时间，效率低，但比较简单，可靠性高，实际应用还是比较普遍的。 本次设计采用的正是程序查询方式。 启动 A/D 后，根据 A/D 转换所需的时间。 软件延时等待，延时结束，读入数据。 这种方法可靠性高，不占用查询端口。 如本毕业设计采用的 AD574A 为 25s，因而只要设置一个延时≥ 25s 的程序再进行读入数据操作，也可以实现对 A/D 转换的控制。 微处理器启动 A/D 转换后可转去处理其他事情， A/D 转 换结束便向微处理器发出中断申请信号，微处理器响应中断后再来读入数据。 微处理器与 A/D 转换器并行工作，提高了工作效率。 本次设计并没有采用中断方式，因为在键盘操作中已 甲醛测试仪的研究与设计 16 经采用了一种中断方式的键盘设计，因此留出一个外部中断输入口留待日后的系统扩展之用。 （三）本检测系统采用的 12位 A/D 转换芯片 AD574A 的介绍 AD574A 是 12 位的 A/D 转换器，其主要特性： 12位快速逐次逼近型 A/D 转换器，其最快转换时间为 25s，转换误差为 1LSB，片内含有电压基准和时钟电路等，因而外围电路较少；数字量输出具有三态缓冲器 ，因而可直接与微处理器数据总线相连；模拟量输入有单极性和双极性两种方式，接成单极性方式时，输入电压范围为 0～ 10V 或 0～ 20V，接成双极性方式时，输入电压范围为 5V～ 5V， 10V～10V。 功耗 390mW。 1. 内部功能 内部结构主要包括逐次逼近寄存器 SAR、 D／ A 转换器、比较器、时钟以及控制逻辑电路等。 2. AD574A 主要引脚信号定义 AD574A 的逻辑真值表如表 所示。 表 AD574A的逻辑真值表 功能 CE CS R/C 12/8 A0 启动 12 位转换 1 0 0 0 启动 8 位转换 1 0 0 1 12 位并行输出有效 1 0 1 +5V 高 8位并行输出有效 1 0 1 DGND 0 低 4位并行输出有效（尾随 4个 0） 1 0 1 DGND 1 禁止 0 禁止 1 而各个主要的引脚的接线设计以及具体信号定义如下： ① 12/8 ：在本毕业设计中我令该引脚接地，该引脚是输出数据长度控制信号，高为 12 位，低为 8 位。 因此本设计中 12 位数据分为高 8 位和低四位两段输出。 ② A0：本毕业设计中我利用一个 74LS373 锁存器进行 控制该引脚。 它的引脚定义为转换数据长度选择控制信号，有两种含义：当 R/C为低时，即 A/D 转换过程中， A0 为高，启动 8 位 A/D 转换； A0 为低，启动 12第三章 数据采集系统设计 17 位 A/D 转换。 当 R/C 为高时即数据输出时， A0 为低，读取高 8 位 A/D转换结果； A0 为高，读取低 4位 A/D 转换结果。 ③ R/C ：本毕业设计中我利用一个 74LS373 锁存器进行控制该引脚。 其引脚信号定义为读 /启动信号，高时读 A/D 转换结果，低时启动 A/D 转换。 ④ CE：片使能信号，该信号与 CS信号一起有效时， AD574A 才可以进行转换或从 AD574A 输出转换后的 数据。 ⑤ DB11～ DB0： 12位数字量输出端，三态。 ⑥ STS：工作状态信号，高表示正在转换，低表示转换结束。 从转换被启动并使 STS 变高电平一直到转换周期完成这一段时间内， AD574A 对再送来的启动信号不予理睬，转换进行期间也不能从输出数据缓冲器读取数据。 本设计中该引脚接到 ，通过对 位访问获知 ADC是否结束。 AD574A 与 8位总线的单片机接线方法如图 所示 图 AD574A与 8位总线的单片机的接线方法 3. AD574A 工作原理介绍 AD574A 有单极性和双极性两种模拟输入方式。 这两种输入方式的接线图如图 甲醛测试仪的研究与设计 18 所示。 图 AD574A输入接线图 本设计中选用的是 AD574A 的单极性输入，由于信号采集调理电路输出的是~16v 的电压信号，考虑到可能会有超量程信号干扰，故选择从 20VIN 引脚输入模拟信号。 由表 可以知道，当 AD574A 启动前要先置位 R/C 为零，然后选通CE=1， CS=O，芯片就开始按照 A0 所定义的方式进行 ADC 过程，转换过程中 STS=1表示“忙”，转换结束之后，芯片以 STS=0 信号作为 AD 转换结束标志，开始进行数据输出。 数据的输出是由 12/8 和 A0 状态共同设定的，转换结果从 D11～ D0 输出。 在本设计中，为提高系统性能，选用了 AD574A 的 12 位转换功能，以保证精度，同时，为了保证 AD574A 在转化过程中 R/C 和 A0 能够持续保持正确电平信号，因此选择了由单片机输出控制信号并通过 74LS373 锁存器输出该控制信号，这样可以稳定可靠地控制进行 ADC 过程。 至于对 ADC 过程的控制，本设计选择了程序查询方式，具体方式是将 AD574A 的 STS 引脚与单片机 89C51 的 引脚相连，作为状态查询信号。 设置一个定时查询 信号电平变化的循环程序， 一旦发现 信号电平变化，则可得知 A/D 转换结束，可以马上将 ADC 结果读取到单片机内部 RAM，并根据结果进行数据处理，运算得到该数据对应的甲醛浓度值并进行显示，根据是否超限判断是否启动报警电路进行报警。 第三章 数据采集系统设计 19 在系统设计中，通过一个 74LS138 的三八译码器进行各个芯片的地址分配，74LS138 的 A、 B、 C 分别与 89C51 的 、 、 连接，其中 AD574A 的 CS引脚接到了 74LS138 的 Y0 端，外扩数据存储器 6264 的片选端接的是 74LS138 的Y1端，段码寄存器的使能信号端接到了 74LS138 的 Y2 端，行位寄存器的使能信号端接到了 74LS138 的 Y3 端，因此可以知道各个片子所分配到的地址如下： AD574A： 0000H 6264： 2020H～ 3000H；共有 8K 空间 段码寄存器： 4000H。