基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计毕业论文

基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计毕业论文内容摘要：

气体传感器主要可以 分为金属氧化物半导体式传感器、固体电解质传感器、红外式传感器等，一般的半导体传感器测量时受环境影响较大，输出线性不稳定；电解式气体传感器气体的重复性比较差；红外线吸收散射式气体传感器灵敏度高，可重复性好，响应时间快，考虑到系统的长期稳定性和经济性选择采用红外二氧化碳传感器 6004。 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计 说明 书 8 红外二氧化碳传感器的工作原理 本课题所选用的二氧化碳传感器是美国 telaire 公司生产的红外二氧化碳传感器6004，此传感器基于气体对红外光吸收的郎伯 比尔吸收定律，采用国际上最新的电调制红外光源、高灵敏度滤光传 感一体化红外传感器、高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室等，实现不同浓度、气体的高精度连续检测。 其测量精度：二氧化碳浓度相对误差 2%；检测重复性 1%；测量范围：二氧化碳浓度 0～ 5%。 ： 当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收作用，其吸收关系服从朗伯 比尔吸收定律。 设入射光是平行光，其强度为 错误 !未找到引用源。 ，出射光的强度为 错误 !未找到引用源。 ，气体介质的厚度为 错误 !未找到引用源。 ．当由气体介质中的分子数 错误 !未找到引用源。 的吸收 所造成的光强减弱为 错误 !未找到引用源。 时，根据朗伯 比尔吸收定律： 错误 ! 未找到引用源。 （ ） 式中 K 为比例常数。 经积分得： 错误 ! 未找到引用源。 （ ） 式中： 错误 !未找到引用源。 为吸收气体介质的分子总数； 错误 !未找到引用源。 为积分常数。 显然，有： 错误 !未找到引用源。 式中 错误 !未找到引用源。 为气体浓度。 则式（ ）可写成： 错误 !未找到引用源。 （ ） 式（ ）表明：光强在气体介质中随浓度 错误 !未找到引用源。 及厚度 错误 !未找中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计 说明 书 9 到引用源。 按指数规律衰减。 吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数 错误 !未找到引用源。 互不相同。 对同一气体， 错误 !未找到引用源。 随入射波长而变。 若吸收介质中含 错误 !未找到引用源。 种吸收气体，则式（ ）应改为 错误 !未找到引用源。 （ ） 因此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。 图 NDIR 红外气体分析示意图 图 为 NDIR 红外气体分析原理图。 分析二氧化碳气体时，红外光源发射出 1～ 20错误 !未找到引用源。 的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个 错误 !未找到引用源。 波 长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过 !未找到引用源。 波长红外光的强度，以此表示二氧化碳气体的浓度。 A/D 转换器及其接口电路 接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。 单片机接口技术 【 18】 是研究单片机与外部芯片之间如何交换信息的技术，外部的各种信息通过输入接口送入单片机，而单片机的各种信息通过输出接口送到外部芯片中，因此单片机需要通过信息转换器件实现信息的交流与控制。 人们把由模拟量到数字量转换器件（ Analog to Digital Converter） 称为模拟 — 数字转换器，简称 A/D 转换器或 ADC；把由数字量到模拟量转换的器件（ Digital to Analog Converter）称为数字 — 模拟转中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计 说明 书 10 换器，简称 D/A 转换器或 DAC。 常用的 A/D 转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，前者转换时间短，但抗干扰能力差；后者转换时间长，抗干扰能力较强。 因此在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，易采用双积分式 A/D 转换器。 在常用的 A/D 转换芯片（如 ADC080 ADC083 ICL7109 等）中， ADC0832 与其余几种有所不同， ADC0832 是 美国国家半导体公司 生产的一种 8 位分辨率 、 双通道 A/D转换芯片。 由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎 ，其目前已经有很高的普及率。 学习并使用 ADC0832 可是使我们了解 A/D 转换器 的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。 因此它广泛应用在速度要求不高，而精度要求较高的各种领域中。 本文用单片机的串行方式采集 ADC0832 的数据 【 19】。 图 ADC0832 封装以及各端子。 图 ADC0832 封装以及各端子 ADC0832 的主要 特点 及管脚 ADC0832 的主要 特点 有： 178。 8 位分辨率 ； . 逐次逼近式 A/D 转换器 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计 说明 书 11 178。 双通道 A/D 转换； 178。 输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容； 178。 5V 电源供电时输入电压在 0~5V 之间； 178。 工作频率为 250KHZ，转换时间为 32μS ； 178。 一般功耗仅为 15mW； 178。 8P 、 14P— DIP（双列直插）、 PICC 多种封装； 178。 商用级芯片温宽为 0176。 C to +70176。 C ，工业级芯片温宽为 −40176。 C to +85176。 C ； 芯片接口说明： 178。 CS 片选 使能，低电平芯片使能。 178。 CH0 模拟输入通道 0，或作为 IN+/使用。 178。 CH1 模拟输入通道 1，或作为 IN+/使用。 178。 GND 芯片参考 0 电位（地）。 178。 DI 数据信号输入，选择通道控制。 178。 DO 数据信号输出，转换 数据输出。 178。 CLK 芯片时钟输入。 178。 Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。 其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 0~5V 之间。 芯片转换时间仅为 32μS ，据有双 数据输出 可作为 数据校验 ，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。 独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。 通过 DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计 说明 书 12 ADC0832 与单片机的接口电路 ： 图 ADC0832 与单片机的接口 电路 ADC0832 为 8位分辨率 A/D转换芯片，其最高分辨可达 256级，可以适应一般的模拟量转换要求。 其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 0~5V之间。 芯片转换时间仅为 32μ S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误转换速度快且稳定性能强。 独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。 通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 单片机对 ADC0832 的控制原理： 正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4条数据线，分别是 CS、 CLK、 DO、 DI。 但由于 DO端与 DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将 DO和 DI 并联在一根数据线上使用。 （见图 ）当 ADC0832未工作时其 CS输入端应为高电平，此时芯片禁用， CLK 和 DO/DI 的电平可任意。 当要进行 A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。 此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲， DO/DI端则使用 DI端输入通道功能选择的数据信号。 在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI端必须是高电平，表示启始信号。 在第 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计 说明 书 13 3个脉冲下沉之前 DI端应输入 2 位数据用于选择通道功能，其功能项见表 1。 表 1 如表 1所示，当此 2位数据为“ 1”、“ 0”时，只对 CH0 进行单通道转换。 当 2位数据为“ 1”、“ 1”时，只对 CH1进行单通道转换。 当 2 位数据为“ 0”、“ 0”时，将 CH0作为正输入端 IN+， CH1作为负输入端 IN进行输入。 当 2 位数据为“ 0”、“ 1”时，将CH0作为负输入端 IN， CH1 作为正输入端 IN+进行输入。 到第 3 个脉冲的下沉之后 DI端的输入电平就失去输入作用，此后 DO/DI端则开始利用数据输出 DO进行转换数据 的读取。 从第 4个脉冲下沉开始由 DO端输出转换数据最高位 DATA7，随后每一个脉冲下沉 DO端输出下一位数据。 直到第 11个脉冲时发出最低位数据 DATA0，一个字节的数据输出完成。 也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11个字节的下沉输出 DATD0。 随后输出 8位数据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次 A/D转换的结束。 最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。 更详细的时序说明请见表 2。 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计 说明 书 14 表 2 作为单通道模拟信号输入时 ADC0832的输入电压是 0~5V且 8位分辨率时的电 压精度为。 如果作为由 IN+与 IN输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。 但值得注意的是，在进行 IN+与 IN的输入时，如果 IN的电压大于 IN+的电压则转换后的数据结果始终为 00H。 ADC0832 芯片接口程序的编写： 为了高速有效的实现通信，我们采用汇编语言编写接口程序。 由于 ADC0832 的数据转换时间仅为 32μ S，所以 A/D转换的数据采样频率可以很快，从而也保证的某些场合对A/D转换数据实时性的要求。 数据读取程序以子程序调用的形式出现，方 便了程序的移植。 程序占用资源有累加器 A，工作寄存器 R7,通用寄存器 B 和特殊寄存器 CY。 通道功能寄存器和转换值共用寄存器 B。 在使用转换子程序之前必须确定通道功能寄存器 B 的值，其赋值语句为“ MOV B,data”（ 00H~03H）。 运行转换子程序后的转换数据值被放入 B 中。 子程序退出后即可以对 B 中数据处理。 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计 说明 书 15 图 ADC0832 数据读取程序流程： 串行通信接口设计 MCS52 单片机内部有一个全双工的串行通信口，即串行接收和发送缓冲器（ SBUF），这两个在物理上独立的接收发送器，既可 以接收数据也可以发送数据。 但接收缓冲器只能读出不能写入，而发送缓冲器则只能写入不能读出，它们的地址为 99H。 这个通信口既可以用于网络通信，亦可实现串行异步通信，还可以构成同步移位寄存器使用。 如果在串行口的输入输出引脚上加上电平转换器，就可方便地构成标准的 RS232 接口 【 19】【 20】。 RS232 简介 RS232C 是美国电子工业协会（ EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计 说明 书 16 准总线。 适用于终端设备（ DTE）和数据通信设备（ DCE）之间的接口。 最高数据传送速率可达 ，最长传 送电缆可达到 15 米。 RS232 标准定义了 25 根引线，对于一般的双向通信，只需使用串行输入 RXD，串行输出 TXD 和地线 GND， RS232 标准的电平采用负逻辑，规定 +3V～ +15V 之间的任意电平为逻辑 0 电平 ,3V～ 15V 之间的任意电平为逻辑 1 电平，与 TTL 和 CMOS 电平是不同的。 在接口电路和计算机接口芯片中大都是TTL/CMOS 电平，所以在通信时，必须进行电平转换，以便与 RS232 标准的电平匹配。 MAX232C 芯片可以完成电平转换这一工作。 MAX232C 芯片是 MAXIM 公司生产的低功耗，单电源双 RS232 发 送 /接受器。 MAX232C 芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V 电源变换为 RS232 输出电平所需要的177。 10V 电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的 +5V 电源即可。 MAX232C 外围需要 4 个电解电容 C1， C2， C3， C4，它们是内部电源转换所需电容，其取值均为 1μ F/16V，选用钽电容并且应尽量靠近芯片； C5为 F 的去藕电容。 MAX232C 的引脚 T1IN， T2IN， R1OUT， R2OUT 为接 TTL/CMOS 电平的引脚，引脚 T1OUT， T2OUT， R1IN， R2IN 为接 RS232C 电平 的引脚，因此 TTL/CMOS 电平的 T1IN， T2IN 引脚应接 MCS51 的串行发送引脚 TXD； R1OUT， R2OUT 应接 MCS51 的串行接收引脚 RX。