摘 要:采用氣體傳感器陣列采集氣體信息,通過(guò)以AT89C51 和ADC0809 組成的核心單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理,以LED 顯示器顯示結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種氣體的識(shí)別和檢測(cè)。
氣體傳感器是一種能將氣體種類(lèi)及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)的裝置。根據(jù)這些電氣信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息,從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警。因此由氣體傳感器與模式識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成的智能化氣味識(shí)別儀器有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,如食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、安全檢查等,越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。
傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)大多采用單氣體檢測(cè)方式, 即每測(cè)量一種氣體需要一種測(cè)量?jī)x表。用一種儀器能夠進(jìn)行多種氣體的檢測(cè)和識(shí)別是氣體檢測(cè)儀的發(fā)展趨勢(shì),而本設(shè)計(jì)采用酒精傳感器、甲烷傳感器、一氧化碳傳感器等多種氣體傳感器組成傳感器陣列,通過(guò)傳感器陣列能把氣體中的特定成分檢測(cè)出來(lái),并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào),然后采用ADC0809 將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),運(yùn)用AT89C51 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算,并通過(guò)LED 顯示氣體種類(lèi)和濃度信息,這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種氣體的定性識(shí)別和檢測(cè)。
1 硬件電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)硬件電路由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示和報(bào)警等部分組成,涉及的芯片有AD0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、AT89C51單片機(jī)、SUN7474頻率發(fā)生器以及一些氣體傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、復(fù)位電路和LED 顯示模塊。系統(tǒng)的功能框圖如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)功能框圖
1.1 氣體傳感器陣列
氣體傳感器陣列是電子嗅覺(jué)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成單元,相當(dāng)于初級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元,由具有廣譜響應(yīng)特性、交叉靈敏度較大、對(duì)不同氣味/氣體有不同靈敏度的氣敏元件組成。
氣體傳感器是組成氣體傳感器陣列的核心器件。氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測(cè)出來(lái),并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件。通常,氣體傳感器陣列可以采用數(shù)個(gè)單獨(dú)的氣體傳感器組合而成,并采用集成工藝制作,體積小,功耗低,便于信號(hào)的集中采集與處理。單個(gè)氣體傳感器與傳敏陣列在特性上有質(zhì)的區(qū)別,單個(gè)氣體傳感器對(duì)氣味/ 氣體的響應(yīng)可用強(qiáng)度來(lái)表示,而氣敏傳感器陣列除了各個(gè)傳感器的響應(yīng)外,在全部傳感器組成的多維空間中形成響應(yīng)模式,在環(huán)境條件一定的情況下,陣列上的響應(yīng)模式與其激勵(lì)是一一對(duì)應(yīng)的,而這正是該系統(tǒng)能對(duì)多種氣味和氣體進(jìn)行辨識(shí)的關(guān)鍵所在。
本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)酒精、甲烷、一氧化碳?xì)怏w的定性和定量分析,首先最重要的工作是選擇合適的傳感器,通過(guò)對(duì)性能、可實(shí)現(xiàn)性、價(jià)格等的對(duì)比,針對(duì)酒精氣體,選擇的是MQ-303A酒精傳感器,針對(duì)甲烷氣體,采用的是MQ-4 半導(dǎo)體氣體傳感器,針對(duì)一氧化碳?xì)怏w,選擇的是V-40 一氧化碳傳感器,由這三種傳感器組成傳感器陣列。
該設(shè)計(jì)通過(guò)氣體傳感器陣列采集氣體信息,并將采集到的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào),然后送到ADC0809 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
1.2 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
由氣體傳感器陣列輸出的微弱電信號(hào),經(jīng)各自信號(hào)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,使其轉(zhuǎn)換為O ~5V 范圍內(nèi)變化的直流信號(hào),送到A/D 轉(zhuǎn)換電路變換為數(shù)字信號(hào),對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。
為了方便與89C51 單片機(jī)的連接,本系統(tǒng)選用ADC0809芯片對(duì)采集到的氣體信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其分辨率為8 位,不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿(mǎn)度調(diào)整,且具有高阻抗斬波穩(wěn)定比較器,8個(gè)通道的多路開(kāi)關(guān)可直接存取8 個(gè)單端模擬信號(hào)中的一個(gè)。利用單片機(jī)寫(xiě)啟動(dòng)A / D 轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換結(jié)束后再由ADC0809 向89C51 發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào),CPU 響應(yīng)中斷請(qǐng)求。通過(guò)對(duì)譯碼器的讀操作,讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并送到被測(cè)量的相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)。再重新選擇被測(cè)量,并再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后中斷返回。ADC0809與單片機(jī)89C51 連線(xiàn)線(xiàn)路如圖2 所示。
圖2 ADC0809 與89C51 的連線(xiàn)線(xiàn)路
微處理器采用的是AT89C51 芯片。
89C51 單片機(jī)是ATMEL、PHILIPS和SST等公司生產(chǎn)的與80C51 兼容的低功耗、高性能8 位單片機(jī),具有比8031 更豐富的硬件資源,特別是其內(nèi)部增加的閃速可電改寫(xiě)的存儲(chǔ)器Flash ROM給單片機(jī)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便,且芯片價(jià)格非常便宜。在該系統(tǒng)中89C51 主要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,按各種氣體濃度的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出其濃度,由數(shù)碼管顯示其相應(yīng)的氣體種類(lèi)及濃度值,當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí),進(jìn)行報(bào)警。
該系統(tǒng)還采用了分頻器SUN7474.分頻器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行2的n次方分之一的分頻,例如把32768HZ 的脈沖信號(hào)變成1HZ的秒信號(hào)。通常利用T觸發(fā)器實(shí)現(xiàn),每來(lái)一個(gè)脈沖后觸發(fā)器狀態(tài)改變一次,經(jīng)過(guò)n個(gè)T觸發(fā)器處理后就可以得到2的n次方分之一的分頻信號(hào)。89C51接12MHZ晶振,經(jīng)ALE端后輸出到分頻器為2MHZ,分頻器進(jìn)行分頻后為ADC0809 提供所需的工作時(shí)鐘。
1.3 顯示電路
在該設(shè)計(jì)中,LED 顯示器的顯示方法采用動(dòng)態(tài)顯示。LED 動(dòng)態(tài)顯示的基本做法在于分時(shí)輪流選通數(shù)碼管的公共端,使得各數(shù)碼管輪流導(dǎo)通,在選通相應(yīng)LED后,即在顯示字段上得到顯示字形碼。這種方式不但能提高數(shù)碼管的發(fā)光效率,并且由于各個(gè)數(shù)碼管的字段線(xiàn)是并聯(lián)使用的,從而大大簡(jiǎn)化了硬件線(xiàn)路。本設(shè)計(jì)中處理結(jié)果采用4位LED顯示,首位顯示氣體類(lèi)別,后3 位顯示氣體濃度。逐位輪流點(diǎn)亮各個(gè)LED,每一位保持1ms,在10~20ms 之內(nèi)再一次點(diǎn)亮,重復(fù)不止。這樣利用人的視覺(jué)停留,好像4 位LED 同時(shí)點(diǎn)亮一樣。
綜上可得,基于單片機(jī)的多氣體檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示電路如圖3。
圖3 多氣體檢測(cè)系統(tǒng)電路
2 軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示和報(bào)警幾個(gè)模塊組成。
主程序流程圖為圖4。
圖4 主程序流程圖
AD0809 部分程序流程圖為圖5。
#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
圖5 AD0809 部分程序流程圖
顯示子程序流程圖如圖6。
圖6 顯示子程序流程圖
結(jié)語(yǔ)
本文介紹了進(jìn)行多氣體分析的電子嗅覺(jué)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中采用多傳感器組成傳感器陣列,可針對(duì)多種不同氣體進(jìn)行信息采集、信息轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理,最后顯示氣體種類(lèi)和濃度信息,為多種氣體的檢測(cè)提供了一種切實(shí)可行的解決方案。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。