基于AT89C52的非分散紅外測(cè)油儀的研制

　　(1)電路結(jié)構(gòu)

　　相敏檢測(cè)電路如圖3 所示, 其中U1:A 為過(guò)零電壓比較器,D1 為檢波二極管; 2N2222A 為晶體管電子開(kāi)關(guān); U1:B 為差動(dòng)放大器, 對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大與合成。U1 采用了一片具有“軌到軌(rail- to- rail)”特性的低壓四運(yùn)算放大器TLC2274。

　　(2)工作原理

　　輸入信號(hào)Us(t)同時(shí)輸入U(xiǎn)1:A 和U1:B, 輸入信號(hào)Us(t)經(jīng)U1:A 和D1 組成的整形電路后的輸出U1(t)是與輸入信號(hào)Us(t)同頻、同相, 占空比1:1 的方波。此方波信號(hào)是控制電路電流流通的開(kāi)關(guān), 為晶體三極管2N2222A 提供基極電壓, 控制電子開(kāi)關(guān)的動(dòng)作, 決定晶體管集電極信號(hào)U3(t)。由三極管工作原理知:

　　由式(3)知, 從相敏檢波器輸出信號(hào) Uo(t)中得到了被測(cè)信號(hào)Us(t)。由電阻 R5 和電容C2 組成的低通濾波器對(duì)運(yùn)放U1:B 輸出信號(hào)Uo(t)進(jìn)行低通濾波, 可得到直流信號(hào), 此信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī), 進(jìn)過(guò)處理后就可得到樣品溶液的濃度。通過(guò)調(diào)整 Rf 可以改變運(yùn)放U1:B 對(duì)信號(hào)放大的幅度。

　　3 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　測(cè)油儀單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示, 系統(tǒng)全部采用新型I2C 或SPI 集成電路芯片設(shè)計(jì), 主要由單片機(jī) AT89C52、A/D 轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘電路、看門狗電路、液晶顯示器、打印機(jī)、串行通信接口電路、小鍵盤、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器幾大部分組成。經(jīng)過(guò)調(diào)制后的脈沖光傳送到光電導(dǎo)傳感器, 光電導(dǎo)傳感器將入射光強(qiáng)度I0和透射光強(qiáng)度 I 轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào), 此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和處理后變?yōu)榕c光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào), 單片機(jī)通過(guò)雙通道A/D 轉(zhuǎn)換器AD7705 采集這兩個(gè)電壓信號(hào)。

　　為了記錄測(cè)量時(shí)間, 需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘, DS1302 是高性能、低功耗的時(shí)鐘芯片, 為系統(tǒng)提供秒、分、時(shí)、日、周、月、年等信息。系統(tǒng)采用 X25045 芯片實(shí)現(xiàn)看門狗、電壓監(jiān)視、存儲(chǔ)電路。為提高人機(jī)交互能力, 采用漢字點(diǎn)陣液晶顯示器, 配合三個(gè)功能按鍵, 實(shí)現(xiàn)多級(jí)菜單。同時(shí)配備了微型打印, 可將測(cè)量結(jié)果打印備份[7]。系統(tǒng)還具有與 PC 機(jī)通信的功能, 可將測(cè)量結(jié)果通過(guò)串口傳送到計(jì)算機(jī), 由計(jì)算機(jī)對(duì)各次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合處理。此外為了完成調(diào)制功能, 單片機(jī)必須為步進(jìn)電機(jī)提供步進(jìn)脈沖,步進(jìn)電機(jī)以 300r/min 的速度旋轉(zhuǎn), 單色光經(jīng)調(diào)制盤調(diào)制后產(chǎn)生500Hz 的脈沖光。

　　4 儀器的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示打印、數(shù)據(jù)通信等功能。包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、時(shí)鐘讀取子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、LCD 顯示子程序、打印控制子程序、按鍵處理子程序等。系統(tǒng)主程序是測(cè)油儀的重要程序, 它負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)的各應(yīng)用程序模塊, 并與系統(tǒng)的外部設(shè)備及時(shí)交換信息,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟、硬件資源的整體管理。系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

　　單片機(jī)主程序第一次運(yùn)行時(shí), 首先初始化時(shí)鐘芯片為當(dāng)前時(shí)間(以后可以省去時(shí)鐘芯片的初始化), 若用戶選擇了測(cè)量功能, 單片機(jī)讀取時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘, 采集入射光強(qiáng)I0 和透射光強(qiáng)I 并計(jì)算吸光度 A, 查表求得溶液油濃度 C, 然后保存并顯示測(cè)量結(jié)果。之后, 若用戶選擇了打印功能, 則對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行打印輸出; 若用戶選擇了通信功能, 則將測(cè)量結(jié)果傳送給上位 PC 機(jī)。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　基于AT89C52 單片機(jī)的非分散紅外測(cè)油儀采用先進(jìn)的光源調(diào)制技術(shù)和相敏檢測(cè)技術(shù), 利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行歸一化處理和對(duì)各部分的控制, 具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性并且體積小適于野外使用。利用此儀器, 可以準(zhǔn)確檢測(cè)出水中礦物油和動(dòng)植物油的污染物含量。目前, 國(guó)家各級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)站把水和土壤中油的污染作為必測(cè)項(xiàng)目。該儀器的研制將為我國(guó)各級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)站測(cè)量水質(zhì)污染提供技術(shù)支持和方便快速的測(cè)量手段。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 基于 AT89C52 單片機(jī)的非分散紅外測(cè)油儀采用最新集成電路芯片和軟件設(shè)計(jì), 為水中油濃度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)、快捷的便攜式設(shè)備。該測(cè)油儀具有以下特點(diǎn):

　　(1)采用切光器對(duì)紅外光進(jìn)行調(diào)制, 將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào), 有效的抑制了背景噪聲, 使信號(hào)變得容易處理。采用相敏檢測(cè)技術(shù)對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行提取, 極大提高了系統(tǒng)的信噪比。光源調(diào)制技術(shù)和相敏檢測(cè)技術(shù)這兩種技術(shù)相結(jié)合有效的解決了此類儀器開(kāi)發(fā)中微弱信號(hào)的提取這一難題。

　　(2)單片機(jī)系統(tǒng)采用I2C 和SPI 總線, 硬件電路簡(jiǎn)單, 程序設(shè)計(jì)方便。

　　參考文獻(xiàn)

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