聚豐項(xiàng)目 > 基于STM32的高精度氣體傳感器的設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目應(yīng)用電調(diào)制紅外光源，根據(jù)朗伯—比爾（Lambert-Beer）吸收定律，采用熱釋電紅外傳感器，主要設(shè)計(jì)了一款高精度的氣體傳感器，用于檢測(cè)煤炭經(jīng)過燃燒以后均勻氣體中CO2、CO、SO2、H2的濃度，從而達(dá)到檢測(cè)煤炭中含C和S的百分比。
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團(tuán)隊(duì)成員
陳新喜 副教授
一：熱釋電紅外傳感器的組成和工作原理：
圖1雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖2：雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器實(shí)物圖
熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾 該傳感器在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測(cè)出物體放出的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。
熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號(hào)，并不能直接使用，因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式 該電阻阻抗高達(dá)104MΩ，故引入的N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式 即源極跟隨器 來(lái)完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。
圖1是一個(gè)雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時(shí)D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S端為信號(hào)輸出。該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測(cè)元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。
二：電調(diào)制非分光紅外傳感器氣體分析機(jī)理：
當(dāng)紅外光通過待測(cè)氣體時(shí)，氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收作用，其吸收關(guān)系服從朗伯—比爾（Lambert-Beer）吸收定律：設(shè)平行入射光的強(qiáng)度為I0，出射光的強(qiáng)度為I1，氣體介質(zhì)的厚度為L,氣體的濃度為c,氣體的吸收系數(shù)為，則其關(guān)系表達(dá)式為：
--（1）
其中是表示不同氣體的吸收系數(shù)，是表示不同氣體的濃度。
當(dāng)為多種混合氣體時(shí)，為了分析特定特定的氣體組分，需要在傳感器或者紅外光源前安裝一個(gè)適合分析氣體吸收波長(zhǎng)的窄帶濾光片，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測(cè)氣體的濃度變化。
三：硬件電路設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)的主要由一下幾個(gè)模塊組成：
圖3：系統(tǒng)硬件框圖
3.1 STM32主控電路圖
圖4：STM32主控電路及平臺(tái)硬件圖
3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路
圖5：A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖
3.3：信號(hào)處理電路
圖6：信號(hào)處理電路圖
4.1上位機(jī)監(jiān)控軟件
4.2 下位機(jī)控制程序
#include
#include "absacc.h"
#include "intrins.h"
//#include "string.h"
//#include "math.h"
#include
//#include
#define sum (2) //108 (76) (140)//(28) (22) (240)
#define Average (10)
#define Full_Scale (65000) //TBD adjust volatile resistance to get the value
#define Coefficient (6500) //TBD
#define nCHANNEL (2)
bit sample_flag,sampling_enabled;
//uint xdata signal_buffer[10],temp_buffer[10];
uchar data count,channel,Txd_count;
uint xdata sample_value[3][sum],average[3],adjust_value ; //signal_value[3],temp_value[3];
//uint xdata signal_average,temp_average;
uint xdata concentration;
//longint xdata signal_sum,temp_sum;
unsigned long int data sampling_buffer,sample_value24;
void data_processing(void)
{
uchar idata i,j,checkout;
// uint xdata tmp;
// longint xdata signal_sum;
// float idata tmp_val;
EA=false;
EX0=false;
// SCLK=true; //reset the a/d chip
/* for ( i=0;i<sum-1;i++ )
{
for ( j=i+1;j<sum;j++ )
{
if ( sample_value[i]<sample_value[j] )
{
tmp=sample_value[i];
sample_value[i]=sample_value[j];
sample_value[j]=tmp;
}
}
} */
// signal_sum=0;
/* for ( i=6;i<sum-6;i++ )
{
signal_sum+=sample_value[i];
}
average[!channel]=signal_sum/(sum-12); */
//////////////////////////////////////////////////
/* for ( i=0;i<sum;i++ )
{
signal_sum+=sample_value[0][i];
}
average[0]=signal_sum/sum; //use
*/
// sample_value24=sample_value24/sum;
//average[0]=average[0]*2; //test
/* signal_sum=0;
for ( i=0;i<sum;i++ )
{
signal_sum+=sample_value[1][i];
}
average[1]=signal_sum/sum; */
//average[1]=average[1]*2; //test
////////////////////////////////////////////
/* if ( sample_value[0][0]>0x7000 )
{
adjust_value=sample_value[0][0]-0x7000;
sample_value[2][0]=sample_value[1][0]+adjust_value;
} */
////////////////////////////////////////////
sample_flag=false;
//if ( !channel )
{
Txd_count++;
Send_Disp(0x55);
i=0;
j=0;
checkout=0;//i^j;
i=sample_value[0][0]>>8;
j=sample_value[0][0]&0x00ff;
checkout=i^j;
Send_Disp(i);
Send_Disp(j); // so2
i=sample_value[1][0]>>8;
j=sample_value[1][0]&0x00ff;
checkout=checkout^i^j;
Send_Disp(i);
Send_Disp(j); //co2 h2o
Send_Disp(Txd_count);
Send_Disp(0);
checkout=checkout^Txd_count^0;
/* i=sample_value[2][0]>>8;
j=sample_value[2][0]&0x00ff;
checkout=checkout^i^j;
Send_Disp(i);
Send_Disp(j); //H2O check temp
*/
Send_Disp(checkout);
}
//SCLK=false;
_nop_();
LED_Green=Txd_count/128; //!LED_Green;
EA=true;
//EX0=true;
/*
maximal=sample_value[0];
minimal=sample_value[0];
for ( i=1;i<Filter_times;i++ )
{
if ( maximal<sample_value[i] )
{
serial_number[0]=i;
maximal=sample_value[i];
}
else if ( minimal>sample_value[i] )
{
serial_number[0]=i;
minimal=sample_value[i];
}
} */
/* float idata nVoltage;
sample_flag=false;
count++;
if ( count>Filter_times )
{
//signal_sum += adjust_signal(); //sample_value[0];
nVoltage=signal_sum/Average;
nVoltage=Full_Scale/nVoltage;
nVoltage=log(nVoltage);
concentration=nVoltage*Coefficient;
//ES=false;
Send_Disp(concentration&0x00ff);
Send_Disp(concentration>>8);
//ES=true;
signal_sum=0;
temp_sum=0;
count=0;
}
else
{
;//signal_sum += adjust_signal(); //sample_value[0];
//temp_sum += adjust_signal(1); //sample_value[1];
}
*/
}
/*
uchar rec_len;
/*********************************************/
void Main(void)
{
_nop_();
_nop_();
_nop_();
Mcu_Init();
Variable_Init();
delay(1000); //for a/d chip reset
SCLK=false;
EA=true;
//EX0=true;
while(1)
{
Watch_Dog=!Watch_Dog;
scout();
if ( sample_flag ) data_processing();
}
}
經(jīng)過軟硬件的設(shè)計(jì)，將測(cè)試到的信號(hào)上傳到上位機(jī)監(jiān)控窗口，監(jiān)測(cè)到的信號(hào)如圖8和圖9所示。
圖8：信號(hào)波形（箱體內(nèi)常溫）
圖9：圖8：信號(hào)波形（48度恒溫箱體內(nèi)檢測(cè)）
由上面的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，信號(hào)變化大概在130uV；測(cè)試精度高。
動(dòng)心忍性1234： 您好我是無(wú)線電雜志的編輯，我們對(duì)您的項(xiàng)目十分感興趣，請(qǐng)問您有興趣投稿嗎？成為我們的作者除稿費(fèi)外還有其他優(yōu)厚條件。敬請(qǐng)參與。投稿請(qǐng)聯(lián)系QQ260534978.
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