傳感器的輸出(可以是電壓信號(hào)也可以是電流信號(hào))隨著被測(cè)量(比如溫度、濕度、濃度等)變化的特性曲線，是傳感器特性的*直接的體現(xiàn)，也是測(cè)量系統(tǒng)的依據(jù)。傳感器的性能*終體現(xiàn)為其輸出與氣體濃度相關(guān)的線性信號(hào)。在完成前面敏感單元的設(shè)計(jì)后，已經(jīng)可以將氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)。本節(jié)的主要內(nèi)容是處理微弱檢測(cè)信號(hào)，并利用單片機(jī)對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)此信號(hào)的測(cè)量和控制。

    氣體分子在被抽入電離室后，被紫外燈電離形成了離子，離子在極板電壓的作用下，定向移動(dòng)形成微弱電流。由前面的理論推導(dǎo)，在外界條件（電離室結(jié)構(gòu)，紫外燈強(qiáng)度）固定的條件下，電流的大小與氣體的濃度為線性關(guān)系。根據(jù)不同信號(hào)的具體特征，選用了有效的微弱信號(hào)檢測(cè)方法，并通過(guò)適當(dāng)?shù)拇胧行У匾种屏嗽肼暫透蓴_，從強(qiáng)背景噪聲中提取有效信號(hào)。本系統(tǒng)采用微弱信號(hào)檢測(cè)電路，如圖3.8所示，實(shí)現(xiàn)濃度→微弱電流→電壓的線性轉(zhuǎn)換，電壓經(jīng)過(guò)差分放大后輸入給單片機(jī)。由單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)濾波，從DAC口輸出。

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PID氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

    結(jié)合現(xiàn)有的大多數(shù)檢測(cè)設(shè)備的情況，以及現(xiàn)有工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域的需求情況，本文選用高集成度的混合性芯片C8051F040單片機(jī)作微處理單元，首先作為發(fā)出激發(fā)紫外燈的方波的信號(hào)源，并且進(jìn)行信號(hào)的采集、計(jì)算處理、判斷等，這些都使得檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了，并使整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了微型化、微功耗等優(yōu)點(diǎn)。

    為了設(shè)計(jì)針對(duì)本傳感器的信號(hào)檢測(cè)電路，首先需確定敏感頭輸出信號(hào)的信號(hào)特征，在氣體流是穩(wěn)定的情況下，存在一定速率的氣體分子通過(guò)電極板，在相對(duì)較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，電極板會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的支流微弱直流電流，其應(yīng)同氣體濃度成比例，是本傳感器要檢測(cè)的微弱信號(hào)。

   以1ppm的甲苯為例，在大氣壓強(qiáng)下，1毫升1ppm苯蒸汽中，含苯蒸汽分子數(shù)為：

    采樣泵抽速估計(jì)為0.3升/分，故單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)電離室的苯分子數(shù)為

    設(shè)苯蒸汽分子的光電離截面為10^-16平方厘米數(shù)量級(jí)，離子約為一次電離(帶電荷1.6*10^-19庫(kù)侖)，已知真空紫外燈輸出為10¹¹光子／秒，則可求得離子流：

    由于離子流比較微弱（大約為10^-1nA級(jí)），采用低噪聲前置放大器放大。放大電路如圖3.9所示。I-V轉(zhuǎn)化是通過(guò)溫度性能較好的大電阻R6來(lái)實(shí)現(xiàn)的，若信號(hào)電流為0.1nA,則經(jīng)R6后轉(zhuǎn)換成電壓1mV，可進(jìn)行后續(xù)的電路處理。電阻R6兩端的旁路電容C2，可以起到濾波的作用。為減小后續(xù)電路對(duì)輸入信號(hào)的影響，提高后續(xù)電路的輸入阻抗，在電流轉(zhuǎn)換成電壓后，采用了以儀表放大器AD620為核心的差分電路，以抑制共模干擾。AD620具有很低的溫漂系數(shù)，為，能滿足試驗(yàn)要求。且AD620是高性能的低噪聲儀表放大器，在工作頻率其噪聲值是可有效減小輸入噪聲。差分電路的另一端，lm4040具有穩(wěn)壓作用，輸入由lm4040的輸出分壓得到，大小約為10mV。AD620放大倍數(shù)

信號(hào)經(jīng)放大后，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通濾波電路，理論截止頻率。

    在I-V轉(zhuǎn)換電路后，為與后續(xù)信號(hào)處理單元-單片機(jī)相匹配，信號(hào)通過(guò)另外一個(gè)AD620進(jìn)一步放大。3引腳為差分放大電路的輸出，6引腳接單片機(jī)的IO口。本論文選擇C8051F040單片機(jī)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的參考電壓典型輸出值為2.43V。R9決定放大倍數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)值調(diào)節(jié)，使之與單片機(jī)的輸入模式相匹配。    

通過(guò)芯片MAX660將5V轉(zhuǎn)為-5V，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD620的供電，所有的電源和地之間都用104電容去耦，以實(shí)現(xiàn)較好的放大效果。

微弱信號(hào)檢測(cè)電路

微處理單元電路的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)采集、判斷處理 3.3.1微集成處理單元

為了減小系統(tǒng)功耗和體積，設(shè)計(jì)時(shí)選用了Silicon Laboratories公司的高集成度的混合集成芯片C8051F040單片機(jī)，該款單片機(jī)具有內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器、集成CAN2.0控制器等功能，它能夠完成多路數(shù)據(jù)的采集、判斷處理、以及數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ埽绱耸拐麄€(gè)系統(tǒng)由一個(gè)單片機(jī)就控制起來(lái)了，這樣使整個(gè)儀器的體積和功耗達(dá)到了微型化，功耗也大大降低了^[16-18]。

C8051F040系列器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳，片內(nèi)集成了一個(gè)CAN2.0B控制器。

下面列出了一些主要特性：

1. 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）

2. 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）

3. 真正12位、100ksps的ADC

4. 允許高電壓差分放大器輸入到12/10位ADC（60V峰-峰值），增益可編程

5. 兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式

6. 64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器

7. 可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口

8. 硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口

9. 5個(gè)通用的16位定時(shí)器

10. 具有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列

11. 片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器

    片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在*終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。

每個(gè)MCU都可在工業(yè)溫度范圍（-45℃到+85℃）工作，工作電壓為2.7～3.6V，端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓，C8051F040為100腳TQFP封裝。

C8051F040原理框圖

    系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)處理、放大提取以后，得到的與檢測(cè)氣體濃度有關(guān)的有用信號(hào)：參考通道信號(hào)、氣體通道信號(hào)、溫度信號(hào)等經(jīng)過(guò)調(diào)理以后，信號(hào)幅度范圍都在0～3.3V，滿足單片機(jī)的輸入信號(hào)范圍，這幾路信號(hào)接單片機(jī)的單端輸入通道，進(jìn)入12位AD轉(zhuǎn)換器。各輸入通道通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)行開(kāi)關(guān)配置，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)AD的采集通道切換功能。

    本系統(tǒng)信號(hào)采用AIN0.0引腳單端輸入方式進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換。具體過(guò)程如下：

    C8051F040的ADC0轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)選擇模擬輸入量進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度12bit，并且在轉(zhuǎn)換前，可以增益放大控制，以滿足實(shí)際需要，還可以編程監(jiān)控，當(dāng)ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)果符合監(jiān)控預(yù)設(shè)值并且相應(yīng)中斷開(kāi)啟時(shí)，將引發(fā)相應(yīng)的中斷。

    轉(zhuǎn)換前需要對(duì)模擬通道選擇器寫(xiě)適當(dāng)?shù)目刂撇僮鳎ㄟ^(guò)寫(xiě)AMXOF控制器操作進(jìn)行輸入單端模式。

    向ADC0CN的AD0BUSY位寫(xiě)1啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復(fù)‘0’。AD0BUSY位的下降沿觸發(fā)中斷（當(dāng)被允許時(shí)）并將中斷標(biāo)志AD0INT（ADC0CN.5）置‘1’。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被保存在ADC數(shù)據(jù)字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在寄存器對(duì)ADC0H:ADC0L中的存儲(chǔ)方式采取右對(duì)齊由ADC0CN寄存器中AD0LJST位的編程狀態(tài)決定。當(dāng)通過(guò)向AD0BUSY寫(xiě)‘1’啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)查詢AD0INT位以確定轉(zhuǎn)換何時(shí)結(jié)束（也可以使用ADC0中斷）。一般情況查詢步驟如下：

 = 1 \* GB3 ①．寫(xiě)‘0’到AD0INT；

 = 2 \* GB3 ②．向AD0BUSY寫(xiě)‘1’；

 = 3 \* GB3 ③．查詢并等待AD0INT變‘1’；

 = 4 \* GB3 ④．處理ADC0數(shù)據(jù)

    當(dāng)CNVSTR0被用作轉(zhuǎn)換啟動(dòng)源時(shí)，它必須在交叉開(kāi)關(guān)中被使能，對(duì)應(yīng)的引腳必須被配置為漏極開(kāi)路、高阻方式。首先對(duì)ADC0進(jìn)行了初始化設(shè)置，采樣頻率為單片機(jī)的*高轉(zhuǎn)換速率100kHz，PGA增益為2倍，ADC0進(jìn)入單端輸入和連續(xù)跟蹤模式，同時(shí)選擇0通道。在送數(shù)開(kāi)始后，查詢標(biāo)志位，當(dāng)送數(shù)完成后，將轉(zhuǎn)換后的值代入主程序。

數(shù)字濾波及DA輸出

    從理論上講從AD芯片上采集的信號(hào)就是需要的量化信號(hào)，但是由于存在電路的相互干擾、電源噪聲干擾和電磁干擾，在AD芯片的模擬輸入信號(hào)上會(huì)疊加周期或非周期的干擾信號(hào)，并會(huì)被附加到量化值中給信號(hào)帶來(lái)一定的惡化。考慮到數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和**性，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集濾波，減小干擾對(duì)信號(hào)的影響^[19]。

單片機(jī)數(shù)字濾波的常用方法有限幅濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法。一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖動(dòng)濾波法。

本系統(tǒng)采用中位值平均濾波法^[20]。這種方法相當(dāng)于“中位值濾波法+算術(shù)平均濾波法”, 其實(shí)現(xiàn)方法為：

（1）連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)*大值和*小值；

（2）然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

這種方法融合了兩種濾波法的優(yōu)點(diǎn)，可消除由于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾引起的采樣值偏差。

信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后，通過(guò)DA轉(zhuǎn)換后輸出。C8051F040有2個(gè)12位DAC模塊，輸出為電壓型，輸出范圍約為0V～V_REFD。若DAC禁止，則DAC輸出引腳為高阻態(tài)，DAC模塊處于低功耗節(jié)能態(tài)，耗電電流低至。

DAC輸出更新有4種方式：直接更新；T2，T3和T4溢出；通過(guò)DAC0CN(DAC1CN)寄存器配置。在默認(rèn)模式下，DAC0為直接更新模式，先對(duì)DAC0L寫(xiě)操作，再對(duì)DAC0H寫(xiě)操作。經(jīng)過(guò)設(shè)置DAC采樣與DAC輸出有良好的一致性，如圖3.11所示。

AD采樣信號(hào)和DA輸出信號(hào)

 C8051F040的外圍電路

C8051F040的外圍電路包括復(fù)位電路、外部晶振電路、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出、紫外燈驅(qū)動(dòng)電路、電源系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用16MHZ的外部晶振驅(qū)動(dòng)外部石英晶振，注意在對(duì)外部晶振驅(qū)動(dòng)電路PCB布板時(shí)要使晶振和電容盡量靠近XTAL1和XTAL2且是布線盡量短以減少干擾；外部復(fù)位引腳/RST提供了使用外部電路強(qiáng)制單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段，本系統(tǒng)提供了一個(gè)外部上拉和對(duì)/RST引腳的去耦電路以防止由于強(qiáng)噪聲而引起復(fù)位。

微處理單元的外圍電路