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初步模块
1.系统硬件结构及原理
本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以ATMEL工公司的一款8位超低功耗单片机AT89S52为控制核心,系统结构如图3.1所示。
室内空气中有害气体甲醛、苯、氨分别通过传感器组中的传感器1、传感器2、传感器3输出一个与甲醛、苯、氨浓度相对应的电流信号,该信号经过放大滤波后通过多路转换器分时间段进行采样保持,最后经过A/D转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理,温湿传感器直接与单片机相连。
单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测室内空气中的甲醛、苯、氨的浓度值及温湿度。
若被测室内空气中甲醛、苯、氨的浓度某种有超过国家标准或设定的危险值时报警电路对应的发出声光报警信号。
2.AT89S52单片机简介
随着计算机技术的发展,单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用,从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。
根据上述几方面及本课题的实际情况,单片机型号的选择主要从以下两点考虑:
一是要有较强的抗干扰能力。
由于一般室内电子电器产品比较多,这对单片机的干扰较大,所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。
二是要有较高的性价比。
由于MCS-51系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多,特别是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列单片机,故本文采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为本系统控制单元的核心部件。
AT89S52单片机是AT89S系列单片机中的一种,图3.2是一般常用的双列直插式,它是在现己广泛应用于工业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。
因此它具有89C52的全部功能:
AT89S52新增加的功能由特殊功能寄存器完成。
AT89S52单片机有以下特点:
兼容MCS51微控制器;8K字节FLASH存贮器支持在系统编程ISP1000次擦写周期;256字节片内RAM;工作电压4.0V到5.5V;全静态时钟0Hz到33MHz;三级程序加密;32个可编程I/O口;3个16位定时/计数器;8个中断源;完全的双工UART串行口;低功耗支持Idle和Power-down模式;Power-down模式支持中断唤醒;看门狗定时器;双数据指针
;上电复位标志
此外,AT89S52和AT89C系列单片机相比新增加了许多功能,这将使单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性。
首先,AT89S52支持ISP在线编程,这使生产及维护更为方便。
其次,AT89S52内部增加了片内看门狗定时器,这将有利于坚固用户应用系统,提高系统可靠性。
最后,AT89S52运行速度更高,最高晶振可达到33MHZ。
正因为AT89S52单片机增加了高可靠性、安全性的功能,所以能避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁干扰等现象的发生。
因此,用它作为室内空气品质监测控制完全可以满足实时监测、报警等要求。
而且,从经济性的角度来看,AT89S52不但硬件结构简单,而且价格低、功能好、性价比高,符合我国工业设计制造的要求。
3.AT89S52单片机与其扩展
设计中采用AT89S52单片机作为本系统控制单元的核心部件并采用8255A用作并行接口。
硬件连接图如图3.3所示,其中89S52的P0口做扩展用,P1口做通道选择,P2口控制LCD1602显示。
8255A的PA作输出口控制灯的亮灭,PB口做输入接收AD转换后的数字量,PC口做输入循环扫描按键是否按下。
3.气体传感器
1.气体传感器基础知识
按照气敏特性来分,气体传感器主要分为:
半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器,又以前两种最为普遍。
(1)半导体型气体传感器的优缺点
半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。
不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。
(2)半导体传感器需要加热的原因
半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件,其电阻随着气体含量不同而变化。
气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。
为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。
传感器内的加热器可以加速氧化过程,这也是为什么有些低端传感器总是不稳定,其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。
(3)电化学气体传感器的工作原理
电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度,分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式,目前可以监测许多有毒气体和氧气,后者还能监测血液中的氧浓度。
电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。
不足之处是有寿命的限制一般为两年。
(4)半导体传感器和电化学传感器的区别
半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用,但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用。
而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合。
(5)固态电解质气体传感器
顾名思义,固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。
它介于半导体和电化学之间。
选择性,灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学,所以也得到了很多的应用,不足之处就是响应时间过长。
(6)接触燃烧式气体传感器
接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。
又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式,原理是气敏材料在通电状态下,可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧,由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。
后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。
(7)光学式气体传感器
光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等,主要以红外吸收型为主。
由于不同气体对红外波吸收程度不同,通过测量红外吸收波长来监测气体。
目前因为它的结构关系一般造价颇高[15]。
基于本文的实时要求和性价比等方面的原因,本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器。
2.定电位电解式气体传感器
传感器元件是准确监测甲醛、苯、氨气气体浓度的关键。
在有毒有害气体监测技术中,由于定电位电解传感器具有准确快速、简洁直观的特点,在国外得到比较普遍的应用,运用定电位电解传感器进行气体监测在国内已经开始普及。
定电位电解气体传感器通常是由浸没在液体电解液中的三个电极构成,其结构图如下。
定电位电解式传感器是一种湿式电化学气体传感器,它通过测定气体在某个确定电位电解时所产生的电流来测量气体浓度。
传感器共有三个电极(对电极、参比电极、工作电极),浸在液体电解液中,整体密封在一个防化学腐蚀的塑料壳体中,目标气体通过工作电极邻近的一个气体可渗透薄膜向传感器内部扩散。
传感器的工作过程为:
被测气体由进气孔扩散到工作电极表面,在工作电极、电解液、对电极之间进行氧化或还原反应。
其反应的性质依据工作电极的热力学电位和被分析气体的电化学性质而定。
传感器在氧化反应中,电化学反应中参加反应的电子流出工作电极;在还原反应中,电化学反应中参加反应的电子流向工作电极。
流出和流向工作电极的电流与被分析气体的浓度值成正比。
对电极材料的选择原则是:
该材料应对目标气体具有最优敏感性,而交叉敏感度则应降至最低。
在对电极和工作电极之间的电压要预先调整好,并由一个外部电压电路保持,其中参比电极作为电路的反馈控制。
相对于选择性而言,由于每一种目标气体都有其各自独特的电解电压,因而传感器的响应可以得到进一步优化。
传感器的输出是一个正比于气体浓度的线性电流差。
最后与前置放大器匹配使用转换为模数转换的标准电压信号[16]。
本课题选用德国Drger公司生产的miniPac系列定电位电解式传感器,该系列传感器被广泛应用于轻便型报警器和监测器、移动式的监测仪、远程控制的监测仪,单元与多元组合式智能化的监测器、固定式与壁挂式监测仪及精密型智能化的监测系统等等。
MiniPac系列定电位电解式气体传感器简单内部原理如图3.5所示,其典型接法如下。
定电位电解式传感器基本性能:
定电位电解传感器的基本性能,亦即传感器的基本考核指标,它显示了传感器的质量和性能,但其大多数性能指标要与前置放大器经过较好的匹配才能体现出来。
在使用中要对传感器进行考核的基本指标有如下几种:
输出信号、电极电位、响应时间、响应线性度、测量重复性、抗干扰性、传感器期待寿命等。
(1)输出信号
定电位电解传感器的输出信号指标非常重要,它不仅为前置放大器的设计提供了基本参数,而且为今后核实传感器的使用寿命提供了标准。
一般的输出标准为0.5μA/ppm,但不同公司生产的传感器输出信号是不同的,同一公司生产的不同传感器其输出信号也不一定相同,故要根据不同的输出标准来分析。
传感器的输出信号随使用时间的增加而降低,一般来说当其输出信号降至标称值的50%时,这支传感器就不能再使用了。
图3.7为定电位电解式传感器输出信号与对应气体浓度的典型曲线,可见其线性度是比较好的。
(2)电极电位
定电位电解传感器的电极电位决定了传感器分析被分析气体的种类、传感器对各种气体交叉反应的大小以及传感器抗交叉反应的能力。
不同公司生产的传感器给出的电极电位方式也不一样,一般为mv级,通常取0mv。
(3)响应时间
该指标是指从传感器接受到被分析气体起计到达到响应值的90%,亦即t90所需的时间。
一般传感器指标给出的指扩散式的响应时间,如<60秒等。
经过良好的气路、电路设计,该指标可以达到20秒左右。
定电位电解式气体传感器的典型响应时间曲线如图3.8所示。
(4)响应线性度与测量重复性
这两项指标与响应时间一起是考核传感器与仪器优良与否的重要因素。
在与稳定的流量、无吸附特性的气路、设计合理的前置放大器达到最佳匹配后,响应时间、线性度和测量重复性都等达到很好的效果。
(5)抗干扰性
由结构和原理所决定,定电位电解传感器是存在交叉反应的,合理的电极电位可以使其减小到最低程度,这是主动的方法。
另外,不同公司在生产的传感器上安装了过滤膜,或针对不同的传感器设计了不同的过滤器,这是被动的方法。
之所以说被动,是因为无论过滤膜还是过滤器,经过一段时间或长时间使用后,毕竟会因为饱和而失效。
当然最主动的方法是利用传感器矩阵或计算机软件来减小交叉反应,提高抗干扰性。
(6)传感器使用寿命
象所有的电化学传感器一样,定电位电解传感器的输出信号随着时间的推移也会逐渐衰降或“老化”,这一现象是多种因素的结合造成的。
一般生产厂家给出的指标是2年,这是一个比较保守的指标。
传感器的使用寿命与使用时的气体浓度成反比。
4.温湿传感器
温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。
温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量[18]。
本课题选用瑞士Sensirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片SHT11。
该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。
SHT11具有以下特点:
1.高度集成,将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上;
2.提供二线数字串行接口SCK和DATA,接口简单,支持CRC传输校验.传
输可靠性高;
3.测量精度可编程调节,内置A/D转换器(分辨率为8~12位,可以通过对芯
片内部寄存器编程来选择);
4.测量精确度高,由于同时集成温湿度传感器,可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能;
5.封装尺寸超小(7.62mm×5.08mm×2.5mm),测量和通信结束后,自动转入低功耗模式;6.高可靠性,采用CMOSens工艺,测量时可将感测头完全浸于水中[19]。
SHT11的引脚功能:
SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式,接口非常简单,引脚名称及排列顺序如图。
引脚的功能如下:
脚1和4:
信号地和电源,工作电压范围是2.4~5.5V;脚2和3:
二线串行数字接口,DATA数据线,SCK为时钟线;脚5~8:
未连接。
SHT11的内部结构和工作原理:
温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上,其内部结构如图3.10所示。
该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。
这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号,该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大;然后进入一个14位的A/D转换器;最后经过二线串行数字接口输出数字信号。
SHT11在出厂前,都会在恒湿或恒温环境中进行校准,校准系数存储在校准寄存器中;在测量过程中,校准系数会自动校准来自传感器的信号,此外,SHT11内部还集成了一个加热元件,加热元件接通后可以将SHT11的温度升高5℃左右,同时功耗也会有所增加。
此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值,可以综合验证两个传感器元件的性能。
在高湿(>95%RH)环境中,加热传感器可预防传感器结露,同时缩短响应时间,提高精度。
加热后SHT11温度升高、相对湿度降低,较加热前,测量值会略有差异。
微处理器是通过二线串行数字接口与SHT11进行通信的。
通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的,因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。
微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的,命令代码的含义如表3.1所列。
表3.1SHT控制命令代码
命令代码
含义
00011
测量温度
00101
测量湿度
00111
读内部状态寄存器
11110
复位命令,使内部状态寄存器恢复默认值,下一次命令前至少等11ms
其他
保留
SHT11通过二线数字串行接口来访问,所以硬件接口电路非常简单。
需要注意的地方是:
DATA数据线需要外接上拉电阻,时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步,由于接口包含了完全静态逻辑,所以对SCK最低频率没有要求;当工作电压高于4.5V时,SCK频率最高为10MHz,而当工作电压低于4.5V时,SCK最高频率则为1MHz。
5.前置放大滤波电路的设计
因为定电位电解传感器所输出的被测对象的信号非常的微弱,放大容易引起电流的失调,以及零点漂移、自激干扰等。
气体传感器的输出信号范围为0~5μA,考虑到所测信号的变化速度比较慢,一般为10~20秒左右。
所以选用可以单端供电的仪表放大器AD623来实现前端信号放大的任务[20]。
AD623仪表放大器是美国模拟器件公司(AnalogDevicesInc,简称ADI)推出的一种低价格、单电源、输出摆幅能达到电源电压(通常称之为电源限输出,即Rail-To-RailOutput)的最新仪表放大器。
主要特点如下。
1.AD623只使用一个外接电阻来设置增益(G),最高增益可以达到1000,从而给用户带来极大的方便。
2.AD623具有优良的直流特性。
增益精度0.1%(G=1),增益漂移25ppm(G=1),输入失调电压最大100μV(AD623B),输入失调电压漂移1μV/°C(AD623B),输入偏置电流最大25nA。
3.AD623具有优良的CMRR(它随增益增加而增加),使误差最小。
4.AD623带宽800kHz(G=1)。
5.AD623的输入共模抑制比范围很宽,可以放大比地电位低150mV的共模电压。
AD623单电源供电能达到最佳性能。
6.AD623的低功率(电源电流最大574μA)、宽电源范围和电源限输出特性非常适合电池供电应用场合。
电源限输出特性使低电源供电条件下,电源输出级使其动态范围达到最大。
7.AD623可以取代分立器件搭成的仪表放大器,具有优良的线性度、温度稳定性和小体积可靠性。
8.AD623仪表放大器采用8脚工业标准封装形式,即DIP、SOIC和小型SOIC三种形式。
AD623主要用于低功耗医用仪表放大器、传感器接口、热电偶放大器、工业过程控制、低功耗数采系统及差动放大器。
本课题中气体传感器出来的信号是很微弱的小信号,采用AD623满足放大要求。
AD623是在传统的三运放结构基础上改进的一种新型仪表放大器,如图3.13所示为AD623简化原理示意图。
AD623与传统三运放结构仪表放大器(例如AD620)的不同之处是在两个输入放大器之前分别加两个PNP晶体管作为电压缓冲器,以便向两个输入放大器提供共模信号,并且符合电源限输入运放电路结构的要求。
输入放大器用来将差动电压转换成单端电压,它还对前面两个输入放大器输出的共模信号起到抑制作用。
由于AD623电路结构中的三个运放输出摆幅都能达到任一电源限,而且其共模电压范围可扩展到负电源限以下,所以提高了AD623的输出信号范围。
AD623的输出电压计算公式如式3-1所示:
(3-1)
AD623中的三个运放都是电压反馈型运放(VFA),所以当增益增加时,AD623的带宽减小。
AD623的增益(G)是用一个精密电阻Rg设置的,而不论引脚1和8之间的阻抗如何。
应该注意,如果需要设置G=1,Rg不必连接。
电阻选择计算公式如式3-2所示:
(3-2)
AD623的参考端(REF)电位用来确定零输出电压,这当负载与系统的地不共地时特别有用。
它提供一种对输出引入精密补偿的直接方法。
还可以利用参考端提供一个虚地电压来放大双极性信号。
参考端允许的电压变化范围为如果AD623相对地输出,则参考端应接地。
在AD623的正向输入端加了一个高质量的滤波电容。
增益电阻选用了一个的高精度电阻,则放大倍数约为100。
由放大电路出来的信号约为0~5V,满足A/D转换器ADC0809的0~5V的输入要求。
6.模数转换电路的设计
气体传感器出来的信号是模拟信号,而微处理器AT89S52只能处理数字信号,故需要对模拟信号信号进行转换,将其转换为处理器能识别的数字信号,由于经过放大电路出来的模拟电压变化范围在0~5V,故选择性价比比较合适的ADC0809进行模数转换。
其管脚定义如图。
引脚
功能介绍
D7-D0
IN0-IN7
8位数字量输出引脚
8位模拟量输入引脚
VCC
+5V工作电压
REF(+)
参考电压正端
REF(-)
参考电压负端
START
A/D转换启动信号输入端
ALE
地址锁存允许信号输入端
EOC
转换结束信号输出引脚,开始转换时为低电平,当转换结束时为高电平
OE
输出允许控制端,用以打开三态数据输出锁存器。
CLK
时钟信号输入端(一般为500KHz)。
A、B、C
地址输入线
DC0809对输入模拟量要求:
信号单极性,电压范围是0-5V,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。
ADC0809的时序接口为51系列单片机的标准总线接口,操作方便,如同对存储器或I/O操作一样,A/D转换精度为8比特,满足本课题要求。
输入的模拟电压为0~5V,一次A/D转换时间为100μS。
7.声光报警电路的设计
为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观,采用了由6个发光二极管和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。
其中对应每一种有毒气体都有一红一绿两个发光二极管与其对应,正常情况下对应绿色的发光二极管亮,蜂鸣器不响;当气体的浓度超标时,对应红色的发光二极管亮,并启动蜂鸣器。
8.液晶显示电路设计
本课题所要显示的数据一共有5个,分别是3种有毒气体的浓度和室内的温度、湿度,故选用2行16个字符的LCD1602作为显示模块,满足显示要求。
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点,现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
LCD1602采用标准的16脚接口,有8位数据总线D0~D7,和RS、R/W、EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光,主要技术参数:
显示容量
16×2字符
芯片工作电压
4.5~5.5V
工作电流
2.0mA(5V)
最佳工作电压
5V
字符尺寸
2.95×4.35(W×H)mm
9.复位电路设计
AT89S52芯片具有复位操作功能。
RST为复位输入引脚,可在上电或芯片工作的任何时候对AT89S52芯片进行复位。
在每次上电之后都应使芯片处于复位状态,即给RST一个两个机器周期以上高电平位触发信号。
本课题使用传统的RC复位电路,如图3.18所示。
其结构简单,容易实现,一般的单片机系统都用此复位系统,还外加一个复位按键,可以人为的给芯片加一个复位信号。
10.电源电路设计
本设计采用集成稳压器7805,C29、C30分别为输入端和输出端滤波电容,D1为续流二极管。
当输出电流较大时,7805应配上散热板。
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