基于AT89C52的非分散紅外測油儀的研制

　　(1)電路結(jié)構(gòu)

　　相敏檢測電路如圖3 所示, 其中U1:A 為過零電壓比較器,D1 為檢波二極管; 2N2222A 為晶體管電子開關(guān); U1:B 為差動放大器, 對信號進行放大與合成。U1 采用了一片具有“軌到軌(rail- to- rail)”特性的低壓四運算放大器TLC2274。

　　(2)工作原理

　　輸入信號Us(t)同時輸入U1:A 和U1:B, 輸入信號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Us(t)同頻、同相, 占空比1:1 的方波。此方波信號是控制電路電流流通的開關(guān), 為晶體三極管2N2222A 提供基極電壓, 控制電子開關(guān)的動作, 決定晶體管集電極信號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 Uo(t)中得到了被測信號Us(t)。由電阻 R5 和電容C2 組成的低通濾波器對運放U1:B 輸出信號Uo(t)進行低通濾波, 可得到直流信號, 此信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機, 進過處理后就可得到樣品溶液的濃度。通過調(diào)整 Rf 可以改變運放U1:B 對信號放大的幅度。

　　3 單片機系統(tǒng)設(shè)計

　　測油儀單片機系統(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, 主要由單片機 AT89C52、A/D 轉(zhuǎn)換器、時鐘電路、看門狗電路、液晶顯示器、打印機、串行通信接口電路、小鍵盤、步進電機驅(qū)動器幾大部分組成。經(jīng)過調(diào)制后的脈沖光傳送到光電導(dǎo)傳感器, 光電導(dǎo)傳感器將入射光強度I0和透射光強度 I 轉(zhuǎn)換成交流電壓信號, 此信號經(jīng)過放大和處理后變?yōu)榕c光強對應(yīng)的直流電壓信號, 單片機通過雙通道A/D 轉(zhuǎn)換器AD7705 采集這兩個電壓信號。

　　為了記錄測量時間, 需要實時時鐘, DS1302 是高性能、低功耗的時鐘芯片, 為系統(tǒng)提供秒、分、時、日、周、月、年等信息。系統(tǒng)采用 X25045 芯片實現(xiàn)看門狗、電壓監(jiān)視、存儲電路。為提高人機交互能力, 采用漢字點陣液晶顯示器, 配合三個功能按鍵, 實現(xiàn)多級菜單。同時配備了微型打印, 可將測量結(jié)果打印備份[7]。系統(tǒng)還具有與 PC 機通信的功能, 可將測量結(jié)果通過串口傳送到計算機, 由計算機對各次的測量結(jié)果進行綜合處理。此外為了完成調(diào)制功能, 單片機必須為步進電機提供步進脈沖,步進電機以 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)計與實現(xiàn)

　　系統(tǒng)程序主要實現(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、時鐘讀取子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序、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)備及時交換信息,實現(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。

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

　　5 結(jié)束語

　　基于AT89C52 單片機的非分散紅外測油儀采用先進的光源調(diào)制技術(shù)和相敏檢測技術(shù), 利用單片機實現(xiàn)對采集的參考信號和測量信號進行歸一化處理和對各部分的控制, 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)確檢測出水中礦物油和動植物油的污染物含量。目前, 國家各級環(huán)境監(jiān)測站把水和土壤中油的污染作為必測項目。該儀器的研制將為我國各級環(huán)境監(jiān)測站測量水質(zhì)污染提供技術(shù)支持和方便快速的測量手段。

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

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

　　(2)單片機系統(tǒng)采用I2C 和SPI 總線, 硬件電路簡單, 程序設(shè)計方便。

　　參考文獻

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