基于AT89C52的非分散紅外測油儀的研制

　　(1)電路結構

　　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; 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, 為晶體三極管2N2222A 提供基極電壓, 控制電子開關的動作, 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 A/D 轉換后送入單片機, 進過處理后就可得到樣品溶液的濃度。通過調整 Rf 可以改變運放U1:B 對信號放大的幅度。

　　3 單片機系統設計

　　測油儀單片機系統結構如圖4 所示, 系統全部采用新型I2C 或SPI 集成電路芯片設計, 主要由單片機 AT89C52、A/D 轉換器、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、步進電機驅動器幾大部分組成。經過調制后的脈沖光傳送到光電導傳感器, 光電導傳感器將入射光強度I0和透射光強度 I 轉換成交流電壓信號, 此信號經過放大和處理后變為與光強對應的直流電壓信號, 單片機通過雙通道A/D 轉換器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, 為系統提供秒、分、時、日、周、月、年等信息。系統采用 X25045 芯片實現看門狗、電壓監視、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, 實現多級菜單。同時配備了微型打印, 可將測量結果打印備份[7]。系統還具有與 PC 機通信的功能, 可將測量結果通過串口傳送到計算機, 由計算機對各次的測量結果進行綜合處理。此外為了完成調制功能, 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, 單色光經調制盤調制后產生500Hz 的脈沖光。

　　4 儀器的軟件設計與實現

　　系統程序主要實現數據采集、數據處理、數據顯示打印、數據通信等功能。包括主程序、數據采集子程序、時鐘讀取子程序、數據存儲子程序、LCD 顯示子程序、打印控制子程序、按鍵處理子程序等。系統主程序是測油儀的重要程序, 它負責調度系統的各應用程序模塊, 并與系統的外部設備及時交換信息,實現系統軟、硬件資源的整體管理。系統的主程序流程如圖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果。之后, 若用戶選擇了打印功能, 則對測量結果進行打印輸出; 若用戶選擇了通信功能, 則將測量結果傳送給上位 PC 機。

　　5 結束語

　　基于AT89C52 單片機的非分散紅外測油儀采用先進的光源調制技術和相敏檢測技術, 利用單片機實現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定性并且體積小適于野外使用。利用此儀器, 可以準確檢測出水中礦物油和動植物油的污染物含量。目前, 國家各級環境監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境監測站測量水質污染提供技術支持和方便快速的測量手段。

　　本文作者創新點: 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計, 為水中油濃度的現場檢測提供了一個經濟、快捷的便攜式設備。該測油儀具有以下特點:

　　(1)采用切光器對紅外光進行調制, 將光信號轉變為交流信號, 有效的抑制了背景噪聲, 使信號變得容易處理。采用相敏檢測技術對弱信號進行提取, 極大提高了系統的信噪比。光源調制技術和相敏檢測技術這兩種技術相結合有效的解決了此類儀器開發中微弱信號的提取這一難題。

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

　　參考文獻

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　　[3]張凱,錢東平,王文娣,唐娟.地下(表)水中油類污染物檢測系統研究[J], 微計算機信息,2006,5- 2:97- 99.

　　[4]楊帆，秦萬廣，徐舜華.紅外光電導探測器硒化鉛(PbSe)在油分分析中的應用[J].松遼學刊(自然科學版)，1996.1,(11).

　　[5]占細雄，林君，周志恒.近紅外光譜儀中的微弱信號檢測技術[J]。儀器儀表學報，2002,23(3).

　　[6]丁士心，莊嚴.一種實用相敏檢波器電路的設計.計量技術[J]，1999，(12).

　　[7] 聞明. 基于 LED 的便攜式紅外整粒小麥成分分析儀的研制[D].北京：中國農業大學，2004.6.