基于W77E058单片机的红外气体检测系统设计

王利平 章志锋 郭文斌 周军太 吴卫东

（川庆钻探工程有限公司长庆录井公司，陕西 西安 710000）

引言

红外气体检测系统采用新型电调制光源产生的红外光通过气室，当气室中流过含有一定浓度烃类气体时，经红外探测器实现光信号到电信号的转换，输出μV级的与气体浓度成一定关系的电压信号。该信号经高精密放大整流电路的放大，滤波和A/D转换，读入单片机，利用单片机对轻烃、重烃、CO2的信号进行采集，通过串口送入PC机计算出气体浓度。在仪器电路上采用了低功耗嵌入式系统，使得仪器在体积、功耗、性能、价格上具有以往仪器无法比拟的优势。

1 系统硬件设计

红外气体检测系统以W77E058单片机为核心，由它控制红外发光管的供电和发光频率，MAX197的A/D转换频率，串口通讯。系统主要由红外气体传感器、信号放大板、采集控制板三大部分组成。

1.1 红外气体测量模块设计

红外气体测量系统由样品泵、恒温气室、红外探测器以及红外光源四大部分组成，红外探测器是红外气体测量系统的核心部件。当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,光强在气体介质中随浓度及厚度按指数规律衰减，其吸收关系服从朗伯--比尔 (Lambert-Beer)吸收定律。红外探测器就是根据这一定律设计而成。由于轻烃、重烃、CO2三种气体的吸收峰波长不同，本系统中采用高灵敏度红外传感器TPS4339，在其封装上固定安装有针对这三种气体的窄带干涉滤光片，可以实现对它们的测量。

红外光源采用IR55高频电调制红外光源,它提供稳定、高效的带内红外光发射，波段2-20μm，1.7cm抛物面反射器封装，最大化地增强了轴向光功率，改善了到达探测器的信号，比其它光源具有更好的优势。

恒温气室由恒温箱、温控器、加热棒、PT100组成。由于被分析气体成分复杂，具有一定的腐蚀性，如SO2﹑NOx等，长时间使用后气室极易被污染，直接影响测量精度，因此恒温气室采用气室与外支撑分离的结构。另外，红外探测器输出信号受温度影响很大，恒温气室可以有效的使气室内温度达到一个稳定值，采用软件温度补偿算法和硬件恒温控制双重技术，达到消除温度变化引起的信号变化。

1.2 放大电路模块设计

红外探测器接收红外光产生的信号十分微弱，极易受外界的干扰，因此稳定可靠的放大电路是关键。信号放大板采用负反馈放大电。电路中使用AD8552作为主要的运算放大器，红外探测器的μv级信号经过一级放大后输出一个20mv左右的电压值，再经过二级放大输出小于5V的电压信号。

1.3 采集控制电路模块设计

采集控制板主要有W77E058单片机，MAX197AD转换芯片，MAX232串口通讯芯片组成。采集电路中将MAX197的八位数据线与单片机的P0口相连，用于写控制字和读数据；HBEN与P21相连，控制读数据的高四位或低八位；经放大后的电压信号，进入MAX197的模拟信号输入端CH0～CH3，分别采集轻烃、重烃、CO2及温度电压值。单片机通过P20脚给MAX197一个片选信号，写控制字产生一个WR脉冲，开始采集。AD转换结束并且结果有效时，MAX197的INT端变为低电平直至数据被读取。等待MAX197的INT脚给出采集结束信号，单片机读取数据，并把数据通过串口发送给上位机。采集控制电路原理图如下所示：

图采集控制电路原理图

2 系统软件设计

红外气体检测系统的软件采用基于单片机的C语言编写。主要包括数据采集和串口通讯软件设计。

2.1 数据采集程序设计

采集系统中对红外探测器输出电压进行数据采集，通过数据通信方式将采集到的电压值送到PC机。MAX197选用内部参考电压模式，使用MAX197的内部时钟作为采集转换的时钟，模拟信号输入量程选择为0～5V，使用内部采集方式，MAX197控制字为0X40。

MAX197的控制字开始写操作时就开始转换。写操作将选择多路通道,并确定MAX197的输入范围是单极性还是双极性。一个写脉冲 (WR+CS)可以开始一次采集,或者对采样进行初始化并开始转换。

2.2 串口通讯程序设计

采集系统使用MAX232芯片进行串口电平转换。单片机串口发送数据时，设置单片机允许串口中断。当单片机通过串口接收到采集允许信号后，系统进行一轮采集，并把数据通过串口发送给上位机。

2.3 单片机数字滤波程序设计

模拟输入信号中，一般均含有来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等的噪声和干扰，为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。对于随机信号的干扰，采用对采集转换后的数据进行数字滤波的方法来消除干扰，其方法是连续若干次采样再求其平均值作为最终结果。另外，在程序中让其中一道接地，取其值作为基准，消除地对信号的干扰。

结束语

本文主要论述采用红外气体传感器，W77E058单片机和高精度模数转换芯片MAX197设计的红外气体检测系统。详细给出了系统设计思想、硬件及软件的详细设计，介绍了单片机数字滤波技术的基本原理和实现方法。此系统具有精度高、转换速度快、程序简单，硬件电路简单，成本低廉。为了有效发挥这种方法的作用，我们还将继续学习和研究。

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