濾波器 80C196
1 引言
氣敏傳感器在工業(yè)及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是可燃氣體傳感器在防火防爆方面起著舉足輕重的作用，這類傳感器主要用來測(cè)定環(huán)境中易燃性氣體比如氫氣，天然氣，瓦斯等的濃度，通常制成報(bào)警器用來對(duì)空氣中的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)濃度超過指標(biāo)時(shí)，傳感器就會(huì)輸出警告信號(hào)觸發(fā)報(bào)警裝置。傳感器參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確度非常重要，因?yàn)橐坏?biāo)定的參數(shù)有偏差，那么傳感器將會(huì)在非指定濃度誤報(bào)警，報(bào)警過早和過遲都是不可取的。為準(zhǔn)確快速大量的對(duì)氣體傳感器的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，我們采用80c196單片機(jī)結(jié)合邏輯電路研制出一套測(cè)試精度高，速度快，可與計(jì)算機(jī)通信的多通道氣體傳感器參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
多通道氣體傳感器參數(shù)測(cè)試儀的硬件電路如圖1所示。采用80c196自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的參數(shù)電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。由于一次性要測(cè)量的傳感器數(shù)量較大，故設(shè)計(jì)了通道切換控制電路，以便分時(shí)測(cè)量。為提高測(cè)試人員的安全性，測(cè)試儀通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信，可以方便的使用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作進(jìn)行傳感器的測(cè)試及測(cè)量結(jié)果的保存和打印。
圖1多通道氣體傳感器參數(shù)測(cè)試儀硬件原理圖
計(jì)算機(jī)主要用于控制測(cè)試系統(tǒng)以及對(duì)數(shù)據(jù)的分析，整理和保存。測(cè)試部分主要包括主控電路和8個(gè)輔助電路兩部分。測(cè)試部分的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：
圖2 測(cè)試部分電路結(jié)構(gòu)圖
其中，主控電路包括：80c196擴(kuò)展電路，串行通信電路，分壓網(wǎng)絡(luò)和其它輔助電路。單片機(jī)通過串行通信接收計(jì)算機(jī)的命令然后進(jìn)行指定的操作：測(cè)量傳感器和傳送測(cè)量結(jié)果。主控電路結(jié)構(gòu)如圖3所示：
圖3 主控電路結(jié)構(gòu)圖
輔助電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，包含開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于通道切換。由圖可知，每個(gè)4051邏輯開關(guān)有8個(gè)輸入端，一個(gè)輔助電路可以同時(shí)連接64個(gè)傳感器，故整個(gè)系統(tǒng)可一次性測(cè)量512個(gè)感器的參數(shù)，大大提高了測(cè)量效率。
圖4 輔助電路原理圖
為了消除數(shù)字系統(tǒng)頻譜混疊，濾除高頻噪聲對(duì)控制系統(tǒng)的影響，故在數(shù)控系統(tǒng)的傳感器信號(hào)前端設(shè)計(jì)了二階低通抗混疊濾波器。抗混疊濾波器采用壓控電壓源二階低通濾波電路如圖5所示，其傳遞函數(shù)為：
圖5 抗混疊濾波器電路原理圖
3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)通過串口接收上位機(jī)的命令進(jìn)行指定的操作，其軟件流程如圖6所示：
圖6 軟件流程圖
雖然硬件電路已經(jīng)有抗混疊濾波電路，為了進(jìn)一步提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，加入了軟件濾波。用雙線性變換法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器，系統(tǒng)所需數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為：
其中
用matlab計(jì)算得到。
4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，通過串口給單片機(jī)發(fā)送命令進(jìn)行測(cè)量和讀數(shù)操作。其軟件框圖如圖7所示：
圖 7 上位機(jī)軟件框圖
界面的設(shè)計(jì)主要是從使用者的角度來設(shè)計(jì)的包括以下幾點(diǎn)：
1）.界面做到顧名思義，即操作界面上的各個(gè)部分的意義明確
2）.操作方式通用化，采用大眾化的操作，即通過菜單、工具條和按鈕來實(shí)現(xiàn)操作
3）.通過禁用控件、菜單等方式禁止非法操作
4）.通過鼠標(biāo)放置時(shí)的提示語句來提醒操作人員此項(xiàng)的功能
5）.采用大量的對(duì)話框來幫助操作人員，提示當(dāng)前和隨后的工作
為達(dá)到以上要求，采用VB進(jìn)行界面的設(shè)計(jì)，不僅可進(jìn)行傳感器的快速測(cè)量，而且能快速在界面上顯示測(cè)量結(jié)果，并指示出傳感器是否合格。
數(shù)據(jù)讀取和保存
單片機(jī)將測(cè)量結(jié)果保存到自己的存儲(chǔ)區(qū)，測(cè)量結(jié)果暫時(shí)存在單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，A/D轉(zhuǎn)換值存儲(chǔ)在8000H————-83FFH，共1024個(gè)存儲(chǔ)單元，轉(zhuǎn)換值低8位存在偶數(shù)單元，高8位存在奇數(shù)單元 。當(dāng)收到單片機(jī)的命令要求傳送結(jié)果時(shí)，單片機(jī)通過串行口將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行必要的處理后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。
5 系統(tǒng)特點(diǎn)
?。?）大批量傳感器：
可一次性對(duì)512個(gè)傳感器進(jìn)行快速準(zhǔn)確測(cè)量。
?。?）測(cè)量精度：
對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大的幾個(gè)方面為：A/D轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)參考點(diǎn)電壓的設(shè)定，繼電器的接觸電阻和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行采樣時(shí)對(duì)采樣電路的影響。
80c196的A/D轉(zhuǎn)換器為10位所以對(duì)0——5伏的分辨力為: 0.0049V,則 對(duì)0——12伏的分辨力為：0.0049＊12/5= 0.0117V 。
4051，分壓網(wǎng)絡(luò)以及繼電器的接觸電阻都會(huì)對(duì)參數(shù)電壓VRL造成影響，造成系統(tǒng)誤差，可用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行估計(jì)。
同時(shí)還存在隨機(jī)誤差，是不可測(cè)量的。
通過對(duì)測(cè)試儀的調(diào)試可對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，如果軟硬件調(diào)試無誤，本測(cè)試儀的測(cè)量精度可達(dá)±2%V。
?。?）分壓網(wǎng)絡(luò)：
為提高測(cè)量精度，適應(yīng)更為廣泛的測(cè)量范圍，采用繼電器對(duì)分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行換檔。電路如圖8
圖8 分壓網(wǎng)絡(luò)電路
軟件功能
1） 實(shí)現(xiàn)對(duì)512路傳感器的測(cè)試自動(dòng)化。
2） 能夠?qū)纹瑱C(jī)的RAM進(jìn)行檢測(cè)
3） 能夠清楚顯示測(cè)量結(jié)果
4） 能夠?qū)χ付ǖ膫鞲衅鬟M(jìn)行快速重測(cè)
5） 能夠保存測(cè)試結(jié)果
6 結(jié)語
多通道氣體傳感器測(cè)試儀研制完成后經(jīng)實(shí)際使用證明，具有測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，硬件電路簡(jiǎn)單，易于拆卸安裝，克服了原來使用手工測(cè)量精度低，速度慢的缺點(diǎn)。同時(shí)與計(jì)算機(jī)連接，方便操作，智能程度高，且可實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即測(cè)功能等特點(diǎn)，為傳感器參數(shù)測(cè)量的自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)：開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，信號(hào)的抗干擾處理。
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