基于AT89C2051 的CO2 檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

馬國(guó)瀚，李景麗

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，開(kāi)封 河南 475004)

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，CO2的排放量不斷增加。 CO2的大量產(chǎn)生可以引起全球性氣候變暖，即產(chǎn)生溫室效應(yīng)。 CO2氣體還與細(xì)生物、植物、動(dòng)物的呼吸和生長(zhǎng)密切相關(guān)，直接影響農(nóng)業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 所以，對(duì)CO2產(chǎn)生源的及時(shí)檢測(cè)顯得尤為重要。

基于AT89C2051 的CO2檢測(cè)儀運(yùn)用氣體傳感器檢測(cè)CO2，采用了MAX187 串行A/D 轉(zhuǎn)換器、PG A204 可編程增益放大器和MAX7219 等主流芯片。其性能穩(wěn)定、成本低廉、精度高，具有廣泛的應(yīng)用前景和良好的拓展空間。

1 氣敏傳感器的基本概念及發(fā)展動(dòng)向

1.1 氣敏傳感器的基本概念

氣敏傳感器是指將被測(cè)氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件。 對(duì)氣體檢測(cè)方法的有電化學(xué)方法、光學(xué)方法、電子學(xué)方法等十幾種。

1.2 氣敏傳感器的發(fā)展動(dòng)向

目前， 氣敏傳感器的發(fā)展有以下幾個(gè)方面的動(dòng)向[2]：（1）確保傳感器的可靠性和使用壽命。 傳感器工作的可靠性直接關(guān)系到電子設(shè)備的抗干擾和防止誤動(dòng)作要求， 還體現(xiàn)在對(duì)其應(yīng)具有較長(zhǎng)的使用壽命上。 （2）提高傳感器集成化的程度。 傳感器集成化是實(shí)現(xiàn)傳感器小型化、智能化的重要保證。（3）傳感器微型化。 微機(jī)電系統(tǒng)（又稱(chēng)MEMS）是一種輪廓尺寸在毫米量級(jí)、 組成元件尺寸在微米量級(jí)的可運(yùn)動(dòng)的微型機(jī)電裝置。 （4）新型功能材料的開(kāi)發(fā)。 傳感器技術(shù)的發(fā)展是與新材料的研究開(kāi)發(fā)密切結(jié)合的，如:納米氣敏傳感器具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度，并且體積很小。

本設(shè)計(jì)的傳感器采用阻壓轉(zhuǎn)換傳感器氣敏元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試方便、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)便實(shí)用、技術(shù)成熟可靠為基礎(chǔ)，以檢測(cè)儀為信息采集、處理的核心，精心選擇芯片、穩(wěn)妥連接電路。 盡量做到方便易行、可靠耐用。

2.1 硬件框圖及其工作原理

CO2檢測(cè)儀的硬件框圖如圖1 所示。 其工作原理為：阻壓轉(zhuǎn)換傳感器將氣體濃度量轉(zhuǎn)換成與其成比例的電信號(hào)，經(jīng)PGA204 進(jìn)程量程轉(zhuǎn)換和放大。然后，經(jīng)采樣電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入AT89C2051 單片機(jī)處理。 單片機(jī)處理后傳送給顯示電路。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure

2.2 硬件電路所選芯片

PGA204 是美國(guó)Burr-Brown 公司生產(chǎn)的低價(jià)、多用途的可編程增益放大器， 可用2 位TTL 或CMOS邏輯信號(hào)A1、A0 對(duì)其增益到4 位。電路芯片經(jīng)激光校正， 最大失調(diào)電壓只有50 μV， 失調(diào)溫漂為0.25 μV/℃，增益G=1 000 時(shí)的共模抑制比為115 dB。

MAX187 是MAXIM 公司生產(chǎn)的12 位數(shù)據(jù)采集A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為85 μs（逐次比較式）、獨(dú)立的采樣保持 （T/H） 電路為每個(gè)通道提供同時(shí)采樣，內(nèi)置4.096V 參考電壓源，以串行方式輸出，幾乎不需要任何外圍器件就能構(gòu)成一個(gè)完整的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

AT89C2051 是美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的與MCS-51 系列完全兼容的內(nèi)置閃存單片機(jī)，也是AT 89C51 系列中結(jié)構(gòu)最緊湊、體積最小的單片機(jī)。它的片內(nèi)有2 K 字節(jié)閃爍存儲(chǔ)器，片內(nèi)多一個(gè)模接口是電壓比較器。

MAX7219 是MAXIM 公司專(zhuān)門(mén)為L(zhǎng)ED 顯示驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的COMOS 串行接口LED 顯示驅(qū)動(dòng)芯片。

3 電路原理分析

3.1 出電阻電壓轉(zhuǎn)換電路

圖2 為CO2檢測(cè)儀原理圖。

圖2 CO2 檢測(cè)儀原理圖Fig.2 CO2 detector principle

從圖2 可以看到，一個(gè)5V 的交流電壓源和芯片電壓等效電阻，加上一個(gè)1kΩ 的分壓電阻，組成了圖2 中的電阻電壓轉(zhuǎn)換電路。 需要說(shuō)明的是，此電路在100 Hz 的交流電壓下工作線性最好。 因?yàn)檫@時(shí)選用的氣敏傳感芯片會(huì)產(chǎn)生1～3 000 kΩ 的電阻變化。 1kΩ 的電阻起分壓作用，且把它分到的電壓輸出到后面的PGA204 輸入端中。

此電壓的有效值隨著傳感芯片電阻的變化而變化，其變化式為

式中： V1K為1kΩ 的分壓電阻分得的電壓，R1為傳感芯片的電阻，R1K為分壓用的1kΩ 的電阻，Vi為交流電壓源輸入的電壓。

對(duì)式（1）進(jìn)行一下變形，可得

由式（2）可以看出，如果傳感芯片電阻R1取很大的值時(shí)，R1K的值固定為1kΩ 不變，式（2）可簡(jiǎn)化為

這樣，1kΩ 的分壓電阻上分得的電壓值的變化就只與傳感芯片電阻值的變化有關(guān)，且成反比關(guān)系。

3.2 程控放大

PGA204 芯片的輸入阻抗很大，用做程控放大的取樣端。 由式（1）可以看出：傳感芯片的電阻是在1～3 000 kΩ 之間變化的， 這就存在著阻抗電壓檔級(jí)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。 當(dāng)傳感芯片的電阻值取兩端的極限值時(shí)：

（1）當(dāng)傳感芯片電阻值R1=1 kΩ 時(shí)，可得：

也就是說(shuō)，當(dāng)Vi在0～5 V 之間變化時(shí)，V1K在0～2.5V 之間變化，而這一變化的幅度比較大，完全可以很精確地被元器件反映出來(lái)。 所以，AT89C2051就對(duì)PGA204 的A0、A1 進(jìn)行控制，使PGA204 的放大倍數(shù)選在1 倍，即×1 的檔級(jí)上。

（2）當(dāng)傳感芯片電阻值R1=3 000 kΩ 時(shí)，可得：

當(dāng)VI在0～5 V 之間變化時(shí)，VIK在0～1.667mV之間變化,而這個(gè)變化太微弱了，不容易被精確地感知，所以要將其放大，并且放大到比較理想的范圍內(nèi)（最 好 是 幾V 的 變 化）。 因 此，AT89C2051 就 對(duì)PGA204 的A0、A1 進(jìn)行控制，使PGA204 的放大倍數(shù)選在1 倍，或×1000 的檔級(jí)上。 這樣，Vik 的變化就在0～1.667 V 之間了。

4 控制程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中單片機(jī)采用中斷方式對(duì)MAX7219 進(jìn)行控制，傳送16 位數(shù)據(jù)的地址位和數(shù)據(jù)位。 在主程序中，包括串行方式的設(shè)置、顯示緩沖單元和各控制寄存器的地址碼及數(shù)據(jù)單元的分配、對(duì)MAX7219 的初始化等。 在以下程序中， 顯示緩沖區(qū)為RAM 的30H～37H 單元， 控制寄存器地址碼及數(shù)據(jù)單元為40H～47H 單元。 要顯示的數(shù)據(jù)是程序執(zhí)行的運(yùn)算結(jié)果，以BCD 碼數(shù)形式存放在顯示緩沖單元的數(shù)據(jù)字節(jié)中，用轉(zhuǎn)換子程序BSHIFT 倒序后存回原處。單片機(jī)串行發(fā)送數(shù)據(jù)的啟動(dòng)在主程序中進(jìn)行，每發(fā)送兩個(gè)字節(jié)后， 在中斷子程序中控制MAX7219 的一引腳產(chǎn)生正跳變，把數(shù)據(jù)鎖存入相應(yīng)的寄存器中。 該中斷子程序既可發(fā)送一個(gè)16 位數(shù)據(jù)，也可連續(xù)發(fā)送多個(gè)16 位數(shù)據(jù)，非常方便。 由于MAX7219 易受干擾和影響，因此，在程序執(zhí)行過(guò)程中，應(yīng)經(jīng)常對(duì)顯示進(jìn)行更新。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著環(huán)境保護(hù)的主體意識(shí)日益增強(qiáng)，空氣質(zhì)量已成為人們關(guān)注最多的話題。 CO2氣敏檢測(cè)儀正在成為智能家居環(huán)保舞臺(tái)的重要成員。 該檢測(cè)儀遵循“價(jià)格低廉、簡(jiǎn)便易行”的目標(biāo)，完成了CO2氣敏檢測(cè)儀硬件、軟件的設(shè)計(jì)，其中包括傳感芯片、信號(hào)采集及電子線路3 個(gè)方面工作。

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