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，通常制成報警器用來對空氣中的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)濃度超過指標(biāo)時，傳感器就會輸出警告信號觸發(fā)報警裝置。傳感器參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確度非常重要，因為一旦標(biāo)定的參數(shù)有偏差，那么傳感器將會在非指定濃度誤報警，報警過早和過遲都是不可取的。為準(zhǔn)確快速大量的對氣體傳感器的參數(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試精度高，速度快，可與計算機(jī)通信的多通道氣體傳感器參數(shù)測試系統(tǒng)。
2 硬件電路設(shè)計
多通道氣體傳感器參數(shù)測試儀的硬件電路如圖1所示。采用80c196自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，對標(biāo)準(zhǔn)化的參數(shù)電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。由于一次性要測量的傳感器數(shù)量較大，故設(shè)計了通道切換控制電路，以便分時測量。為提高測試人員的安全性，測試儀通過串口與計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信，可以方便的使用計算機(jī)遠(yuǎn)程操作進(jìn)行傳感器的測試及測量結(jié)果的保存和打印。
圖1多通道氣體傳感器參數(shù)測試儀硬件原理圖
計算機(jī)主要用于控制測試系統(tǒng)以及對數(shù)據(jù)的分析，整理和保存。測試部分主要包括主控電路和8個輔助電路兩部分。測試部分的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：
圖2 測試部分電路結(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算機(jī)的命令然后進(jìn)行指定的操作：測量傳感器和傳送測量結(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4051邏輯開關(guān)有8個輸入端，一個輔助電路可以同時連接64個傳感器，故整個系統(tǒng)可一次性測量512個感器的參數(shù)，大大提高了測量效率。
圖4 輔助電路原理圖
為了消除數(shù)字系統(tǒng)頻譜混疊，濾除高頻噪聲對控制系統(tǒng)的影響，故在數(shù)控系統(tǒng)的傳感器信號前端設(shè)計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 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計
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)一步提高測試的準(zhǔn)確性，加入了軟件濾波。用雙線性變換法設(shè)計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計算得到。
4 上位機(jī)軟件設(shè)計
計算機(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)計主要是從使用者的角度來設(shè)計的包括以下幾點(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)放置時的提示語句來提醒操作人員此項的功能
5）.采用大量的對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，不僅可進(jìn)行傳感器的快速測量，而且能快速在界面上顯示測量結(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)將測量結(jié)果保存到自己的存儲區(qū)，測量結(jié)果暫時存在單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)，A/D轉(zhuǎn)換值存儲在8000H————-83FFH，共1024個存儲單元，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，單片機(jī)通過串行口將數(shù)據(jù)傳給計算機(jī)。計算機(jī)將測量結(jié)果進(jìn)行必要的處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中。
5 系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）大批量傳感器：
可一次性對512個傳感器進(jìn)行快速準(zhǔn)確測量。
（2）測量精度：
對測量結(jié)果影響較大的幾個方面為：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系統(tǒng)進(jìn)行采樣時對采樣電路的影響。
80c196的A/D轉(zhuǎn)換器為10位所以對0——5伏的分辨力為: 0.0049V,則 對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對參數(shù)電壓VRL造成影響，造成系統(tǒng)誤差，可用實驗的方法進(jìn)行估計。
同時還存在隨機(jī)誤差，是不可測量的。
通過對測試儀的調(diào)試可對測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，如果軟硬件調(diào)試無誤，本測試儀的測量精度可達(dá)±2%V。
（3）分壓網(wǎng)絡(luò)：
為提高測量精度，適應(yīng)更為廣泛的測量范圍，采用繼電器對分壓網(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） 實現(xiàn)對512路傳感器的測試自動化。
2） 能夠?qū)纹瑱C(jī)的RAM進(jìn)行檢測
3） 能夠清楚顯示測量結(jié)果
4） 能夠?qū)χ付ǖ膫鞲衅鬟M(jìn)行快速重測
5） 能夠保存測試結(jié)果
6 結(jié)語
多通道氣體傳感器測試儀研制完成后經(jīng)實際使用證明，具有測量精度高，測量速度快，硬件電路簡單，易于拆卸安裝，克服了原來使用手工測量精度低，速度慢的缺點(diǎn)。同時與計算機(jī)連接，方便操作，智能程度高，且可實現(xiàn)傳感器的即插即測功能等特點(diǎn)，為傳感器參數(shù)測量的自動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，信號的抗干擾處理。
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