基于AT89C52的非分散红外测油仪的研制

　　(1)电路结构

　　相敏检测电路如图3 所示, 其中U1:A 为过零电压比较器,D1 为检波二极管; 2N2222A 为晶体管电子开关; U1:B 为差动放大器, 对信号进行放大与合成。U1 采用了一片具有“轨到轨(rail- to- rail)”特性的低压四运算放大器TLC2274。

　　(2)工作原理

　　输入信号Us(t)同时输入U1:A 和U1:B, 输入信号Us(t)经U1:A 和D1 组成的整形电路后的输出U1(t)是与输入信号Us(t)同频、同相, 占空比1:1 的方波。此方波信号是控制电路电流流通的开关, 为晶体三极管2N2222A 提供基极电压, 控制电子开关的动作, 决定晶体管集电极信号U3(t)。由三极管工作原理知:

　　由式(3)知, 从相敏检波器输出信号 Uo(t)中得到了被测信号Us(t)。由电阻 R5 和电容C2 组成的低通滤波器对运放U1:B 输出信号Uo(t)进行低通滤波, 可得到直流信号, 此信号经 A/D 转换后送入单片机, 进过处理后就可得到样品溶液的浓度。通过调整 Rf 可以改变运放U1:B 对信号放大的幅度。

　　3 单片机系统设计

　　测油仪单片机系统结构如图4 所示, 系统全部采用新型I2C 或SPI 集成电路芯片设计, 主要由单片机 AT89C52、A/D 转换器、时钟电路、看门狗电路、液晶显示器、打印机、串行通信接口电路、小键盘、步进电机驱动器几大部分组成。经过调制后的脉冲光传送到光电导传感器, 光电导传感器将入射光强度I0和透射光强度 I 转换成交流电压信号, 此信号经过放大和处理后变为与光强对应的直流电压信号, 单片机通过双通道A/D 转换器AD7705 采集这两个电压信号。

　　为了记录测量时间, 需要实时时钟, DS1302 是高性能、低功耗的时钟芯片, 为系统提供秒、分、时、日、周、月、年等信息。系统采用 X25045 芯片实现看门狗、电压监视、存储电路。为提高人机交互能力, 采用汉字点阵液晶显示器, 配合三个功能按键, 实现多级菜单。同时配备了微型打印, 可将测量结果打印备份[7]。系统还具有与 PC 机通信的功能, 可将测量结果通过串口传送到计算机, 由计算机对各次的测量结果进行综合处理。此外为了完成调制功能, 单片机必须为步进电机提供步进脉冲,步进电机以 300r/min 的速度旋转, 单色光经调制盘调制后产生500Hz 的脉冲光。

　　4 仪器的软件设计与实现

　　系统程序主要实现数据采集、数据处理、数据显示打印、数据通信等功能。包括主程序、数据采集子程序、时钟读取子程序、数据存储子程序、LCD 显示子程序、打印控制子程序、按键处理子程序等。系统主程序是测油仪的重要程序, 它负责调度系统的各应用程序模块, 并与系统的外部设备及时交换信息,实现系统软、硬件资源的整体管理。系统的主程序流程如图5所示。

　　单片机主程序第一次运行时, 首先初始化时钟芯片为当前时间(以后可以省去时钟芯片的初始化), 若用户选择了测量功能, 单片机读取时钟芯片的时钟, 采集入射光强I0 和透射光强I 并计算吸光度 A, 查表求得溶液油浓度 C, 然后保存并显示测量结果。之后, 若用户选择了打印功能, 则对测量结果进行打印输出; 若用户选择了通信功能, 则将测量结果传送给上位 PC 机。

　　5 结束语

　　基于AT89C52 单片机的非分散红外测油仪采用先进的光源调制技术和相敏检测技术, 利用单片机实现对采集的参考信号和测量信号进行归一化处理和对各部分的控制, 具有较高的灵敏度和稳定性并且体积小适于野外使用。利用此仪器, 可以准确检测出水中矿物油和动植物油的污染物含量。目前, 国家各级环境监测站把水和土壤中油的污染作为必测项目。该仪器的研制将为我国各级环境监测站测量水质污染提供技术支持和方便快速的测量手段。

　　本文作者创新点: 基于 AT89C52 单片机的非分散红外测油仪采用最新集成电路芯片和软件设计, 为水中油浓度的现场检测提供了一个经济、快捷的便携式设备。该测油仪具有以下特点:

　　(1)采用切光器对红外光进行调制, 将光信号转变为交流信号, 有效的抑制了背景噪声, 使信号变得容易处理。采用相敏检测技术对弱信号进行提取, 极大提高了系统的信噪比。光源调制技术和相敏检测技术这两种技术相结合有效的解决了此类仪器开发中微弱信号的提取这一难题。

　　(2)单片机系统采用I2C 和SPI 总线, 硬件电路简单, 程序设计方便。

　　参考文献

　　[1]中华人民共和国国家标准(水质 石油类和动植物油的测定红外光度法)GB/T 16488—1996.

　　[2]Inter. Conf. on Advanced Infrared Detectors and Systems, 29~30Oct. 1981,p.p.24~29.

　　[3]张凯,钱东平,王文娣,唐娟.地下(表)水中油类污染物检测系统研究[J], 微计算机信息,2006,5- 2:97- 99.

　　[4]杨帆，秦万广，徐舜华.红外光电导探测器硒化铅(PbSe)在油分分析中的应用[J].松辽学刊(自然科学版)，1996.1,(11).

　　[5]占细雄，林君，周志恒.近红外光谱仪中的微弱信号检测技术[J]。仪器仪表学报，2002,23(3).

　　[6]丁士心，庄严.一种实用相敏检波器电路的设计.计量技术[J]，1999，(12).

　　[7] 闻明. 基于 LED 的便携式红外整粒小麦成分分析仪的研制[D].北京：中国农业大学，2004.6.