基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计2013年 - 图文

中北大学信息商务学院2013届本科毕业设计说明书

3.1.2 AT89S52单片机的主要特性

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8KBISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。

AT89S52具有如下特点：40个引脚，8KB Flash片内程序存储器，256位的随机存取数据存储器，32个外部双向输入/输出口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，3个可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 3.2 二氧化碳数据的采集与处理

二氧化碳是植物进行光合作用的重要原料之一，可以提高植物光合作用的强度，并有利于作物的早熟丰产，增加含糖量，改善品质。而空气中的二氧化碳浓度一般约占空气体积的0.03%，远远不能满足作物优质高产的需要。现代农业中，大都采用温室大棚进行作物的栽培和培育。在作物的整个生长期，都需要提供不同浓度的二氧化碳。适宜的二氧化碳浓度可以促使幼苗根系发达，活力增强、产量增加。而现代农业中的温室大棚，形成了一个相对封闭的环境，使得对二氧化碳浓度的控制成为可能。但是，空气中二氧化碳浓度的测量，是一个比较困难的问题，因为它涉及到测量方法、信号的获取和测量设备的成本。专业的二氧化碳浓度测量仪表的价格一般都在上万元/台，在一般用户中难以普及，因此，本论文针对此问题设计一种能够应用在农业上的二氧化碳检测器。 3.2.1 二氧化碳传感器的选择

气体传感器主要可以分为金属氧化物半导体式传感器、固体电解质传感器、红外式传感器等，一般的半导体传感器测量时受环境影响较大，输出线性不稳定；电解式气体传感器气体的重复性比较差；红外线吸收散射式气体传感器灵敏度高，可重复性好，响应时间快，考虑到系统的长期稳定性和经济性选择采用红外二氧化碳传感器6004。

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3.2.2 红外二氧化碳传感器的工作原理

本课题所选用的二氧化碳传感器是美国telaire公司生产的红外二氧化碳传感器6004，此传感器基于气体对红外光吸收的郎伯--比尔吸收定律，采用国际上最新的电调制红外光源、高灵敏度滤光传感一体化红外传感器、高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室等，实现不同浓度、气体的高精度连续检测。其测量精度：二氧化碳浓度相对误差<2%；检测重复性<1%；测量范围：二氧化碳浓度0～5%。 1.红外气体测量的基本原理：

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作用，其吸收关系服从朗伯-比尔吸收定律。设入射光是平行光，其强度为错误！未找到引用源。，出射光的强度为错误！未找到引用源。，气体介质的厚度为错误！未找到引用源。．当由气体介质中的分子数错误！未找到引用源。的吸收所造成的光强减弱为错误！未找到引用源。时，根据朗伯-比尔吸收定律：

dI??kdN I （3.1）

式中K为比例常数。 经积分得：

错（3.2） 式中：错误！未找到引用源。为吸收气体介质的分子总数；错误！未找到引用源。为积分常数。

显然，有：错误！未找到引用源。 式中错误！未找到引用源。为气体浓度。 则式（3.2）可写成：

错误！未找到引用源。 （3.3）

式（3.1）表明：光强在气体介质中随浓度错误！未找到引用源。及厚度错误！未

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误！未找到引用源。 中北大学信息商务学院2013届本科毕业设计说明书

找到引用源。按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数错误！未找到引用源。互不相同。对同一气体，错误！未找到引用源。随入射波长而变。若吸收介质中含错误！未找到引用源。种吸收气体，则式（3.3）应改为

I?I0exp(?L??ici) （3.4）

因此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。

图3.2 NDIR红外气体分析示意图

图3.2为NDIR红外气体分析原理图。分析二氧化碳气体时，红外光源发射出1～20错误！未找到引用源。的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26错误！未找到引用源。波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26错误！未找到引用源。波长红外光的强度，以此表示二氧化碳气体的浓度。 3.3 A/D转换器及其接口电路

接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。单片机接口技术【18】是研究单片机与外部芯片之间如何交换信息的技术，外部的各种信息通过输入接口送入单片机，而单片机的各种信息通过输出接口送到外部芯片中，因此单片机需要通过信息转换器件实现信息的交流与控制。人们把由模拟量到数字量转换器件（Analog to Digital Converter）称为模拟—数字转换器，简称A/D转换器或ADC；把

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由数字量到模拟量转换的器件（Digital to Analog Converter）称为数字—模拟转换器，简称D/A转换器或DAC。

常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，前者转换时间短，但抗干扰能力差；后者转换时间长，抗干扰能力较强。因此在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，易采用双积分式A/D转换器。

在常用的A/D转换芯片（如ADC0809、ADC0832、ICL7109等）中，ADC0832与其余几种有所不同，ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832 可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。因此它广泛应用在速度要求不高，而精度要求较高的各种领域中。本文用单片机的串行方式采集ADC0832的数据【19】。图3.7 ADC0832封装以及各端子。

图3.7 ADC0832封装以及各端子

3.3.1 ADC0832的主要特点及管脚 ADC0832的主要特点有： 2 8位分辨率；

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