傳感器的輸出(可以是電壓信號也可以是電流信號)隨著被測量(比如溫度、濕度、濃度等)變化的特性曲線，是傳感器特性的*直接的體現，也是測量系統的依據。傳感器的性能*終體現為其輸出與氣體濃度相關的線性信號。在完成前面敏感單元的設計后，已經可以將氣體濃度信號轉化為微弱的電信號。本節的主要內容是處理微弱檢測信號，并利用單片機對實現對此信號的測量和控制。

    氣體分子在被抽入電離室后，被紫外燈電離形成了離子，離子在極板電壓的作用下，定向移動形成微弱電流。由前面的理論推導，在外界條件（電離室結構，紫外燈強度）固定的條件下，電流的大小與氣體的濃度為線性關系。根據不同信號的具體特征，選用了有效的微弱信號檢測方法，并通過適當的措施，有效地抑制了噪聲和干擾，從強背景噪聲中提取有效信號。本系統采用微弱信號檢測電路，如圖3.8所示，實現濃度→微弱電流→電壓的線性轉換，電壓經過差分放大后輸入給單片機。由單片機進行信號濾波，從DAC口輸出。

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PID氣體傳感器檢測系統設計框圖

    結合現有的大多數檢測設備的情況，以及現有工業控制應用領域的需求情況，本文選用高集成度的混合性芯片C8051F040單片機作微處理單元，首先作為發出激發紫外燈的方波的信號源，并且進行信號的采集、計算處理、判斷等，這些都使得檢測系統的設計大大簡化了，并使整個檢測系統達到了微型化、微功耗等優點。

    為了設計針對本傳感器的信號檢測電路，首先需確定敏感頭輸出信號的信號特征，在氣體流是穩定的情況下，存在一定速率的氣體分子通過電極板，在相對較長的響應時間內，電極板會產生穩定的支流微弱直流電流，其應同氣體濃度成比例，是本傳感器要檢測的微弱信號。

   以1ppm的甲苯為例，在大氣壓強下，1毫升1ppm苯蒸汽中，含苯蒸汽分子數為：

    采樣泵抽速估計為0.3升/分，故單位時間內流經電離室的苯分子數為

    設苯蒸汽分子的光電離截面為10^-16平方厘米數量級，離子約為一次電離(帶電荷1.6*10^-19庫侖)，已知真空紫外燈輸出為10¹¹光子／秒，則可求得離子流：

    由于離子流比較微弱（大約為10^-1nA級），采用低噪聲前置放大器放大。放大電路如圖3.9所示。I-V轉化是通過溫度性能較好的大電阻R6來實現的，若信號電流為0.1nA,則經R6后轉換成電壓1mV，可進行后續的電路處理。電阻R6兩端的旁路電容C2，可以起到濾波的作用。為減小后續電路對輸入信號的影響，提高后續電路的輸入阻抗，在電流轉換成電壓后，采用了以儀表放大器AD620為核心的差分電路，以抑制共模干擾。AD620具有很低的溫漂系數，為，能滿足試驗要求。且AD620是高性能的低噪聲儀表放大器，在工作頻率其噪聲值是可有效減小輸入噪聲。差分電路的另一端，lm4040具有穩壓作用，輸入由lm4040的輸出分壓得到，大小約為10mV。AD620放大倍數

信號經放大后，通過一個簡單的RC低通濾波電路，理論截止頻率。

    在I-V轉換電路后，為與后續信號處理單元-單片機相匹配，信號通過另外一個AD620進一步放大。3引腳為差分放大電路的輸出，6引腳接單片機的IO口。本論文選擇C8051F040單片機的12位模數轉換器ADC的參考電壓典型輸出值為2.43V。R9決定放大倍數，可以根據實際實驗值調節，使之與單片機的輸入模式相匹配。    

通過芯片MAX660將5V轉為-5V，實現對AD620的供電，所有的電源和地之間都用104電容去耦，以實現較好的放大效果。

微弱信號檢測電路

微處理單元電路的設計以及數據采集、判斷處理 3.3.1微集成處理單元

為了減小系統功耗和體積，設計時選用了Silicon Laboratories公司的高集成度的混合集成芯片C8051F040單片機，該款單片機具有內部集成A/D轉換器、集成CAN2.0控制器等功能，它能夠完成多路數據的采集、判斷處理、以及數據的傳輸等功能，如此使整個系統由一個單片機就控制起來了，這樣使整個儀器的體積和功耗達到了微型化，功耗也大大降低了^[16-18]。

C8051F040系列器件是完全集成的混合信號片上系統型MCU，具有64個數字I/O引腳，片內集成了一個CAN2.0B控制器。

下面列出了一些主要特性：

1. 高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核（可達25MIPS）

2. 全速、非侵入式的在系統調試接口（片內）

3. 真正12位、100ksps的ADC

4. 允許高電壓差分放大器輸入到12/10位ADC（60V峰-峰值），增益可編程

5. 兩個12位DAC，具有可編程數據更新方式

6. 64KB可在系統編程的FLASH存儲器

7. 可尋址64KB地址空間的外部數據存儲器接口

8. 硬件實現的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口

9. 5個通用的16位定時器

10. 具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列

11. 片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器

    片內JTAG調試電路允許使用安裝在*終應用系統上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試。該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。

每個MCU都可在工業溫度范圍（-45℃到+85℃）工作，工作電壓為2.7～3.6V，端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓，C8051F040為100腳TQFP封裝。

C8051F040原理框圖

    系統中經過處理、放大提取以后，得到的與檢測氣體濃度有關的有用信號：參考通道信號、氣體通道信號、溫度信號等經過調理以后，信號幅度范圍都在0～3.3V，滿足單片機的輸入信號范圍，這幾路信號接單片機的單端輸入通道，進入12位AD轉換器。各輸入通道通過軟件設計，進行開關配置，實現多路數據AD的采集通道切換功能。

    本系統信號采用AIN0.0引腳單端輸入方式進入A/D轉換。具體過程如下：

    C8051F040的ADC0轉換器動態選擇模擬輸入量進入A/D轉換，轉換精度12bit，并且在轉換前，可以增益放大控制，以滿足實際需要，還可以編程監控，當ADC0轉換結果符合監控預設值并且相應中斷開啟時，將引發相應的中斷。

    轉換前需要對模擬通道選擇器寫適當的控制操作，通過寫AMXOF控制器操作進行輸入單端模式。

    向ADC0CN的AD0BUSY位寫1啟動ADC轉換，轉換結束后復‘0’。AD0BUSY位的下降沿觸發中斷（當被允許時）并將中斷標志AD0INT（ADC0CN.5）置‘1’。轉換數據被保存在ADC數據字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L。轉換數據在寄存器對ADC0H:ADC0L中的存儲方式采取右對齊由ADC0CN寄存器中AD0LJST位的編程狀態決定。當通過向AD0BUSY寫‘1’啟動數據轉換時，應查詢AD0INT位以確定轉換何時結束（也可以使用ADC0中斷）。一般情況查詢步驟如下：

 = 1 \* GB3 ①．寫‘0’到AD0INT；

 = 2 \* GB3 ②．向AD0BUSY寫‘1’；

 = 3 \* GB3 ③．查詢并等待AD0INT變‘1’；

 = 4 \* GB3 ④．處理ADC0數據

    當CNVSTR0被用作轉換啟動源時，它必須在交叉開關中被使能，對應的引腳必須被配置為漏極開路、高阻方式。首先對ADC0進行了初始化設置，采樣頻率為單片機的*高轉換速率100kHz，PGA增益為2倍，ADC0進入單端輸入和連續跟蹤模式，同時選擇0通道。在送數開始后，查詢標志位，當送數完成后，將轉換后的值代入主程序。

數字濾波及DA輸出

    從理論上講從AD芯片上采集的信號就是需要的量化信號，但是由于存在電路的相互干擾、電源噪聲干擾和電磁干擾，在AD芯片的模擬輸入信號上會疊加周期或非周期的干擾信號，并會被附加到量化值中給信號帶來一定的惡化。考慮到數據采集的實時性和**性，需要對采集的數據進行數據采集濾波，減小干擾對信號的影響^[19]。

單片機數字濾波的常用方法有限幅濾波法、中值濾波法、算術平均濾波法、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法。一階滯后濾波法、加權遞推平均濾波法、消抖動濾波法。

本系統采用中位值平均濾波法^[20]。這種方法相當于“中位值濾波法+算術平均濾波法”, 其實現方法為：

（1）連續采樣N個數據，去掉一個*大值和*小值；

（2）然后計算N-2個數據的算術平均值。

這種方法融合了兩種濾波法的優點，可消除由于偶然出現的脈沖干擾引起的采樣值偏差。

信號經過數字濾波后，通過DA轉換后輸出。C8051F040有2個12位DAC模塊，輸出為電壓型，輸出范圍約為0V～V_REFD。若DAC禁止，則DAC輸出引腳為高阻態，DAC模塊處于低功耗節能態，耗電電流低至。

DAC輸出更新有4種方式：直接更新；T2，T3和T4溢出；通過DAC0CN(DAC1CN)寄存器配置。在默認模式下，DAC0為直接更新模式，先對DAC0L寫操作，再對DAC0H寫操作。經過設置DAC采樣與DAC輸出有良好的一致性，如圖3.11所示。

AD采樣信號和DA輸出信號

 C8051F040的外圍電路

C8051F040的外圍電路包括復位電路、外部晶振電路、信號輸入、信號輸出、紫外燈驅動電路、電源系統。

本系統采用16MHZ的外部晶振驅動外部石英晶振，注意在對外部晶振驅動電路PCB布板時要使晶振和電容盡量靠近XTAL1和XTAL2且是布線盡量短以減少干擾；外部復位引腳/RST提供了使用外部電路強制單片機進入復位狀態的手段，本系統提供了一個外部上拉和對/RST引腳的去耦電路以防止由于強噪聲而引起復位。

微處理單元的外圍電路