空氣放射性檢測儀CTA01

該系統硬件主要包括：89C51主控模塊、傳感器模塊、模數轉換模塊A/D574A、44780顯示模塊等。其中89C51主要完成信號的采樣功能，44780顯示模塊完成字符、數字的顯示功能。

主控模塊

系統采用AT89C51單片機，它帶有4KB閃速存儲器、128B內存，最大工作頻率24MHz，同時(shí)，具有32條輸入輸出線(xiàn)，16定位時(shí)/計數器，5個(gè)中斷源，1個(gè)串行口。

AT89C51是一種帶4K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱(chēng)單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

傳感器的選型

選用定電位電解式傳感器。它是一種濕式電化學(xué)氣體傳感器，通過(guò)測定空氣在某個(gè)確定電位電解時(shí)所產(chǎn)生的電流來(lái)測量氣體濃度。傳感器輸出的是標準的4~20mA的信號，為了滿(mǎn)足后續電路的需要采用兩個(gè)運算放大器組成I/V轉換電路，采用RCV420集成芯片。下圖是RCV420與后續放大電路的原理圖。

當4－20mA電流輸入對應0－5V電壓輸出時(shí)，要求電路的傳輸阻抗為：　VOUT/IIN=5V/16mA=0.3125V/mA　為了得到期望的輸出（4mA時(shí)0V，20mA時(shí)5V），放大器的輸出必須有一個(gè)偏置:　VOS=－4mA×（0.3125V/mA）=－1.25V　輸入電流信號接至＋IN端還是接至－IN端取決與信號的極性，并經(jīng)過(guò)中心抽頭CT返回地端。兩個(gè)匹配的75Ω檢測電阻Rs構成對稱(chēng)輸入，可最程度地抑制CT腳的共模電壓信號，消除不同輸入端電流在差分電壓轉換時(shí)的不均衡。檢測電阻將輸入的電流信號經(jīng)差分放大器放大，轉換成一個(gè)與之成正比的電壓?！∥挥诜糯笃鞣答佂ǖ乐械?/span>T型網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)用于產(chǎn)生所需要的－1.25V偏置電壓。輸入電阻網(wǎng)絡(luò )提供了很高的輸入阻抗，并將共模輸入電壓衰減至運算放大器的共模信號容限內。

電源和信號的連接　圖3所示是RCV420電源和信號的正確接法。正負電源腳各接一個(gè)1μF的退耦電容，并盡能地靠近放大器。為避免由外部電路引入的增益和CMR誤差，應按圖示方法接地，并確保最小接地電阻。輸入信號視其極性或接至＋IN腳，或接至－IN腳，經(jīng)中心抽頭CT腳返回地端。電壓基準的輸出Ref OUT腳應接至Ref IN，以產(chǎn)生電平偏置。Ref IN腳不用時(shí)必須接地，以維持高共模抑制。    

增益調節　圖4所示是RCV420的增益調節電路。在運放的反饋通道插入一個(gè)小電阻R1，可以增大增益。采用此方法增大增益將導致CMR下降，因此，增益調節應盡可能的小。例如，用一個(gè)125Ω電阻可使增益增大1％，但CMR將下降約6dB?！≡跈z測電阻上并聯(lián)匹配電阻RX，可以減小增益。增益值由下式表示：　VOUT/IIN=0.315RX/（RX＋RS）　并聯(lián)7.5kΩ電阻可使增益減小1％。為了維持高共模抑制，并聯(lián)電阻的匹配很重要。并聯(lián)電阻的溫度參數的任何不一致，都將引起增益誤差和CMR的漂移。 　　偏置調零　有兩個(gè)方法可對RCV420的輸出偏置電壓進(jìn)行調零。一是用片內10V基準作電平移動(dòng)，對電壓基準的輸出進(jìn)行調整。二是采用圖5電路，在Rcv Com腳外接低輸出阻抗運放，這種方法可對輸出偏置電壓進(jìn)行較大范圍地調節。采用這個(gè)辦法調零，Ref IN腳必須與Rcv Com腳相連，且要求Rcv Com腳對地端為低阻抗，以維持高共模抑制。

AD574A是12位逐次逼近式A/D轉換器，如圖2所示。它轉換速度快，12位精度一次轉換時(shí)間為25us，轉換功率為40MSPS。片內具有三態(tài)輸出鎖存緩沖期，全8位或16位微處理器接口，250us總線(xiàn)讀取時(shí)間，與微處理器接口簡(jiǎn)單，非線(xiàn)性誤差小于+-1/2LBS或+-1LBS。在-55C~125C溫度范圍內滿(mǎn)足線(xiàn)性要求。其管腳及接口電路如圖所示。

多路轉換開(kāi)關(guān)4051及電路設計

4051是典型的八選一CMOS多路開(kāi)關(guān)，它們用幅度為0~+VDD~-VEE的正負極性的模擬信號，4051的靜態(tài)功耗最大為100uW，最大靜態(tài)電流為10uA，開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間為720ns。其管腳及接口電路如圖3所示。

2.5 44780顯示模塊

  本系統采用Fig3 4051 and interface clrcult 44780驅動(dòng)的LCD，HD44780（KS0062）是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規模點(diǎn)陣LCD控制器（兼帶驅動(dòng)器），和4bit/8bit微處理器相連，它能使點(diǎn)陣LCD顯示大小寫(xiě)英文字母、數字和符號等豐富的信息，同時(shí)又較強的通用性應用，使用方便，用戶(hù)能用少量元件就可組成一個(gè)完整點(diǎn)陣LCD系統，送入相關(guān)的數據和指令即可實(shí)現所需的顯示

   44780現實(shí)模塊有8條數據線(xiàn)，3條控制線(xiàn)，可與微處理器或微控制器相連，通過(guò)送入數據和指令，就可使模塊正常工作，44780顯示模塊和89C51單片機連接如圖4所示。

2.6 抗干擾設計

   在危機測控系統中，系統抗干擾性能的好壞直接影響到整個(gè)系統工作的可靠性和安全性。因此，抗干擾設計師系統設計的一個(gè)主要內容，本系統采用的是由硬件和軟件相結合的抗干擾措施。

2.6.1系統硬件抗干擾設計

（1）濾波技術(shù)：1 將電源變壓器的進(jìn)線(xiàn)段加入濾波器，以消弱瞬變噪聲干擾；2 在直流電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間接濾波電容，以抑制電源噪聲。

（2）去藕電路：在印刷電路板的各個(gè)集成電路的電源線(xiàn)端與地線(xiàn)端之間配置去藕電容。

（3）屏蔽技術(shù)：屏蔽技術(shù)主要由電場(chǎng)屏蔽，電磁場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽三類(lèi)，本系統是電場(chǎng)和電磁場(chǎng)屏蔽的方法。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料，把需要隔離的部分保衛起來(lái)。磁場(chǎng)屏蔽則應采用高導磁率的材料。

（4）光電隔離：在I/O通道上采用光電隔離器，將單片機系統與各種傳感器、開(kāi)關(guān)從電器上隔離開(kāi)來(lái)，很大一部分干擾可被阻擋。

2.6.2 系統軟件抗干擾設計

對于微機測控系統，僅僅考慮硬件的抗干擾遠遠不夠的，采取一定的軟件抗干擾措施非常必要，它不僅能降低系統的硬件成本，又可以充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，使系統具有自我診斷，自我恢復的能力。本系統采用的軟件抗干擾措施主要有以下幾種：

（1）數字濾波技術(shù)，采用數字濾波技術(shù)除去輸入信號中所摻雜的各種隨機干擾。

（2）軟件陷阱技術(shù)，當系統受到干擾，PC值發(fā)生變化，程序“亂飛"等情況，可以用軟件陷阱和看門(mén)狗將程序拉回到復位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標志，在每次程序復位時(shí)，通過(guò)這些標志，可以判斷復位原因并根據不同的標志直接跳到相應的程序。這樣可以使程序運行有連續性，用戶(hù)在使用時(shí)也不易察覺(jué)到程序被重新復位過(guò)。

3軟件設計

   該系統軟件主要由主程序、中斷子程序、數據采集與A/D轉換子程序、顯示子程序、報警子程序等六大模塊組成，因為C語(yǔ)言編寫(xiě)的軟件易于實(shí)現模塊化，生成的機器代碼質(zhì)量高、可讀性強、移植好，所以本系統的軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在KeilVision3 Demo版本的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯連接。

3.1 主程序設計

   主程序主要完成硬件初始化、子程序調用等功能，主程序流程圖如圖5所示。

3.2 數據采集自程序設計

    數據采集與A/D轉換子程序根據輸入參數對相應的模擬信號進(jìn)行采樣、量化及處理，并將相應的信號的數值返回主程序

3.3 顯示子程序設計

    顯示子程序完成符號、數值的顯示輸出。

3.4 報警子程序

    主要實(shí)現異常情況下控制告警信號輸出。如當室內甲醛升高到某一點(diǎn)時(shí)，或苯含量升高到某一規定值時(shí)，音頻報警裝置會(huì )發(fā)出不同頻率的告警信號，同時(shí)相應的指示燈亮（點(diǎn)亮報警指示燈的任務(wù)由顯示子程序完成），以引起工作人員的注意