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摘 要： 摘要:準(zhǔn)確檢測(cè)CO濃度對(duì)環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)具有重要的意義，TDLAS技術(shù)是一種高效、高精度的CO氣體濃度檢測(cè)方案。設(shè)計(jì)了一種用于CO激光TDLAS型氣體檢測(cè)系統(tǒng)的光電檢測(cè)電路。CO氣體選擇性吸收由激光器發(fā)出的特定波長(zhǎng)信號(hào)，而后光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)電路轉(zhuǎn)換為有效
摘要:準(zhǔn)確檢測(cè)CO濃度對(duì)環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)具有重要的意義，TDLAS技術(shù)是一種高效、高精度的CO氣體濃度檢測(cè)方案。設(shè)計(jì)了一種用于CO激光TDLAS型氣體檢測(cè)系統(tǒng)的光電檢測(cè)電路。CO氣體選擇性吸收由激光器發(fā)出的特定波長(zhǎng)信號(hào)，而后光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)電路轉(zhuǎn)換為有效的電壓信號(hào)，運(yùn)用TLC4545模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將其發(fā)送到主控芯片STM32F105R8進(jìn)行處理，使用W25Q128閃存完成對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，最后數(shù)據(jù)通過(guò)串口調(diào)試助手進(jìn)行顯示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該電路可以實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、精確地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，且靈活性強(qiáng)，可應(yīng)用于其它氣體檢測(cè)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:CO;TDLAS;光電探測(cè)器;TLC4545
1引言
CO是一種無(wú)色、有毒、可爆燃的氣體，人體吸入后會(huì)和血液中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致機(jī)體組織無(wú)法吸收氧氣，出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象甚至窒息死亡。同時(shí)，CO是含碳元素的物質(zhì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，在眾多可作為檢測(cè)燃燒生成物的指標(biāo)氣體中，一氧化碳因濃度變化明顯、易于檢測(cè)等特點(diǎn)，在煤礦爆炸事故中被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)預(yù)警的指標(biāo)氣體[1-2]。隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，CO也可作為評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的主要污染物之一。
隨著技術(shù)的發(fā)展和人們安全意識(shí)的普遍提升，對(duì)氣體檢測(cè)的精度和全面性要求越來(lái)越高，CO檢測(cè)技術(shù)也隨之迅速發(fā)展。近年來(lái)，使用TDLAS技術(shù)的氣體檢測(cè)方法已經(jīng)逐漸成為精確檢測(cè)氣體的重要辦法[3]。該方法參照被測(cè)氣體紅外波段的譜線強(qiáng)度變化選取特定的氣體吸收峰，采用電流調(diào)諧的方式控制激光器發(fā)出與吸收峰相對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)激光，激光信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)氣體特征吸收后會(huì)發(fā)生光強(qiáng)的衰減，再對(duì)光電探測(cè)器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體濃度的高精度檢測(cè)。TDLAS氣體檢測(cè)技術(shù)具有選擇性好、靈敏度高、檢測(cè)速度快、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[4-8]。
設(shè)計(jì)了一種用于CO激光TDLAS型氣體檢測(cè)系統(tǒng)的光電檢測(cè)電路，將經(jīng)過(guò)CO氣體特征吸收后的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光電探測(cè)器采用Thorlabs公司的FGA01，其為InGaAs近紅外光電二極管，通過(guò)AD8033芯片完成電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，采用TLC4545模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行信號(hào)采集，將其發(fā)送給主控芯片STM32F105R8進(jìn)行相應(yīng)處理，處理結(jié)果存儲(chǔ)到W25Q128閃存里，最后經(jīng)串口調(diào)試助手進(jìn)行顯示。此電路設(shè)計(jì)可以快速精確地將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，不僅適用于CO激光氣體檢測(cè)系統(tǒng)，而且同樣適用于其它TDLAS激光氣體檢測(cè)系統(tǒng)。
2模塊整體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要由4個(gè)部分構(gòu)成:光電探測(cè)電路、采樣電路、主控電路、存儲(chǔ)電路。系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。圖1基本框圖光電探測(cè)器FGA01將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由于激光光強(qiáng)經(jīng)過(guò)CO氣體特征吸收后發(fā)生衰減，選用AD8033高速放大器對(duì)輸出電信號(hào)進(jìn)行放大，采用TLC4545芯片進(jìn)行信號(hào)采集，將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送回主控芯片STM32F105R8進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理結(jié)果存儲(chǔ)到W25Q128閃存中，最后通過(guò)串口調(diào)試助手顯示，此設(shè)計(jì)可達(dá)到高精度光電轉(zhuǎn)換的需求。
3電路設(shè)計(jì)
3.1光電檢測(cè)電路
3.1.1光電探測(cè)器選擇
光電探測(cè)器以光電效應(yīng)為工作原理進(jìn)行光信號(hào)-電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于本系統(tǒng)選用1568nm作為CO氣體的特定吸收波長(zhǎng)，因此，采用Thorlabs公司InGaAs近紅外光電二極管FGA01，該光電二極管的接收波長(zhǎng)范圍為800nm～1700nm，峰值波長(zhǎng)為1550nm，最大偏置電壓為20V，暗電流最大值為2nA，其參數(shù)指標(biāo)滿足CO激光TDLAS型氣體檢測(cè)系統(tǒng)的波長(zhǎng)要求，可以將經(jīng)過(guò)CO氣體吸收后的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。
FGA01型InGaAs光電二極管的頻譜響應(yīng)如圖2所示。
3.1.2放大電路
光電檢測(cè)放大電路對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的性能影響較大。激光器自身的輸出功率較低，信號(hào)經(jīng)CO氣體吸收后光強(qiáng)變?nèi)鮗9-10]，并且在實(shí)際的探測(cè)環(huán)境中背景噪音等也會(huì)影響光電探測(cè)器的探測(cè)精度。
設(shè)計(jì)的放大電路首先進(jìn)行電流信號(hào)-電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行電壓放大，在此過(guò)程中需要考慮高增益、寬頻帶、低噪聲的設(shè)計(jì)需求[11-12]。設(shè)計(jì)了一款針對(duì)以上需求的放大電路，可抑制系統(tǒng)噪聲影響從而獲得有效的電壓信號(hào)，便于后續(xù)主控器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
放大器選用AD8033，其是一種80MHz帶寬的場(chǎng)效應(yīng)管輸入放大器，軌對(duì)軌輸出，具有寬電壓范圍(5～24V)、高共模抑制比(-100dB)、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，與同等價(jià)格的FET輸入放大器相比，適用范圍更廣。此放大器可以滿足本系統(tǒng)的需求。
光電探測(cè)器信號(hào)放大電路如圖3所示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該放大電路輸出電壓信號(hào)穩(wěn)定，具有較高的信噪比。
3.2采樣電路
光電探測(cè)電路得到的是與激光強(qiáng)度成比例的模擬信號(hào)，為了便于后面數(shù)據(jù)的處理，需要將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集電路模塊運(yùn)用TLC4545芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其是一款16位微型CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，運(yùn)行在5V電壓下，設(shè)備可用單、雙或單端偽差分輸入，具有性能高、功耗低的特點(diǎn)，芯片的自動(dòng)斷電模式增強(qiáng)了節(jié)電功能。該芯片具有速度高達(dá)15MHz的SPI接口，可高速串行連接到CPU，完成對(duì)輸入模擬信號(hào)的高精度采樣。
TLC4545數(shù)據(jù)采樣電路如圖4所示，使用5V電壓進(jìn)行供電，參考電壓為5V，模擬信號(hào)通過(guò)引腳6AIN(+)輸入，片選和時(shí)鐘信號(hào)由主控器STM32F105提供，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)由引腳2(SD0)傳給主控器進(jìn)行處理。
3.3主控器電路
本系統(tǒng)采用STM32F105R8作為主控芯片。其內(nèi)核采用Cortex-M3，工作頻率最高為72MHz，供電范圍為2.0V～3.6V。芯片包含256K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器、64K字節(jié)的SRAM、兩個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、四個(gè)16位的定時(shí)器和14個(gè)不同的通信接口。
STM32F105R8具有速度快、低功耗、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在嵌入式軟硬件系統(tǒng)控制與電路設(shè)計(jì)中。該芯片可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，保證本系統(tǒng)準(zhǔn)確高速地對(duì)電路進(jìn)行控制和處理數(shù)據(jù)。STM32F105R8電路如圖5所示。
STM32F105R8驅(qū)動(dòng)TLC4545進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并控制其信號(hào)采集的開(kāi)始、停止、采樣速率，對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)于W25Q128閃存中，然后通過(guò)串口調(diào)試助手發(fā)送至電腦進(jìn)行顯示。
3.4存儲(chǔ)電路
為方便的存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以采用外擴(kuò)SD卡和存儲(chǔ)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用micro-SD卡來(lái)記錄數(shù)據(jù)，其可以提供幾乎“無(wú)限”的存儲(chǔ)空間，運(yùn)用FatFS文件系統(tǒng)與主機(jī)交換數(shù)據(jù)，但是SD卡需要占用PCB的空間，插座為需要接觸的機(jī)械部件，在振動(dòng)和腐蝕的環(huán)境中不可靠，并且成本高。為避免出現(xiàn)以上問(wèn)題，本系統(tǒng)選擇FLASH芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，電路采用的是高容量的W25Q128閃存[13-17]。
W25Q128是一款SPI接口的閃存芯片，可用2.7～3.6V的電壓供電，激活時(shí)的電流功耗可低到4mA，睡眠時(shí)則可低到1μA。其具有128Mbit的存儲(chǔ)空間，即16M字節(jié)。操作時(shí)需要給W25Q128提供一個(gè)不低于4K的緩存區(qū)，因此，要求芯片必須有4K以上的SRAM。主控芯片STM32F105R8具有64K的SRAM，可以控制此芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。其硬件接口如圖6所示:
運(yùn)用W25Q128芯片來(lái)存儲(chǔ)經(jīng)主控器STM32F105R8處理后的數(shù)據(jù)，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和刪除。保證了整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定且高效。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
光電探測(cè)電路的探測(cè)板如圖7所示，主控板如圖8所示。
對(duì)本系統(tǒng)光電檢測(cè)電路穩(wěn)定性和精度進(jìn)行測(cè)試，光電探測(cè)電路前端放置VCSEL激光器，在實(shí)驗(yàn)中采用不同的激光強(qiáng)度對(duì)光電器進(jìn)行照射，通過(guò)串口調(diào)試助手記錄其輸出的電壓值，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。
由上述測(cè)量結(jié)果可知，電路輸出的電壓值穩(wěn)定、有效且精確度較高，符合本系統(tǒng)的預(yù)期期望，達(dá)到CO激光TDLAS型氣體檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)光電檢測(cè)電路的需求。
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5結(jié)論
針對(duì)CO激光TDLAS型氣體檢測(cè)系統(tǒng)，研制了一種光電轉(zhuǎn)換電路。將FGA01型InGaAs光電二極管探測(cè)的信號(hào)，通過(guò)AD8033芯片完成電流到電壓的轉(zhuǎn)換，采用TLC4545模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行信號(hào)采集，將其發(fā)送給主控芯片STM32F105R8進(jìn)行相應(yīng)處理，處理結(jié)果存儲(chǔ)到W25Q128閃存里，最后經(jīng)串口調(diào)試助手進(jìn)行顯示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該電路可以穩(wěn)定、高精度地完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并且具有較強(qiáng)的靈活性，本系統(tǒng)也同樣適用于其他需要光電檢測(cè)電路的TDLAS氣體檢測(cè)系統(tǒng)。——論文作者：黃碩1，2，王彪1，戴童欣1，3，連厚泉1，3，程林祥1，2，俞泳波1，3
