气体检测仪中PID技术原理传感器的推荐电路应用
传感器的输出(可以是电压信号也可以是电流信号)随着被测量(比如温度、湿度、浓度等)变化的特性曲线，是传感器特性的*直接的体现，也是测量系统的依据。传感器的性能*终体现为其输出与气体浓度相关的线性信号。在完成前面敏感单元的设计后，已经可以将气体浓度信号转化为微弱的电信号。本节的主要内容是处理微弱检测信号，并利用单片机对实现对此信号的测量和控制。
气体分子在被抽入电离室后，被紫外灯电离形成了离子，离子在极板电压的作用下，定向移动形成微弱电流。由前面的理论推导，在外界条件（电离室结构，紫外灯强度）固定的条件下，电流的大小与气体的浓度为线性关系。根据不同信号的具体特征，选用了有效的微弱信号检测方法，并通过适当的措施，有效地抑制了噪声和干扰，从强背景噪声中提取有效信号。本系统采用微弱信号检测电路，如图3.8所示，实现浓度→微弱电流→电压的线性转换，电压经过差分放大后输入给单片机。由单片机进行信号滤波，从DAC口输出。
SHAPE \* MERGEFORMAT
PID气体传感器检测系统设计框图
结合现有的大多数检测设备的情况，以及现有工业控制应用领域的需求情况，本文选用高集成度的混合性芯片C8051F040单片机作微处理单元，首先作为发出激发紫外灯的方波的信号源，并且进行信号的采集、计算处理、判断等，这些都使得检测系统的设计大大简化了，并使整个检测系统达到了微型化、微功耗等优点。
为了设计针对本传感器的信号检测电路，首先需确定敏感头输出信号的信号特征，在气体流是稳定的情况下，存在一定速率的气体分子通过电极板，在相对较长的响应时间内，电极板会产生稳定的支流微弱直流电流，其应同气体浓度成比例，是本传感器要检测的微弱信号。
以1ppm的甲苯为例，在大气压强下，1毫升1ppm苯蒸汽中，含苯蒸汽分子数为：
采样泵抽速估计为0.3升/分，故单位时间内流经电离室的苯分子数为
设苯蒸汽分子的光电离截面为10-16平方厘米数量级，离子约为一次电离(带电荷1.6*10-19库仑)，已知真空紫外灯输出为1011光子／秒，则可求得离子流：
由于离子流比较微弱（大约为10-1nA级），采用低噪声前置放大器放大。放大电路如图3.9所示。I-V转化是通过温度性能较好的大电阻R6来实现的，若信号电流为0.1nA,则经R6后转换成电压1mV，可进行后续的电路处理。电阻R6两端的旁路电容C2，可以起到滤波的作用。为减小后续电路对输入信号的影响，提高后续电路的输入阻抗，在电流转换成电压后，采用了以仪表放大器AD620为核心的差分电路，以抑制共模干扰。AD620具有很低的温漂系数，为
，能满足试验要求。且AD620是高性能的低噪声仪表放大器，在工作频率其噪声值是
可有效减小输入噪声。差分电路的另一端，lm4040具有稳压作用，输入由lm4040的输出分压得到，大小约为10mV。AD620放大倍数
信号经放大后，通过一个简单的RC低通滤波电路，理论截止频率
。
在I-V转换电路后，为与后续信号处理单元-单片机相匹配，信号通过另外一个AD620进一步放大。3引脚为差分放大电路的输出，6引脚接单片机的IO口。本论文选择C8051F040单片机的12位模数转换器ADC的参考电压典型输出值为2.43V。R9决定放大倍数，可以根据实际实验值调节，使之与单片机的输入模式相匹配。
通过芯片MAX660将5V转为-5V，实现对AD620的供电，所有的电源和地之间都用104电容去耦，以实现较好的放大效果。
微弱信号检测电路
微处理单元电路的设计以及数据采集、判断处理 3.3.1微集成处理单元
为了减小系统功耗和体积，设计时选用了Silicon Laboratories公司的高集成度的混合集成芯片C8051F040单片机，该款单片机具有内部集成A/D转换器、集成CAN2.0控制器等功能，它能够完成多路数据的采集、判断处理、以及数据的传输等功能，如此使整个系统由一个单片机就控制起来了，这样使整个仪器的体积和功耗达到了微型化，功耗也大大降低了[16-18]。
C8051F040系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有64个数字I/O引脚，片内集成了一个CAN2.0B控制器。
下面列出了一些主要特性：
1. 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）
2. 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）
3. 真正12位、100ksps的ADC
4. 允许高电压差分放大器输入到12/10位ADC（60V峰-峰值），增益可编程
5. 两个12位DAC，具有可编程数据更新方式
6. 64KB可在系统编程的FLASH存储器
7. 可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口
8. 硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口
9. 5个通用的16位定时器
10. 具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列
11. 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器
片内JTAG调试电路允许使用安装在*终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
每个MCU都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）工作，工作电压为2.7～3.6V，端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压，C8051F040为100脚TQFP封装。
C8051F040原理框图
系统中经过处理、放大提取以后，得到的与检测气体浓度有关的有用信号：参考通道信号、气体通道信号、温度信号等经过调理以后，信号幅度范围都在0～3.3V，满足单片机的输入信号范围，这几路信号接单片机的单端输入通道，进入12位AD转换器。各输入通道通过软件设计，进行开关配置，实现多路数据AD的采集通道切换功能。
本系统信号采用AIN0.0引脚单端输入方式进入A/D转换。具体过程如下：
C8051F040的ADC0转换器动态选择模拟输入量进入A/D转换，转换精度12bit，并且在转换前，可以增益放大控制，以满足实际需要，还可以编程监控，当ADC0转换结果符合监控预设值并且相应中断开启时，将引发相应的中断。
转换前需要对模拟通道选择器写适当的控制操作，通过写AMXOF控制器操作进行输入单端模式。
向ADC0CN的AD0BUSY位写1启动ADC转换，转换结束后复‘0’。AD0BUSY位的下降沿触发中断（当被允许时）并将中断标志AD0INT（ADC0CN.5）置‘1’。转换数据被保存在ADC数据字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L。转换数据在寄存器对ADC0H:ADC0L中的存储方式采取右对齐由ADC0CN寄存器中AD0LJST位的编程状态决定。当通过向AD0BUSY写‘1’启动数据转换时，应查询AD0INT位以确定转换何时结束（也可以使用ADC0中断）。一般情况查询步骤如下：
= 1 \* GB3 ①．写‘0’到AD0INT；
= 2 \* GB3 ②．向AD0BUSY写‘1’；
= 3 \* GB3 ③．查询并等待AD0INT变‘1’；
= 4 \* GB3 ④．处理ADC0数据
当CNVSTR0被用作转换启动源时，它必须在交叉开关中被使能，对应的引脚必须被配置为漏极开路、高阻方式。首先对ADC0进行了初始化设置，采样频率为单片机的*高转换速率100kHz，PGA增益为2倍，ADC0进入单端输入和连续跟踪模式，同时选择0通道。在送数开始后，查询标志位，当送数完成后，将转换后的值代入主程序。
数字滤波及DA输出
从理论上讲从AD芯片上采集的信号就是需要的量化信号，但是由于存在电路的相互干扰、电源噪声干扰和电磁干扰，在AD芯片的模拟输入信号上会叠加周期或非周期的干扰信号，并会被附加到量化值中给信号带来一定的恶化。考虑到数据采集的实时性和**性，需要对采集的数据进行数据采集滤波，减小干扰对信号的影响[19]。
单片机数字滤波的常用方法有限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、中位值平均滤波法。一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法、消抖动滤波法。
本系统采用中位值平均滤波法[20]。这种方法相当于“中位值滤波法+算术平均滤波法”, 其实现方法为：
（1）连续采样N个数据，去掉一个*大值和*小值；
（2）然后计算N-2个数据的算术平均值。
这种方法融合了两种滤波法的优点，可消除由于偶然出现的脉冲干扰引起的采样值偏差。
信号经过数字滤波后，通过DA转换后输出。C8051F040有2个12位DAC模块，输出为电压型，输出范围约为0V～VREFD。若DAC禁止，则DAC输出引脚为高阻态，DAC模块处于低功耗节能态，耗电电流低至
。
DAC输出更新有4种方式：直接更新；T2，T3和T4溢出；通过DAC0CN(DAC1CN)寄存器配置。在默认模式下，DAC0为直接更新模式，先对DAC0L写操作，再对DAC0H写操作。经过设置DAC采样与DAC输出有良好的一致性，如图3.11所示。
AD采样信号和DA输出信号
C8051F040的外围电路
C8051F040的外围电路包括复位电路、外部晶振电路、信号输入、信号输出、紫外灯驱动电路、电源系统。
本系统采用16MHZ的外部晶振驱动外部石英晶振，注意在对外部晶振驱动电路PCB布板时要使晶振和电容尽量靠近XTAL1和XTAL2且是布线尽量短以减少干扰；外部复位引脚/RST提供了使用外部电路强制单片机进入复位状态的手段，本系统提供了一个外部上拉和对/RST引脚的去耦电路以防止由于强噪声而引起复位。
微处理单元的外围电路
