Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620



РУБРИКИ	Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620	РЕКОМЕНДУЕМ

Главная

Валютные отношения

Ветеринария

Астрономия и космонавтика

Банковское биржевое дело

Безопасность жизнедеятельности

Биология и естествознание

Бухгалтерский учет и аудит

Военное дело и гражд. оборона

Макроэкономика экономическая

Маркетинг

Международные экономические и

Менеджмент

Микроэкономика экономика

ПОИСК

Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620

?’?(F-? XiFi(xj))2

при дополнительных ограничениях Xi>0.

Для решения этой задачи может применяться симплекс-метод, или другие

методы математического программирования.

Достоинствами данного метода являются:

1. Надежность получения решения. Всегда будет получено какое-либо решение –

в крайнем случае решением будет признано начальное приближение.

2. Возможность возврата в систему для определения концентраций элементов,

изъятых на предыдущих шагах.

Недостатками данного метода являются:

1. Зависимость метода от свойств матрицы M. Корректная работа возможна

только в случае положительно определенной матрицы.

2. Невысокая скорость работы как из-за сложности алгоритма, так и благодаря

большому количеству итераций

3. Возможная зависимость окончательного результата от выбора начального

приближения решения. ( в случае, если у невязки имеется более одного

минимума в рассматриваемой области)

4. Сложность алгоритма.

5. Определение «суммарной концентрации неизвестных веществ» - С=1/N для

функции отклика G(xj)=(F-? XiFi(xj))

При разработке прибора проверялась работа алгоритма определения

концентраций. В приложении 6 приведены результаты определения концентраций

алгоритмами обоих типов. Окончательный выбор был сделан в пользу первого

метода определения концентраций как из-за меньшего количества ограничений,

налагаемых на исходные данные, так и из-за большей логичности.

Соответствие между термограммами и парциальными проводимостями.

В процессе работы прибора на нагреватель чувствительного элемента

подается периодическая последовательность импульсов напряжения. Зависимость

напряжения на нагревателе от времени показана на рис 1. После перехода

напряжения на нагревателе из низкого уровня в высокий температура сенсора

начинает возрастать. Процесс снятия термограмм построен таким образом, что

положительный фронт напряжения на нагревателе совпадает с моментом начала

съема термограммы. Сопротивление сенсора измеряется через равные промежутки

времени. Поскольку процессы прогрева сенсора и снятия термограммы протекают

параллельно, то различным значениям температуры сенсора соответствуют

различные точки термограммы. При одинаковых внешних условиях такое

соответствие является однозначным. В процессе снятия термограммы

измеряются падения напряжения на сенсоре, по которым затем определяется

сопротивление сенсора R. Схема процесса снятия термограммы показана на рис

2. Проводимость сенсора определяется как ?’1/ R. В выражение (16) входят

“парциальные” проводимости отдельных примесей, в то же время, снятие

термограмм происходит не отдельно для примесей, а для газовой смеси,

содержащей примеси. Исходя из гипотезы о линейной аддитивности сигналов для

получения “парциальных” проводимостей необходимо из проводимости среды с

примесями вычесть проводимость “чистой” газовой смеси. Таким образом

?i’1/ R i-1/ R0

(21)

Структурная схема и основные элементы прибора

Принципы работы прибора.

В приборе использовался полупроводниковый сенсор RS286-620 производства

RS-Components. По утверждению представителей фирмы чувствительный элемент

представляет собой тонкопленочную композицию из оксидов палладия,

легированных веществами, увеличивающими чувствительность сенсора к

органическим соединениям.

На нагреватель сенсора подается управляемое процессором периодическое

напряжение. (форма напряжения на нагревателе чувствительного элемента

представлена на рис.1.). После перехода напряжения на нагревателе из

низкого уровня в высокий температура сенсора начинает возрастать.

.Нагреваясь под воздействием напряжения, сенсор меняет свое

сопротивление. Сопротивление сенсора связано как с его температурой так и с

составом окружающей сенсор газовой смеси. Зависимость сопротивления сенсора

от температуры содержит информацию о составе окружающей сенсор газовой

смеси. Одновременно с процессом прогрева сенсора происходит процесс

измерения сопротивления чувствительного элемента. Процессор производит

измерение сопротивления сенсора через равные промежутки времени. При таком

построении процесса съема термограммы фактически снимается зависимость

сопротивления сенсора не от температуры нагревателя, а от времени с начала

прогрева сенсора. Поэтому для обеспечения повторяемости результатов

измерений необходимо обеспечить одинаковые начальные условия (температуру

сенсора перед началом прогрева, отсутствие адсорбированных на поверхности

сенсора примесей и т.д.). Для уменьшения зависимости результатов измерений

от внешних условий чувствительный элемент прибора работает непрерывно, а не

только в процессе измерений. Сразу после включения питания прибора на

нагреватель начинают подаваться прямоугольные импульсы с периодом 220 с.

импульсы напряжения подаются в течении всего времени работы прибора.

Зависимость сопротивления сенсора от времени снимается во время прогрева

сенсора одним из импульсов напряжения ( первый импульс считается

прогревочным и измерения в первые 220 с. работы прибора не проводятся ).

Эта зависимость снимается при помощи АЦП и сохраняется в ОЗУ прибора. После

того, как снятие зависимости завершено микропроцессор производит обработку

результатов в соответствии с изложенным ниже алгоритмом. В качестве

эталонных термограмм используются термограммы веществ с известными

концентрациями, снятые в лабораторных условиях и прошитые в ПЗУ большой

емкости. Для обеспечения достоверности результатов необходимо, чтобы

эталонные термограммы были сняты на том же сенсоре. Эталонные термограммы

представлены в виде показаний АЦП при проведении измерений на эталонных

веществах, поэтому их обработка в приборе ничем не отличается от обработки

результатов измерений.

Измерительная часть прибора.

Измерительная часть состоит из схемы управления нагревателем сенсора и

АЦП для измерения сигнала с сенсора. Поскольку входной ток АЦП достаточно

велик и непосредственное подключение сенсора к входу АЦП вызовет искажение

результатов необходимо применение повторителя для разделения цепей сенсора

и АЦП. В качестве повторителя используется операционный усилитель. Основным

требованием к повторителю является высокое входное сопротивление. При

разработке измерительной части в качестве микросхем АЦП и усилителя были

выбраны микросхемы AD7896 и AD820 соответственно. При подборе элементной

базы измерительной части прибора проводилась проверка линейности работы

измерительной части, состоящей из АЦП AD7896 и различных типов ОУ. Лучшей

линейностью среди проверенных наборов обладает набор с ОУ AD820. АЦП

поддерживает последовательный протокол обмена данными, что позволило

сократить размеры схемы и ограничить число интерфейсных соединений. Уровни

выходных сигналов этой микросхемы совпадают со стандартными уровнями

сигналов ТТЛ, что избавляет от применения согласующих цепей.

Схема управления нагревателем должна обеспечивать достаточный ток через

нагреватель. Этот блок измерительной части представляет собой 2-х каскадную

ключевую схему. Сигнал от микропроцессора открывает маломощный транзистор

VT2, а ток, протекающий через него, открывает мощный транзистор VT3,

управляющий нагревателем.

Информационный обмен измерительной части и микроконтроллера происходит

следующим образом:

Микроконтроллер передает на схему управления нагревателем управляющий

сигнал и включает нагреватель. Информационный обмен с АЦП, производящими

измерения по мере роста температуры нагревателя, происходит после включения

нагревателя. Происходит считывание информации с АЦП. Формат считываемых

данных соответствует формату данных микросхемы AD7896.

Протоколы обслуживания информационного обмена сенсор-микроконтроллер.

Микросхема AD7896 представляет собой быстродействующий 12-ти разрядный

АЦП. Сигналы управления передаются по линиям CS (“Начало преобразования”) и

CLK (“тактовые импульсы”). При переходе сигнала “Начало преобразования” из

высокого уровня в низкий АЦП начинает преобразование входного сигнала.

Время преобразования не превышает 8 микросекунд. Во время преобразования

сигнал “Ожидание” выставляется в высокий уровень. После завершения

преобразования АЦП готов к передаче данных. Для прочтения бита данных на

вход “тактовые импульсы” подается низкий логический уровень, который

следует удержать не менее 40 нс. Затем на выходе микросхемы (Линия SDO)

появляется бит данных. Для прочтения следующего бита на вход “тактовые

импульсы” следует подать высокий логический уровень, который так же должен

быть удержан не менее 40 нс. Затем процедура повторяется. Таким образом в

тот момент, когда на входе “тактовые импульсы” присутствует уровень

логической 1 на выходе выставлен соответствующий бит данных. Подробная

временная диаграмма представлена на рис. 3.

[pic]

Рис. 3.Информационный обмен с АЦП

Микросхема выдает описанным выше образом последовательность из 16 бит,

однако первые 4 бита всегда имеют нулевое значение. Затем идут 12 значащих

бит начиная со старшего.

Подробно характеристики и описания режимов работы АЦП приведены в [14]

и [15].

Процессорная часть прибора.

Основу процессорной части прибора составляет микроконтроллер AT89C51

(D1). Шина данных микропроцессора 8и битная, коммутируемая т.е. адрес и

данные передаются по одной шине. Для выделения младшего байта адреса

используется регистр D2. Программа работы прибора храниться в ПЗУ программ

D5. Регистр D2 фиксирует состояние шины адрес-данные по переходу сигнала

ALE из высокого в низкий логический уровень. Считывание из ПЗУ слова

программы происходит по переходу сигнала PSEN из высокого в низкий

логический уровень. Отсутствие конфликтов на шине обеспечивается задержкой

сигнала PSEN по отношению к сигналу ALE. Обмен с ОЗУ D6 происходит

полностью аналогично, но чтение происходит не по сигналу PSEN, а по сигналу

RD. Обмен с ОЗУ и ПЗУ происходит только тогда, когда сигнал А15 находиться

в низком уровне. Схематично процесс обмена показан на рис 4.

Для обращения ко внешним устройствам используется дешифратор адреса D4.

Дешифратор проверяет состояние шины A15 и если она находиться в высоком

логическом уровне, то адрес А12-А14 трактуется как адрес внешнего

устройства. При этом на соответствующее устройство (дисплей, ПЗУ данных,

регистр страниц и т.д.) дешифратор подает сигнал “Выбор”.

Для хранения эталонных термограмм применяется ПЗУ большой емкости ( 512

Кбайт ) D7. Адресное пространство процессора позволяет непосредственно

адресовать не более 64 Кбайт внешней памяти. С учетом особенностей

построения прибора этот лимит снижается до 32 Кбайт. Таким образом

необходима страничная адресация ПЗУ данных. ПЗУ Данных разбито на 64

страницы по 8 Кбайт каждая. Таким образом каждая страница содержит одну

эталонную термограмму. Для переключения между страницами используется

регистр страниц D3. Для прочтения данных из ПЗУ данных необходимо проделать

следующие операции:

1. Произвести запись номера страницы в регистр страниц.

1. Произвести чтение ПЗУ данных на установленной в п 1 странице.

Для последующего чтения данных с той же страницы повторного обращения к

регистру страниц не требуется.

Для работы с измерительной частью используется порт 1 микроконтроллера.

Весь необходимый протокол обмена реализован программно.

При работе в автономном режиме для отображения результатов измерений

используется жидкокристаллический дисплей HD44780 со встроенными схемами

управления. Благодаря наличию в дисплее схем формирования символов и

управления стало возможным включить его непосредственно в шину данных-

адреса.

Блок питания.

В качестве блока питания прибора используется внешний источник питания

напряжением 9В. Ток, обеспечиваемый источником составляет 0,7 А. Напряжение

питания, поступающее в прибор фильтруется цепочкой С5 С105 L4 С107 С106 ,

стабилизируется интегральным стабилизатором D50 . Напряжение со

стабилизатора поступает в цепи питания электронных компонент прибора.

Отсутствие в приборе автономного блока питания ( аккумуляторов )

объясняется большим энергопотреблением прибора, которое, в свою очередь,

обусловлено большим током в цепи нагревателя газового датчика.

Устройство отображения информации.

Для отображения результатов измерений используется матричный

жидкокристаллический модуль семейства LM44780. Устройство отображения

информации позволяет отображать цифровую и текстовую информацию, а так же

некоторые служебные символы. В опытном экземпляре прибора установлен

модуль, позволяющий отображать 2 строки информации по 20 символов каждая. В

других экземплярах прибора допускается использование других модулей

семейства LM44780 без каких-либо изменений в схеме и алгоритме работы

прибора. Жидкокристаллический модуль отображения информации включает в свой

состав схемы управления и знакогенератора, что избавляет от необходимости

тратить ресурсы микроконтроллера на реализацию пользовательского

интерфейса.

Модуль состоит из входного регистра, знакогенератора, четырех сдвиговых

регистров для обеспечения динамической индикации, и жидкокристаллического

дисплея. Обмен информацией между модулем и внешними устройствами происходит

посредством входного регистра. Работа модуля возможна как в режиме 8

битового интерфейса, так и в режиме 4-х битового интерфейса. В приборе

реализован первый вариант работы этого устройства.

Модуль имеет следующие входные сигналы

. E-тактовые импульсы. При переходе этого сигнала из высокого

логического уровня в низкий происходит исполнение поступившей

команды или захват данных.

. R/W-запись/чтение. Используется для указания направления обмена

данными с модулем. Низкий логический уровень соответствует записи

данных в модуль. Режим чтения используется для определения текущего

состояния модуля.

. RS-команда/данные. Состояние этого сигнала определяет характер

поступающей в модуль информации. Высокий уровень соответствует

команде, низкий- данным (код отображаемого символа).

. DB0…DB7-шина данных. Используется для обмена данными с модулем.

Для записи информации в ЖК-модуль необходимо выставить сигнал RS в

состояние, соответствующее характеру обмена; сигнал R/W установить в низкий

логический уровень, выставить на шине данных передаваемую информацию,

изменить уровень сигнала Е с низкого на высокий и обратно.

После проведения записи информации модуль временно блокируется для ее

обработки и не отвечает на внешние запросы. Характерным признаком такого

состояния является высокий логический уровень во всех разрядах шины данных.

После завершения внутренней операции шина данных будет выставлена в низкий

логический уровень.

Работа с модулем отображения информацией должна начинаться со

специальной инициализирующей последовательности данных. Далее следуют

команды очистки индикатора, управления курсором, определения произвольных

символов (если необходимо) и коды выводимых символов. Подробно протоколы

информационного обмена с ЖК модулями семейства LM44780 описаны в [6] и

[10]

Результаты испытаний прибора (термограммы некоторых веществ и смесей)

Настройка и калибровка анализатора.

Процесс настройки прибора сводится к отладке процессорной части и

программы работы, а так же к проверке работы измерительного блока.

Подготовка измерительной части к работе заключается в проверке напряжений

на нагревателе чувствительно элемента, и проверке длительности интервалов

прогрева и охлаждения сенсора. Кроме того, необходимо проведение проверки

длительности и равномерности интервалов между измерениями при снятии

термограммы.

Процесс калибровки проводиться путем снятия термограмм эталонных смесей

на сенсоре, который затем будет установлен в приборе. Эталонные термограммы

снимаются сенсором, подключенным к ПЭВМ IBM PC и записываются в файл. В

дальнейшем такие файлы можно использовать либо для проверки

взаимозаменяемости сенсоров, либо для их метрологической проверки.

Содержимое эталонных файлов зашивается в ПЗУ данных прибора.

При изменении типа сенсора необходимо определить оптимальные для

данного датчика длительностей прогрева и охлаждения датчика. В качестве

значения времени прогрева выбирается время полного прогрева датчика от

температуры +10оС до рабочей температуры. В качестве значения времени

охлаждения выбирается время остывания датчика от рабочей температуры до

+10оС. В процессе определения длительности интервалов прогрева и охлаждения

датчика на нагреватель датчика подается рабочее напряжение и измеряется

ток через нагреватель. После подачи на нагреватель напряжения, его

температура начинает возрастать. Поскольку сопротивление нагревателя растет

с ростом температуры, то ток через нагреватель уменьшается до достижения

некоторого стационарного значения. Время с момента подачи напряжения на

нагреватель до достижения током стационарного значения считается временем

прогрева датчика.

Для настройки датчика используются тарированные газовые растворы паров

различных веществ в воздухе. Типичные концентрации паров должны составлять

величины 10 - 1000 ppm.

Первоначально испытания датчика проводились на 20 эталонных образцах.

|Воздух |

|Пары воды |

|хлороформ |

|четыреххлористый углерод |

|дихлорэтан |

|гексан |

|Смесь горючих газов (СГГ) |

|Бензол |

|Толуол |

|фенол |

|формальдегид |

|ацетон |

|спирт этиловый |

|аммиак |

|угарный газ |

|углекислый газ |

|уксусная к-та |

|метан |

|сероводород |

|озон |

Для указанных выше веществ были проведены измерения и сняты зависимости

сопротивления от температуры (эталонные термограммы). По полученным данным

была построена таблица корреляций эталонов ( матрица М в выражении (20а) )

. Графики эталонных термограмм и таблица корреляций приведены в приложении

11. ( Серым цветом в таблице корреляций выделены вещества, термограммы

которых были заложены в ПЗУ прибора).

Из таблицы корреляций видно, что значение коэффициента корреляции для

нескольких пар веществ близко к единице. При определении состава газовой

смеси вероятность того, что вместо одного вещества будет ошибочно

обнаружено другое определяется коэффициентом корреляции между термограммами

этих веществ.

При выборе эталонных термограмм для прошивки в ПЗУ прибора помимо

коэффициента корреляции учитывалась воспроизводимость термограмм для

каждого из веществ.

В качестве веществ, использующихся при настройке датчика следует

выбирать следующие:

Чистый, сухой воздух.

Пары воды.

Угарный газ.

Сероводород.

Спирт этиловый.

Для проверки работоспособности прибора используются тарированные

газовые растворы паров комбинаций (двойных и тройных) тех же веществ в

воздухе.

Ниже приведены наиболее удачные результаты, полученные при калибровке

прибора.

|Смесь |Показания прибора|

|Пары воды |Вода 7000 ppm |

|Сероводород 500 ppm |Сероводород 492 |

| |ppm |

| |Хлор органика 3 |

| |ppm |

|Водный раствор спирта |Вода 1200 ppm |

|50% |Спирт 1600 ppm |

|Сероводород + Пары воды |Вода 309 ppm |

| |Сероводород 270 |

| |ppm |

|Спирт + Аммиак |Спирт 15 ppm |

| |Аммиак 1200 ppm |

Результаты, полученные при определении состава газовой смеси с

использованием всех 19 эталонов приведены в приложении 6.

Алгоритм работы прибора

Алгоритм работы прибора, реализованный в помещенной в ПЗУ прибора

программе работы прибора, состоит из двух основных блоков – блока снятия

результатов измерений и блока обработки результатов и определения

концентраций примесей.

При разработке программы работы прибора большое внимание уделялось

сохранению одинаковых условий снятия термограмм на протяжении всего времени

работы прибора. Для обеспечения воспроизводимости термограмм необходимо

сохранение постоянной частоты снятия результатов измерений с АЦП и циклов

прогрева –охлаждения датчика. В алгоритме работы прибора включение-

выключение нагревателя датчика и снятие показаний АЦП происходят по

прерыванию от внутреннего таймера микропроцессора. Через строго

определенные промежутки времени происходит включение или выключение

напряжения на нагревателе и сохранение данных с АЦП во внешней переменной.

После того, как данные в этой переменной были обновлены выставляется флаг

«Новое измерение» .

Работа прибора начинается с предварительного прогревочного цикла

датчика. Во время снятия термограмм результаты измерений, полученные с АЦП,

записываются в элементы массива в ОЗУ прибора. После записи очередного

результата значение адреса в массиве увеличивается и сбрасывается флаг

«Новое измерение».

После того, как запись результатов в массив завершена управление

передается блоку обработки результатов. Первоначально снятые данные,

полученные с АЦП, пересчитываются в проводимость сенсора. Затем

проводимость сенсора и эталонные термограммы пересчитываются в матрицу М и

столбец свободных членов В.

Полученная система уравнений решается методом прогонки. Полученные

решения сравниваются с 0. Если все решения положительны, то полученное

решение пересчитывается в концентрации примесей. Задача в этом случае

считается решенной. Если некоторые из полученных решений отрицательны –из

матрицы М изымаются соответствующие строки и столбцы и процесс

определения концентраций повторяется. Процесс продолжается до тех пор,

пока не будет получено положительное решение системы. Структура алгоритма

работы прибора изображена на рис. 5 Контрольный пример для определения

правильности работы алгоритма нахождения неотрицательных решений приведен в

приложении 4.

Заключение

В настоящее время весьма актуальна проблема мониторинга окружающей

среды. Для контроля состояния окружающей среды и определения ее

соответствия санитарно-гигиеническим нормам необходимо всестороннее

изучение ее характеристик и количественная оценка этих характеристик.

Система экологического мониторинга, разрабатываемая на кафедре в

настоящее время, предназначена для одновременного измерения нескольких

параметров окружающей среды – температура, влажность, давление,

электрические и магнитные поля, радиоактивные загрязнения и т.д. Для

определения пригодности и безопасности помещений для нахождения человека

необходимо так же контролировать состав находящейся в помещении газовой

смеси. Для оперативного определения химического состава газовой смеси

предназначен входящий в систему в качестве периферийного блока газовый

анализатор.

Данная работа посвящена разработке газового анализатора для системы

экологического мониторинга. Основным его отличием от приборов аналогичного

назначения является использование в качестве чувствительного элемента

датчика загрязненности воздуха, предназначенного не для определения состава

газовой смеси, а для определения степени ее загрязненности. Применение

такого датчика повлекло за собой необходимость измерения зависимости

сопротивления датчика от его температуры и обработки полученной зависимости

для выделения вклада в нее различных составляющих газовой смеси.

В качестве математического аппарата применялся как метод решения систем

уравнений понижающейся размерности, так и методы линейного программирования

( в частности симплекс-метод), позволивший убедиться в корректности работы

первого алгоритма решения задачи.

В ходе работы показана возможность расширения области применения

датчика загрязненности воздуха и создания прибора для определения состава

газовой смеси. Так же создан прототип такого прибора, позволяющий

определить присутствие в газовой смеси ряда примесей.

Использованная литература.

1.А.Б. Певцов, Н.А. Феоктистов. В.Г. Голубев, Л.Е. Морозова, Проводимость

тонких нанокристаллических пленок кремния. Физика и техника

полупроводников, 1999, том 33, №1.

http://www.ioffe.rssi.ru/journals/ftp/1999/01/page-75.html.ru

2.Аленберг В.Б., Бичукина Т.Н., Кожитов Л.В. и др .Тонкие пленки SnO2 (CuO)

для газовых сенсоров.Перспективные материалы (1997), 2.

3.Киселев В.Ф., Крылов О.В. Адсорбционные процессы на поверхности

полупроводников и диэлектриков. Москва. Наука (1978).

4.Зимин А.Б., Николаев Ю.А., Толмаев В.В. Квантовая физика полупроводников.

Издательство МГТУ им Баумана ( 1994) .

5.Б.А.Акимов, А.В.Албул, А.М.Гаськов, В.Ю.Ильин, М.Лабо, М.Н.Румянцева,

Л.И.Рябова Сенсорные свойства по отношению к сероводороду и

;электропроводность поликристаллических пленок SnO2 (CuO) Физика и техника

полупроводников, 1997, том 31, № 4.

http://www.ioffe.rssi.ru/ journals/ftp/1997/04/page-400.html.ru

6.Техническая документация на матричные жидкокристаллические модули LM44780

HD44780 CONTROLLER APPLICATION NOTES.

http://www.gec.com.au/kc/hd44780.htm

7.Техническая документация на газовые датчики.

http://www.capteur.demon.co.uk

8.Техническая документация на газовые датчики.

http://wgc.chem.pu.ru/personal/htk/histart.htm

9.Техническая документация на микропроцессоры и микроконтроллеры.

http://www.atmel.com

10.Техническая документация на протокол информационного обмена с матричными

жидкокристаллическими модулями семейства LM44780. How to control HD44780-

based Character-LCD

http://www.iaehv.nl/users/pouweha/lcd0.htm

11.Э.Ю.Бучин, А.Л.Винке, А.В.Проказников, Н.Е.Мокроусов, Физические

особенности формирования пористого кремния для газовых сененсоров. Труды ИМ

РАН, г. Ярославль, 1992 г.

12.Дж.Блейкмор. Физика твердого тела. Москва. «МИР», 1988 г.

13.Физика вакуума.

http://astra.phtd.tpu.edu.ru/~chair23/russian/study/mol/p2.htm

14. Техническая документация на АЦП. Протоколы информационного обмена с

АЦП.

http://www.argussoft.ru/

15. Техническая документация на АЦП и операционные усилители.

http://www.analog.com/

16.Техническая документация на микропроцессоры и микроконтроллеры семейства

MCS-51. http://developer.intel.com/sites developer/mcs51/

Приложения

Приложение 1. Структурная схема прибора.

Приложение 2. Принципиальная схема прибора

Приложение 3. Принципы хранения информации в ПЗУ данных. Эталонные

термограммы, прошитые в ПЗУ прибора.

Адресное пространство микропроцессора.

0000Hex Указатель на начало

таблицы размещения. Длина 1 байт.

0001Hex Справочная информация ( дата записи ПЗУ и т.п.)

Название вещества 1. Длина записи 20 байт.

Длина эталонной записи вещества в байтах. Длина

2 байта.

Адрес эталонной записи в ПЗУ. Длина 4 байта.

Название вещества 2. Длина записи 20 байт.

Размещение данных в ПЗУ данных.

Эталонные записи в ПЗУ прибора.

В настоящее время в ПЗУ данных прибора в качестве контрольного примера

зашиты термограммы следующих веществ

1. Чистый воздух

1. Пары воды

1. Углекислый газ

1. Сероводород

1. Спирт этиловый

[pic]

Приложение 4. Контрольный пример и определение точности алгоритма обработки

данных.

В качестве контрольного примера проводилась проверка алгоритма на системе

8х8

M*X=B

1 шаг – Исходная система

| | | | | | | | | | | |

| |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 | |10 |

| |3 |10 |-1 |1 |2 |3 |4 |10 | |8 |

| |4 |3 |2 |1 |0 |-1 |2 |-3 | |9 |

|M= |-1 |1 |-1 |1 |-1 |1 |-1 |1 |B= |12 |

| |1 |1 |1 |0 |0 |1 |0 |2 | |13 |

| |9 |1 |8 |2 |7 |3 |6 |4 | |14 |

| |0 |10 |1 |9 |2 |8 |3 |7 | |15 |

| |6 |5 |4 |1 |2 |3 |4 |0 | |16 |

| | | | | | | | | | | |

|Х= |11,5|-7,2|-4,3|5,11|-14,9|4,86|2,62|4,08| | |

| |39 |18 |65 |2 |48 |8 |5 |8 | | |

2 шаг

| | | | | | | | |

| |1 |4 |6 |7 |8 | |10 |

| |-1 |1 |1 |-1 |1 | |12 |

|M= |9 |2 |3 |6 |4 |B= |14 |

| |0 |9 |8 |3 |7 | |15 |

| |6 |1 |3 |4 |0 | |16 |

| | | | | | | | |

|Х= |3,64|-9,7|13,0|-8,7|3,610| | |

| |5 |90 |30 |90 | | | |

3 шаг

| | | | | | |

| |1 |6 |8 | |10 |

|M= |9 |3 |4 |B= |14 |

| |6 |3 |0 | |16 |

| | | | | | |

|Х= |1,05|3,21|-1,2| | |

| |9 |5 |94 | | |

4 шаг - Окончательный результат

| | | | | |

| |1 |6 | |10 |

|M= |9 |3 |B= |14 |

| | | | | |

|Х= |1,05|1,49| | |

| |9 |0 | | |

Приложение 5. Результаты измерений загрязненности воздуха.

При разработке прибора проводились промежуточные контрольные измерения.

Приведенные ниже данные представляют собой необработанные ( не

нормированные на количество измерений ) результаты измерений суммарной

загрязненности воздуха.

В этой части в качестве суммарной загрязненности бралась величина

M1=?(?г-?0)2

В этой формуле ?г –проводимость сенсора в газовой смеси, ?0

-проводимость сенсора в эталонной газовой смеси (чистый воздух). Сумма

берется по всем точкам термограммы.

Измерения первоначально проводились в замкнутом объеме с чистым

воздухом, затем в воздухе в помещении лаборатории, затем в новь в замкнутом

объеме с примесью паров спирта (10ppm). Второй слабый пик на графике

соответствует добавлению еще 10ppm паров сприта.

Нижний график представляет собой попытку учесть разнличия между

эталонным воздухом и «чистым» воздухом в лаборатории. ( Из верхнего графика

вычтена «фоновя» проводимость, обусловленная воздухом в лаборатории. В

качестве «чистого» воздуха взят результат измерений, наименее отличающийся

от эталонного.)

| |150 | |ть с |

| |за 50 | | |

| |сек | | |

|1 |132925 |Замкнутый объем |7201 |

| |129303 |Замкнутый объем |3579 |

|2 |128038 |Замкнутый объем |2314 |

| |127356 |Замкнутый объем |1632 |

|3 |126468 |Замкнутый объем |744 |

| |125979 |Замкнутый объем |255 |

|4 |125724 |Замкнутый объем |0 |

| |126081 |Замкнутый объем |357 |

|5 |148656 |снаружи |22932 |

| |152352 |снаружи |26628 |

|6 |152472 |снаружи |26748 |

| |168452 |снаружи |42728 |

|7Серия|162484 |снаружи |36760 |

| |161306 |снаружи |35582 |

|8 |155528 |Замкнутый объем |29804 |

| |151928 |Замкнутый объем |26204 |

|9 |150372 |Замкнутый объем |24648 |

| |149073 |Замкнутый объем |23349 |

|10 |148267 |Замкнутый объем |22543 |

| |146876 |Замкнутый объем |21152 |

|11 |145682 |Замкнутый объем |19958 |

| |144619 |Замкнутый объем |18895 |

|12 |146374 |Добавлен спирт |20650 |

| |147044 |Добавлен спирт |21320 |

|13 |146699 |Добавлен спирт |20975 |

| |145677 |Добавлен спирт |19953 |

|14 |143998 |Добавлен спирт |18274 |

| |143611 |Добавлен спирт |17887 |

|15 |143453 |Добавлен спирт |17729 |

| |143392 |Добавлен спирт |17668 |

Приложение 6. Результаты определения химического состава газовой смеси.

Для определения состава газовой смеси производилось измерение

зависимости сопротивления датчика от его температуры. Затем полученная

таким образом термограмма раскладывалась по базису из 19 эталонных

термограмм. Для разложения по эталонным термограммам применялись

одновременно и метод решения системы уравнений и симплекс метод для

минимизации невязки. В таблице приведены результаты, полученные обоими

способами.

Концентрации в таблице – в относительных единицах. Для получения

истинных концентраций того или иного вещества необходимо умножать указанные

в таблице числа на нормировочные коэффициенты для соответствующего

вещества.

После предварительных испытаний методики работы и алгоритмов

определения концентраций из 19 эталонов были отобраны 4, обладающие

минимальными коэффициентами корреляции с остальными и хорошей

повторяемостью термограмм, для дальнейшего использования в приборе.

Ниже приведены результаты определения состава газовых смесей.

|Файл |Пар|хло|чет|дих|гек|СГГ|бен|тол|фен|фор|аце|спи|амм|уга|угл|укс|мет|сер|озо|

| |ы |роф|ыре|лор|сан| |зол|уол|ол |мал|тон|рт |иак|рны|еки|усн|ан |ово|н |

| |вод|орм|ххл|эта| | | | | |ьде| |эти| |й |слы|ая | |дор| |

| |ы | |ори|н | | | | | |гид| |лов| |газ|й |к-т| |од | |

| | | |сты| | | | | | | | |ый | | |газ|а | | | |

| | | |й | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | |угл| | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | |еро| | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | |д | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| |0,9| |0,0| | | |0,0| |0,0| | | |0,0| |0,0| | |0,1| |

| | | |15 | | | |06 | |02 | | | |12 | |18 | | |55 | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| |0,3| | | | | |0,0| | | | | | | | | |0,0| | |

| |4 | | | | | |39 | | | | | | | | | |74 | | |

| |0,0| |0,0| | | |0,2| |0,0| | | | |0,0| | |0,1| | |

| |03 | |89 | | | |22 | |82 | | | | |54 | | |19 | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| |0,0| | |0,0| | |0,2| |0,0| | | | |0,0| | |0,0|0,0| |

| |27 | | |29 | | |97 | |3 | | | | |59 | | |36 |92 | |

| | | | | | | | | | | | | |0,0| | | | |1,4| |

| | | | | | | | | | | | | |34 | | | | |97 | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | | | | | | |0,2| | | | |0,7|

| | | | | | | | | | | | | | |25 | | | | |21 |

| |0,0| | |0,0| | | | | |0,2| |0,0|0,1| | | | | | |

| |39 | | |1 | | | | | |23 | |12 |25 | | | | | | |

| | | |0,0| | | | | | | | | | |0,1| | | | | |

| | | |59 | | | | | | | | | | |86 | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | |0,0|0,1| | | | | |0,0| |0,0| | |0,0| |0,0| |0,1| |

| | |18 |26 | | | | | |69 | |8 | | |08 | |26 | |36 | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | |0,1| | | | | |0,0| |0,0| | | | |0,0|0,0|0,1| |

| | | |41 | | | | | |61 | |97 | | | | |19 |08 |22 | |

| | | |0,0| | | |0,0| |0,0| | | |0,0|0,0| | | | | |

| | | |71 | | | |32 | |51 | | | |11 |06 | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | |0,4| | |0,3| | | | | | | |

| | | | | | | | | |82 | | |13 | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | |0,3| | | | |0,0| | | | | |

| | | | | | | | | |06 | | | | |05 | | | | | |

| | | | | | | | | |0,1| | |0,0| | |0,0| | | | |

| | | | | | | | | |81 | | |02 | | |1 | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | |0,2| | |0,0| |0,0| | | | | |

| | | | | | | | | |05 | | |02 | |16 | | | | | |

| | | |0,0| | | |0,1| | | |0,0| | |0,1| |0,0| |0,0| |

| | | |93 | | | |91 | | | |24 | | |24 | |24 | |23 | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | |0,0| | |0,1| | | | | | |0,0| |0,0| | | |

| | | | |58 | | |99 | | | | | | |92 | |76 | | | |

риложение 7. Описание и характеристики газового датчика RS 286-620

Характеристики датчика

Максимальное напряжение на нагревателе 5 В

Максимальное напряжение на сенсоре 5 В

Максимальная рассеиваемая нагревателем мощность 0,8 Вт

Максимальная температура нагревателя 300 оС

Сопротивление нагревателя при Т=20 оС 29,5 Ом

Сопротивление нагревателя при Т=300 оС 31,0 Ом

Время прогрева датчика от Т=20 оС до Т=300 оС 60 сек

[pic]

Приложение 8. Вольт-кодовая характеристика измерительного блока на базе ОУ

AD820 .

[pic]

Приложение 9. Описание и характеристики устройства отображения информации.

Точечно-матричный жидкокристаллический индикатор семейства LM44780 основные

характеристики.

Тип индикатора пассивный, матричный.

Количество отображаемых символов/строк 20/2

Размеры знакоместа одного символа 5х7

Схема управления и регенерации встроенная

Управление 3-х разрядная линия

Количество генерируемых символов 208

Приложение 10. Расчетные графики зависимости количества носителей заряда

от температуры полупроводниковой пленки.

Ниже приведен график зависимости

График построен для Qa =15 кДж / кмоль; ?0 = 1 с; Значение параметра E= F-

Ed лежит в диапазоне от 1.5*10-3 до 5*10-3

Приложение 11. Эталонные термограммы и таблица взаимных корреляций для

некоторых веществ.

Для настройки датчика используются тарированные газовые растворы паров

различных веществ в воздухе. Первоначально испытания датчика проводились на

20 эталонных образцах.

|Воздух |

|пары воды |

|хлороформ |

|четыреххлористый углерод |

|дихлорэтан |

|гексан |

|СГГ |

|Бензол |

|Толуол |

|Фенол |

|Формальдегид |

|Ацетон |

|спирт этиловый |

|аммиак |

|угарный газ |

|углекислый газ |

|уксусная к-та |

|метан |

|сероводород |

|озон |

|пары |1,0| | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|воды |0 | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|Хлороф|0,8|1,0| | | | | | | | | | | | | | | | | |

|орм |8 |0 | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|Четыре|0,7|0,9|1,0| | | | | | | | | | | | | | | | |

|ххлори|7 |1 |0 | | | | | | | | | | | | | | | | |

|д | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|Дихлор|0,8|0,8|0,9|1,0| | | | | | | | | | | | | | | |

|этан |5 |6 |4 |0 | | | | | | | | | | | | | | | |

|гексан|0,9|0,9|0,7|0,8|1,0| | | | | | | | | | | | | | |

| |9 |0 |6 |2 |0 | | | | | | | | | | | | | | |

|СГГ |0,9|0,6|0,4|0,6|0,9|1,0| | | | | | | | | | | | | |

| |1 |7 |9 |8 |1 |0 | | | | | | | | | | | | | |

|бензол|0,9|0,9|0,8|0,8|0,9|0,8|1,0| | | | | | | | | | | | |

| |7 |3 |6 |8 |8 |3 |0 | | | | | | | | | | | | |

|толуол|0,9|0,9|0,9|0,9|0,9|0,8|0,9|1,0| | | | | | | | | | | |

| |4 |3 |1 |5 |5 |1 |8 |0 | | | | | | | | | | | |

|фенол |0,9|0,8|0,6|0,7|0,9|0,8|0,9|0,8|1,0| | | | | | | | | | |

| |4 |7 |7 |0 |7 |7 |4 |7 |0 | | | | | | | | | | |

|Формал|0,9|0,8|0,6|0,7|0,9|0,9|0,9|0,8|0,9|1,0| | | | | | | | | |

|ьдегид|5 |0 |0 |2 |6 |7 |0 |7 |2 |0 | | | | | | | | | |

|ацетон|0,8|0,9|0,8|0,8|0,9|0,7|0,9|0,9|0,8|0,8|1,0| | | | | | | | |

| |8 |7 |2 |0 |1 |3 |2 |1 |9 |6 |0 | | | | | | | | |

спирт этиловый |0,70 |0,43 |0,18 |0,38 |0,71 |0,91 |0,60 |0,56 |0,70 |0,86

|0,56 |1,00 | | | | | | | | |аммиак |-0,73 |-0,82 |-0,59 |-0,50 |-0,79 |-

0,59 |-0,79 |-0,69 |-0,90 |-0,70 |-0,83 |-0,43 |1,00 | | | | | | |

|Углекислый газ |-0,72 |-0,84 |-0,59 |-0,46 |-0,76 |-0,54 |-0,75 |-0,65 |-

0,85 |-0,68 |-0,84 |-0,40 |0,93 |1,00 | | | | | | |угарный газ |0,90 |0,64

|0,45 |0,62 |0,90 |0,99 |0,82 |0,77 |0,87 |0,96 |0,70 |0,91 |-0,61 |-0,56

|1,00 | | | | | |уксусная к-та |0,67 |0,89 |0,95 |0,87 |0,67 |0,42 |0,77

|0,84 |0,58 |0,55 |0,83 |0,18 |-0,52 |-0,58 |0,35 |1,00 | | | | |метан

|0,96 |0,93 |0,77 |0,78 |0,98 |0,84 |0,97 |0,92 |0,99 |0,92 |0,94 |0,64 |-

0,88 |-0,86 |0,84 |0,68 |1,00 | | | |Сероводород |0,84 |0,98 |0,85 |0,76

|0,88 |0,62 |0,91 |0,87 |0,89 |0,76 |0,96 |0,39 |-0,90 |-0,91 |0,61 |0,82

|0,94 |1,00 | | |озон |0,90 |0,97 |0,79 |0,76 |0,93 |0,74 |0,93 |0,89 |0,93

|0,87 |0,99 |0,55 |-0,88 |-0,90 |0,72 |0,77 |0,96 |0,97 |1,00 | |

-----------------------

110 с

Рис 1. Напряжение на нагревателе.

Рис 2. Снятие термограмм.

SDO

Старший Адрес

Данные

Младший Адрес

Port 2

Port 0

PSEN

ALE

TXD

RXD

D50

+9V

+VCC

GND

SW1

C106

C105

C33

D16

+vcc

C20

C19

C32

C22

R54

C107

L 4

+VCC

Устройство

Отображения

Информации

C20

Блок питания

RS232

+VCC

R67

R66

R65

R640

R630

R62

R610

R60

D11

VT1

R34

VT3

VT2

R64

+VCC

VD61

R41

C431

C42

C41

ZQ1

SDO

CLK

ПЗУ программ

0000 hex

7FFF hex

ОЗУ

0000 hex

7FFF hex

9FFF hex

BFFF hex

CFFF hex

EFFF hex

FFFF hex

ПЗУ Данных

Индикатор

Регистр страниц

Резерв

Страничная Организация ПЗУ данных 64 страницы по 8Кбайт каждая

Название вещества2

Запись1

Адрес зап. Hi

Адрес зап.

Адрес зап. Lo

Длина зап. Hi

Длина зап. Lo

Справочная информация

Название вещества1

[pic]

Зона проводимости

Валентная зона

E+

E g

Расположение примесных уровней в запрещенной зоне полупроводника.

Удаленность примесных уровней от «дна» зоны проводимости E + и от «потолка»

валентной зоны Ea составляет примерно 10-2 эВ. Ширина запрещенной зоны Eg

составляет примерно 1 эВ. Средняя кинетическая энергия электронов при

Т=293оС соответствует 2.5* 10-2 эВ.

Vin

LCD

R/W

A0/D0 A1/D1

A2/D2

A3/D3

A4/D4

A5/D5

A6/D6

A7????????????????????????/D7

A11

RG_P

A16

A17

A18

A19

A20

A21

A22

A237

A0/D0 A1/D1

A2/D2

A3/D3

A4/D4

A5/D5

A6/D6

A7/D7

WRRD

RTC

LCD

DROM

A12 A13

A14

A15

ROM

A15

DROM

A10

A11

A12

A13

A14

A16

A17

A18

A19

A20

A21

A22

A10

A11

A12

A13

A14 A15

A16

A17

A18

RAM

A15

A10

A11

A12

A13

A14

A10

A11

A12

A13

A14

R/W

RG_A

ROM

A15

PSEN

A10

A11

A12

A13

A14

A10

A11

A12

A13

A14

CPU

AT89C512

ALE

A0/D0 A1/D1

A2/D2

A3/D3

A4/D4

A5/D5

A6/D6

A7/D7

RXD TXD

INT0

INT1

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

P3.7

A10

A11

A12

A13

A14

A15

P2.0

P2.1

P2.2

P2.3

P2.4

P2.5

P2.6

P2.7

A0/D0 A1/D1

A2/D2

A3/D3

A4/D4

A5/D5

A6/D6

A7/D7

P0.0

P0.1

P0.2

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

P0.7

XTAL1

XTAL2

RST

PSEN

ALE

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

Дешифратор

Адреса

Периферийных

Устройств

Измерительный блок

Интерфейс RS-232

Регистр страниц

ПЗУ

Регистр

Шины

Данных

ПЗУ Данных

ОЗУ

ПЗУ программ

Микроконтроллер

Структурная схема жидкокристаллического модуля семейства LM44780.

Схема обмена информацией с модулем LM44780.

[pic]

C106

C33

C19

C32

+VCC

C22

R54

R55

V+

V-

Старт

Нагреватель

Включен ?

ДА

Нагреватель

Выключен ?

НЕТ

Флаг «НовоеИзмерение»

установлен

НЕТ

Нагреватель

Включен ?

Записать результат в массив

Сбросить флаг «Новое измерение»

НЕТ

Последнее измерение?

Вычислить проводимости. Найти матрицу M и столбец В

Решить систему Mij*Xi=Вj

НЕТ

Все Xi >0

Изъять строки и столбцы, соответствющие отрицательным Xi

Конец

Структурная схема жидкокристаллического модуля семейства LM44780.

Рис.5. Алгоритм работы прибора

Рис. 4. Обмен данными по шине Адрес-Данные

?’

n 8kT

4 ?m

?’f

aм=?-? ?

d ?

d t

d ?

d t

f n 2kT ?0 exp(Qa/RT) aм ?m

f Р 2 ?0 exp(Qa/RT) aм ? m k T

?’

nd’A(P, S0)

2 ?0 exp(Qa/RT) ? k T (1+exp(-

(Ed-F)/kT))

[pic]

2 ?0 exp(Qa/NakT) ? k T (1+exp(-

(Ed-F)/kT))

nd’

[pic]

В диапазоне 100-700 оК

В диапазоне 290-630 оК

[pic]

Графики термограмм для веществ, с которыми проводились измерения

Таблица корреляций термограмм. Серым отмечены эталоны, заложенные в ПЗУ

прибора.

2 ?0 exp(Qa/Na*1/kT) ? k T (1+exp(-

(Ed-F)/kT))

nd’A(P, S0)

Рис.5. Алгоритм работы прибора

Страницы: 1, 2