基于AVR单片机的高精度紫外线检测仪的设计

文章编号：１００１—９９４４（２０１２）０１－００２８－０３　基于ＡＶＲ单片机的高精度紫外线检测仪的设计　高建民　，翁惠辉　，陈永军　，丁福坤　，张辉。　（１．长江大学电子信息学院，荆州４３４０２３；２．中国石油集团东方地球物理公司，涿州０７２７５１；　３．上海尚耐自动化科技有限公司，上海２０１６１　５）　摘要：介绍一种基于ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ的高精度紫外线检＇３１｛仪的设计，并给出了仪表设计的硬件　结构框图和软件运行流程图。通过中船重工某所应用表明．该仪表具有测量精度高、性能　稳定等技术优势。它能够适用于医院、卫生防疫部门、化工等消毒紫外线灯辐照强度的监　测。具有广泛的应用前景。　关键词：紫外线；ＵＶＣ；检测仪；ＡＴｍｅｇａ１６　Ｌ；高精度；单片机　中图分类号：ＴＨ７４１　文献标志码：Ｂ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉ０ｎ　ＵＶ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＶＲ　ＳＣＭ　ＧＡＯ　Ｊｉａｎ．ｍｉｎ’，ＷＥＮＧ　Ｈｕｉ．ｈｕｉ　，ＣＨＥＮ　Ｙｏｎｇ－ｊｕｎ　，ＤＩＮＧ　Ｆｕ—ｋｕｎ２，ＺＨＡＮＧ　Ｈｕｉ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎｇｚｈｏｕ　４３４０２３，Ｃｈｉｎａ；２．ＢＧＰ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ＣＮＰＣ，　Ｚｈｕｏｚｈｏｕ　０７２７５１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｓｕｎａａｙ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１６１５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ－ｂａｓｅｄ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ＵＶ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａｎｄ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＳＩＣ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｔａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｈｏｓｐｉｔａｌ，ｄｉｓｅａｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｅ—　ｐａｒｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｆｏｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ＵＶ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｗｉｄｅ叩ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＵＶ；ＵＶＣ；ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＡＴｍｅｇａ１６Ｌ；ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ；ＳＣＭ　紫外线位于Ｘ射线和可见光之间，常常利用其　波长短、频率高、能量大的特点进行杀菌、化学催化　等工作，紫外线杀菌的有效波长范围可分为４个波　段：ＵＶＡ（４００～３１５ｎｍ）、ＵＶＢ（３１５—２８０ｎｍ）、ＵＶＣ　接决定了杀菌的效果和效率［２］。由此可见，紫外线强　度检测仪表在各个领域应用的必要性和紧迫性。　本文介绍了一种基于ＡＶＲ单片机的高精度数　字式紫外线检测仪。仪表采用进口ＵＶＣ传感器对紫　外线光源进行强度检测。经过转换调理电路。将采集　的数据传送至人机交互界面进行显示。　（２８０～２００ｎｍ）和真空紫外线（２００—１００ｎｍ）。就杀菌速　度而言．ＵＶＣ正好处于微生物吸收范围之内，现在医　院空气的紫外线消毒以及给排水工程中所说的紫外　光消毒实际上就是指ＵＶＣ消毒【１］。不同应用场合，对　紫外线光源的光强要求也不尽相同。对于医疗和化　１仪表硬件设计　仪表硬件部分主要包括核心硬件ＡＶＲ低功耗　单片机，以及电源转换电路、信号调理电路、１２８６４　工领域而言，主要关心的是紫外线强度的大小，它直　收稿１５ｔ期：２０１１－０７—２２：修订日期：２０１１－０９—０５　作者简介：高建民（１９８５一），男，硕士研究生，现主要从事自动检测与控制方面的研究；陈；￣师．现主要从事电力电子与电力传动的教学与科研。　（１９７２一），男，副教授，硕士生导　囝　液晶接口电路等。单片机采用ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ—　ｍｅｇａｌ６Ｌ微处理器．完成控制指令给定、信号采集、　信号处理以及与液晶之间的数据交换等任务【　，它　是一款高性能、低功耗的８位微处理器，具有先进的　ＲＩＳＣ结构、１６Ｋ字节的系统内可编程Ｆｌａｓｈ、１Ｋ字　节的片内ＳＲＡＭ、以及５１２字节的Ｅ２ｐＲＯＭ；它包括　２个具有独立预分频器和比较器功能的８位定时　器／计数器、一个具有预分频器、比较功能和捕捉功　能的１６位定时器／计数器以及８路１０位ＡＤＣ模拟　转换器［４１。可以满足仪表对紫外线的检测精度要求；　它集成了可工作于主机／从机模式的ＳＰＩ串行接口，　这样将方便信号衰弱电路的扩展。仪表的总体结构　图如图１所示。　ＶＰ１２８６４液晶　ＵＶ量高限　４－２０ｍＡ　低限报警　ＭＲＯＮ　ＧＳＶＩ　ＩＩ／２０　ｌ信号调理　模拟信号衰弱　按键　ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ　Ｄ／Ａ　＝一丘　［二＿　ｌ电源部分Ｉ　ｌ光隔ｌ　ｌ信号调理ｌ　１００—２４０Ｖ　ＵＶ量　紫外线　ＡＣ输入报警状态　探头　图１总体结构图　Ｆｉｇ．１　Ｇｅｎｅｒａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　与其它方案相比，采用ＡＴｍｅｇａ１６Ｌ微处理器进　行紫外线检测仪表的设计。不仅能够达到较高的控　制精度，而且高度集成了控制系统的外围设备，这样　很大程度上简化了控制电路的设计，提高了仪表的　兼容能力和稳定性．同时具有低成本、低功耗等诸多　特点。　１．１　ＵＶＣ传感器工作原理　仪表选用进口ＵＶＣ传感器，传感器选用纳米材　料，采用先进的加工工艺。具有良好的可见光截止特　性，不受可见光的干扰，对紫外光响应灵敏，检测的　光谱范围可达到２８０　２００ｎｍ，适用于医院、卫生防疫　部门、化工等消毒紫外线灯辐照强度监测。　ＵＶＣ传感器工作原理图如图２所示。在ＵＶＣ　传感器的阴极和阳极之间加上电压后，当紫外线透　过石英玻璃管照射在光电面的阴极上时，由于阴极　涂敷有电子放射物质，阴极就会发射光电子。在强电　场的作用下。光电子被吸向阳极，光电子高速运动时　与管内气体分子相碰撞而使气体分子电离，气体电　自动化与仪表２０１２ｔ１）　离产生的电子再与气体分子相碰撞，最终使阴极和　阳极间被大量的光电子和离子所充斥。引起放电现　象，电路中生成大的电流。当没有紫外线照射时，阴　极和阳极间没有电子和离子的流动，呈现出相当高　的阻抗。　流　高电压　图２　ＵＶＣ传感器工作原理图　Ｆｉｇ．２　ＵＶＣ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　１．２　ＵＶＣ传感器检测电路设计　根据紫外线强度的变化，ＵＶＣ传感器输出０～　８０００ｎＡ的电流信号，由于传感器最后输出为纳安级　的电流信号，微处理器无法对其进行采样，所以必须　经过信号调理电路对信号进行转换、滤波、放大，最　后输出标准的０～５Ｖ的采样信号给微处理器进行信　号采集和处理。ＵＶＣ传感器检测电路如图３所示。　Ｒ１　２　图３　ＵＶＣ传感器检测电路　Ｆｉｇ．３　ＵＶＣ　ｓｅｎｓｏｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　经过多次反复实验，在不同光谱范围内，传感器　有不同的响应速度，当光谱达到２５８ｎｍ时，传感器　达到峰值响应。ＵＶＣ传感器在不同光谱下的响应如　图４所示。　在不同的紫外线强度环境下（０￣２５０１ｘＷ／ｃｍ　），　ＵＶＣ传感器的输出电流与紫外线强度呈线性变化，　分辨率可达１０￣Ｗ／ｃｍ　，不同的紫外线强度下，ＵＶＣ　传感器输出电流响应曲线如图５所示。　１．３模拟信号衰弱电路设计　为模拟紫外线强度信号的衰弱，同时简化Ｄ／Ａ　囝　０・　０．　Ｓ　０．　营０．　》　‘§０．　０・　０．　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／（ｎｍ）　图４　ＵＶＣ传感器在不同光谱下的响应　Ｆｉｇ．４　ＵＶＣ　ｓｅｎｓｏｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　８０００　—７０ｏ０　薹６０００　５０００　ｇ　４０００　ｇ　３０００　呈２０００　ｌ００Ｏ　０　ＵＶＣｐｏｗｅｒ／（ＩｘＷ・ｃｍ　）　图５　ＵＶＣ传感器输出电流响应曲线　Ｆｉｇ．５　ＵＶＣ　ｓｅｎｓｏｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｕｒｖｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　转换接口电路，提高接口的可靠性及稳定性，仪表采　用ＭＡＸ５３１芯片作为Ｄ／Ａ转换芯片，它具有功耗　低、增益可通过外引脚设置、同时具备高分辨率Ｄ／Ａ　转换集成电路、内部带基准电压等特点，能完成ｌ２　位Ｄ／Ａ转换圈。芯片的数字输入端可以与ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ　芯片的ＳＰＩ串行总线接Ｅ１．Ｄ／Ａ输出经过滤波、放大　电路，输出标准的４—２０ｍＡ电流信号，可以高精度、　稳定地模拟出紫外线强度信号的衰弱。Ｄ／Ａ接口电　路设计如图６所示。　一ｋ　ｌ　￣ｋ６．８　４－２０ｍＡ　图６　Ｄ，Ａ接口电路设计　Ｆｉｇ．６　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　Ｄ／Ａ　１．４人机交互部分　人机交互由２大部分组成：键盘控制部分和液　晶显示部分。　（１）键盘控制部分主要由３个独立按键构成，分　别为翻页键、光标移动键和设定键。这个部分的作用　囵　就是用户通过输人不同的按键信号来完成对液晶显　示的控制。对于比较重要的几个命令，采取组合键的　输入方式来完成，以确保输入信号的准确性。　（２）液晶显示部分选用ＣＯＧ—ＶＰ１２８６４图形点　阵液晶显示模块，其内部组件由ＬＣＤ显示屏、控制　器、驱动器和偏压产生电路构成。此液晶与微控制器　的接口采用８位数据传输方式，液晶显示部分包括　３个页面的显示。分别为当前实测页面、当前设定页　面、当前报警状态页面。当前实测页面显示中包括紫　外线强度绝对值（０－２００００ｐ￣Ｗ／ｃｍ　），紫外线强度相　对值（０—１００％）和紫外光源运行时间（０～１９９９９ｈ）。当　前报警状态页面显示中包括紫外光源运行时间超时　报警和紫外线强度衰弱过低报警。　２系统软件设计　为提高程序的运行速度和效率，本文中的软件　设计部分全部采用Ｃ语言编程，并采用模块化的程　序结构，以提高软件在反复调试、修改过程中的效　率，同时方便控制功能的进一步扩展。　仪表的软件设计流程如图７所示，主要包括液晶　主程序、液晶驱动程序、按键检测程序３大部分。仪表　通电以后首先执行初始化程序。包括将微控制器的端　１：３初始化、定时器初始化、以及液晶的初始化，接着　去读取Ｅ２ｐＲＯＭ的参数设定值，然后进入按键检测以　及报警状态检测程序，对液晶执行相应页面的显示。　仪表通电　二　二　初始化　真写相关参数设　定值到Ｅ２ＰＲ０Ｍ　皇　并将变量赋值ｒ｝　Ｙ　检　＼／　＋Ｎ　液晶状态、页面显示　　，（＼　］　定页面显示　图７程序运行流程图　Ｆｉｇ．７　Ｐｒ０ｇｒａｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　（下转第３４页）　／＊ｃｏｄｅ左移８位　／　ｃｏｄｅ＝ｃｏｄｅ　ｃｒｃｔａｂ［ｄａｔａ￣　ｐｔｒ］；　函数进行纠错处理。为节约资源，提高响应速度，建　议进行查表运算，并且需要建立三个表：纠错编码、　检错判断、纠错处理各一个。　查表后与ｃｏｄｅ的低字节异或　／　ｐｔｒ＋＋；　计算下一字节ｃｏｄｅ＊／　｝　ｒｅｔｕｒｎ（ｃｏｄｅ）；　｝　４结语　基于ＣＭＸ４６９Ａ的列尾装置无线通信系统，经　过现场调试验收，目前已投入使用８个月，列尾装置　运行６００余趟次．车载设备累计运行１５万千米．经　受了各种环境、气候条件的考验，证明了该设计的可　靠性。该设备能够解决列尾装置通信成功率低，通　信效果易受周围地形影响的问题。　通过这段时间的考核运行，该设备在平原地区．　通信成功率达９８％以上；在山区和隧道。通信成功　率略低，约为９７％，性能达到目前国内先进水平。该　设备严格按照铁道行业标准执行，具有标准化和模　块化优势。目前该设备已投入运行１００余套，在某　地方重载铁路发挥着重要作用。　参考文献：　［１］　中国铁路通信信号总公司研究设计院．ＴＢ／Ｔ３０５２—２００２列车无　线调度通信系统制式及主要技术条件ｉｓ】，２００２．　【２】中国铁道部标准计量研究所．ＴＢ／Ｔ２９７３—２００６列车尾部安全防　护装置及附属设备【Ｓ］，２００６．　【３】　Ｃｏｎｓｕｍｅｒ　Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔｓ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｃｏ．ＣＭＸ４６９Ａ　ＦＦＳＫ／ＭＳＫ　Ｍｏ—　ＢＣＨ码与其它纠错码相比，实现简单，构造方　便，抗干扰能力强。同时它建立在严密的数学基础　上，纠错能力非常强。由表１可知，需要采用缩短　ＢＣＨ（２６，１６）循环码。它与标准ＢＣＨ（３１，２１）循环码　相比，待校验信息长度为１６ｂｉｔ，可以方便地由两个　字节组成。　ＢＣＨ的编码与ＣＲＣ的编码原理一样．但因为　待校验数据位１６位，校验码为１０位，因此选择生　成多项式　ｇ（ｘ）　。。　。　慨　＋１　同理，接收码多项式表示为Ｂ（　），其多项式系　数为　＝［６　，ｂ　，……，ｂ。，ｂｏ］；发送码多项式表示为Ａ　（　），其多项式系数表示为Ａ＝［％，ｏａ４，……，ａ。，　。　定义它们的差Ｅ＝Ｂ－Ａ＝［ｅ　，ｅ。，……，ｅ　，ｅ０］。当没　有误码时，Ｅ＝０。如果某位ｅｉ≠０（Ｏ≤　≤９），或者某两　位ｅｉ≠０，　≠Ｏ（０≤　≤９，Ｏ≤　≤９）时，需要建立错误　图样，定义Ｅ取各种非０值时，错码的具体位置。知　道错码位置后，进行纠错处理时，只需把相应电平　取反即可。　ｄｅｍ［Ｚ】，２００１．　［４】Ｍｏｔｏｒｏｌａ　Ｉｎｃ．ＭＣ９ＳＩ２ＤＰ２５６Ｂ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｕｓｅｒ　Ｇｕｉｄｅ　Ｖ０２．１　１［ｚ】，　２ｏ０２．　在ＭＣ９Ｓ１２ＤＰ２５６专用开发环境Ｃｏｄｅ　Ｗａｒｒｉｏｒ　５．Ｏ下．用Ｃ语言很容易实现ＣＲＣ和ＢＣＨ的编译码　过程。ＢＣＨ编译码略比ＣＲＣ编译码复杂，需要一个　函数进行纠错编码，一个函数进行检错判断，一个　＜＞●０●＜＞●＜＞●ｏ●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●０●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●０●０●＜＞●＜＞●＜＞●０［５】　张宗橙．纠错编码原理和应用【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００３：　７５－１２５．　［６】王新梅．纠错编码与差错控制［Ｍ】．北京：人民邮电出版社，１９９５：　９９－１３８．　■　●０●０●０●＜＞●＜＞●　●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●０（上接第３０页）　度的监测要求，今后可以在相关领域进行推广应用。　参考文献：　［１］刘清，袁素珍．紫外线技术处理城市污水［Ｊ］．江西化工，２００９（４）：　１９１－１９４．　３结语　与目前常用的紫外线辐射照度计相比，该仪表　具有分辨率可达１０￣Ｗ／ｃｍ２，不受阳光、灯光等其它　射线干扰、测量精度高、性能稳定等技术优势。同时，　【２】何唯平，汤惠工，等．ＧＢ／Ｔ　１９８３７－２００５城市给排水紫外线消毒　设备［Ｓ】．深圳市海川实业股份有限公司，２００５．　［３】三恒星科技．ＡＶＲ单片机原理与应用实例【Ｍ】．北京：电子工业出　版社．２００９．　可以调整仪表的ＵＶ相对值．这样大大增强了对紫　外线强度检测的通用性，而且该仪表具有数据的掉　电保持功能，这样可以保证在非正常工作的情况下，　仪表数据的连续性。　［４】佟长福．ＡＶＲ单片机ＧＣＣ程序设计【Ｍ】．北京：北京航空航天大学　出版社．２００６．　通过中船重工某所应用表明，该仪表能够满足医　院、卫生防疫部门、化工等用于消毒的紫外线灯辐照强　［５】徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计【Ｍ】．北京：北京航空航　天大学出版社，１９９９．　一　团