基于AT89C52芯片的光离子化检测仪构建

　　1　光离子化检测仪的工作原理及描述

　　光离子化检测仪是基于光电离检测器(PID)的测量分析仪器,可以检测极低浓度的挥发性有机化合物(VOC),是非破坏性的浓度型检测器件。其工作原理为:气体被微型真空泵抽入光离子化检测室,由真空紫外(VUV)灯发射紫外光对气体分子进行轰击,使其中的有机物分子电离成为离子和电子。在极化极板的电场作用下,离子和电子向极板撞击,形成可被高灵敏度微电流放大器检测到的微弱离子电流。电流信号被放大成电压信号后,在AT89C52的主控下,通过数据采集,既可将电压信号按照拟合曲线折算成对应浓度值送至显示单元,也可通过I/O接口送入计算机利用色谱工作站进行处理,如图1所示。

　　在标准压力和低浓度条件下, PID信号由式(1)决定:

　　式中:j0为光通密度, NA为Loschmidt常数(2.69×1025克分子/米3), C为待电离物质的浓度,V为电离室体积,δi为有效电离截面。

　　由此可以清楚地看出, PID信号与待测物质浓度成正比,这也是光离子化检测仪的测试依据。

　　2　系统硬件核心结构设计

　　本系统以AT89C52单片机为核心,组成了一个具备数据采集、键盘操作、对象控制和结果显示等多项功能的复合完整系统,如图2所示。

　　2.1　光电离传感器

　　设计要求是:尽量大的测量体积和尽量小的电极间距,还要考虑合适的极间电压。本仪器传感器系自制,为圆筒形形状,中间平行放置镍片或纯不锈钢片。电离室的进气、出气口应使待测气体畅通,光电离形成的正离子被位于电离室轴线两侧上的平行极板所吸收。具体结构如图3所示。

　　2.2　微处理器

　　本系统采用AT89C52芯片作为微处理器。AT89C52与MCS251系列单片机完全兼容,采用静态时钟方式,可以大大减小耗电量。其内部含有Flash存贮器,在系统开发时可以很容易地进行程序修改,即使编程错误也不会导致报废。

　　2.3　数据采集系统

　　主要由前端运算放大器MAX7652和A/D转换芯片AD7710完成。AD7710是高性能24位A/D转换器,具有转换速率快、精度高等特点,适合于高速数据采集。它有两路模拟信号输入,有6条数据传输控制线与CPU相连。AD7710还可以进行内校准,在经过校准后可以大大提高测量精度。AD7710具有内外基准两种选择,本系统采用的是内基准。以下是以AD7710为核心的数据采集电路部分,基本电路如图4所示。

　　微电流放大器将光离子传感器的电流信号放大成电压信号后再输至MAX7652运放电路进行放大,输出的电压信号至AD7710的第7脚, AD7710便会自动进行模数转换。当每次转换结束时, 端就会变为低电平,当CPU的P0.5口被查询到变低时,程序就启动一次对AD7710的读数。每次读数时采用串行方式,通过AD7710的AO、SDATA、SCLK端来依次读入24位。一共3个字节,然后CPU对这三个字节数据进行计算后送出。