有害气体检测仪设计中的数据处理

　　1　有害气体检测仪的总体结构

　　采用电化学传感器测量气体浓度,并输出微弱的电流值,再经过前置测量电路放大处理后送入C8051F单片机内部的A/D转换器,由单片机进行一系列数据处理后存入单片机内部的RAM中,并通过液晶显示或通过GPRS通讯电路进行数据远传。系统总体结构框图如图1。

　　2　数字滤波

　　工业现场有各种噪声干扰存在,把测量值中的噪声成分降低,是仪表准确工作的前提。对测量得到的数据,应用统计学的方法进行数字滤波,以抑制噪声。由于噪声一般为加性白噪声,符合正态分布,可以用加权移动平均的方法来处理,既降低了噪声的影响,又可以保持系统的灵敏度。对一个观测点进行n次连续采样,得到测量值e0,e1,…,en-1,则最佳估计值为

　　可见经过加权移动平均滤波后,测量值方差减小到原来的K倍。总体来讲,经过变换后的测量数据提高了信噪比。

　　3　软件校准

　　软件校准可以代替传统的硬件调节电路,一次性完成对失调、量程及非线性的校准,而成本更低,校准更方便快捷。软件校准有2种基本方法:基于二次方程的校准方法和基于拉格朗日插值的校准方法。

　　3.1　基于二次方程的校准方法

　　理论上,物理输入量Pin与A/D转换器的输出Do之间满足一元高次方程:

　　在满足精度的情况下,为了降低运算的难度,式(8)中三次项系数D及以后各项系数可认为为0。因此式(8)可近似为

　　只要求出系数A、B、C,就能根据A/D转换的输出结果Do用单片机根据式(9)计算出实际物理量Pin.为求系数A、B、C需要有3个已知物理量P1、P2、P3,再测出3个已知物理量的A/D输出值分别为D1、D2、D3,代入方程(9)得

　　可见此方法可用较少的运算次数求得测量结果,但是求解校正系数A、B、C时较繁琐。

　　3.2　基于拉格朗日插值公式的校准方法

　　根据拉格朗日插值公式可得被测物理量Pin与A/D转换器的输出Do之间关系为

　　由已知的物理量P1、P2、P3,再测出3个已知物理量的A/D输出值分别为D1、D2、D3,根据式(15)~式(17)计算出α1、α2、α3,在实际测量时由A/D转换器的输出结果D0代入式(18)可求得测量值。可见,基于拉格朗日插值公式的校准方法可以快速获得校准系数,但求解测量结果时较繁琐。

　　3.3　基于二次方程和拉格朗日插值公式相结合的校准方法

　　结合以上两种校准方法的优点,提出了基于二次方程和拉格朗日插值相结合的校准方法,可以高效快速的实现对量程、失调和非线性的校准。