基于CMOS傳感器的微型光譜儀設(shè)計(jì)

張振興

摘要：為了快速、有效的檢測氣體中含有的NOX、SO2等污染性氣體的濃度。設(shè)計(jì)了基于CMOS傳感器和交叉Czerny-Turner（CT）型光路的嵌入式微型光譜儀，通過16位AD轉(zhuǎn)換和C8051f410，實(shí)現(xiàn)NOX、SO2等氣體濃度的自動(dòng)檢測。并介紹了CMOS傳感器的性能指標(biāo)以及系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

Abstract： In order to quickly and effectively detect the concentration of pollutant gases such as NOX and SO2 in the gas， the micro-spectrometer based on CMOS sensor and cross-Czerny-Turner （CT） optical path is designed. The 16-bit AD converter and C8051f410 are used to realize the automatic detection of NOX and SO2. And the CMOS sensor performance indicators and system hardware and software design are introduced.

關(guān)鍵詞：CMOS；嵌入式；檢測；Czerny-Turner型光路；微型光譜儀

Key words： CMOS；embedded；detection；Czerny-Turner type optical path；micro-spectrometer

中圖分類號(hào)：O433 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）20-0115-03

0 引言

目前越來越多的領(lǐng)域利用光譜技術(shù)檢測各項(xiàng)指標(biāo)，例如水中的重金屬含量，氣體中含有的NOX、SO2等污染氣體的濃度，食物中是否存在有害物質(zhì)等，這勢必要求我們研發(fā)的光譜儀向高性能、微型化、低價(jià)格發(fā)展[1][2]。由于近來CMOS工藝的發(fā)展已解決早期存在的許多缺陷，使得其性能指標(biāo)大幅度提高，具有體積小、重量輕、功耗低、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，對應(yīng)用于微型光譜儀的檢測工作有著重要意義。

本文設(shè)計(jì)了基于CMOS傳感器的微型光譜儀，利用交叉Czerny-Turner（CT）型光路[3]，以C8051f410為基礎(chǔ)，研究了NOX、SO2的光譜信號(hào)采集和處理方法，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)，可對大氣環(huán)境的治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光譜儀的的設(shè)計(jì)指標(biāo)有很多不同的應(yīng)用領(lǐng)域所需要的光譜范圍也不盡相同，本文針對NOX、SO2光譜特征設(shè)計(jì)了光譜范圍為200-270nm微型光譜儀，分辨率為0.1nm，其光路設(shè)計(jì)圖如圖1所示。光路的主要元器件包括狹縫、成像物鏡、準(zhǔn)直物鏡、光纖和線陣型CMOS[4]。光纖發(fā)射出一束復(fù)合光線經(jīng)由狹縫，入射到準(zhǔn)直物鏡上形成平行光，并通過光柵將復(fù)合光分散成單色光，最后由成像物鏡將空間上散開的各波長的光聚焦在成像物鏡的焦平面上，然后由線陣型CMOS將收集成像物鏡焦平面上的光譜能量，并檢測光譜的強(qiáng)度和波長位置[5][6]。

1.2 測量方案設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)的主要組成由C8051f410、RS232通訊接口、電源電路、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、CMOS電路。測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

測量系統(tǒng)以CMOS器件為核心，通過CMOS檢測輸出電壓信號(hào)，由于該信號(hào)較小，所以后級設(shè)計(jì)了一路放大電路，將CMOS輸出電壓信號(hào)放大，之后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)處理，并最終在LCD上顯示圖譜，此外測量系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一路RS232通訊接口與LCD通訊，實(shí)時(shí)傳輸測量數(shù)據(jù)，并在LCD上繪制譜圖。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

C8051F410單片機(jī)內(nèi)置了一個(gè)UART接口，方便了單片機(jī)系統(tǒng)與LCD通訊的電路，LCD液晶屏具存儲(chǔ)和曲線繪制的功能，方便實(shí)時(shí)顯示測量的譜圖[7]；另外由于C8051f410內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換位數(shù)較低，因此系統(tǒng)選用了外置的16位AD芯片ADS320E，并使用了5V的參比芯片，減少參比電壓帶來的噪聲；此外系統(tǒng)電源芯片主要是為系統(tǒng)供電。本節(jié)主要介紹系統(tǒng)的主要硬件電路。

2.1 CMOS傳感器介紹

CMSO檢測器選用是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，關(guān)系著系統(tǒng)的整體性能和參數(shù)，本設(shè)計(jì)綜合考慮選用了日本濱松的S8378-265Q傳感器，該器件具有200-1000nm的寬光譜響應(yīng)范圍[8]，如圖3所示，單電源5V供電，通過電荷放大器，具有出色的輸出特性，并且像素間距達(dá)到25um；該器件溫度漂移小，具有較高的可靠性。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路除了基本的單片機(jī)外圍電路和電源電路以及RS232接口電路外，重點(diǎn)是信號(hào)的采集和處理電路，電路圖如圖4所示。S8378內(nèi)部設(shè)置有定時(shí)器，只需要通過ST和CLK發(fā)送啟動(dòng)采集命令，S8378就會(huì)自動(dòng)采集當(dāng)前進(jìn)光量，并轉(zhuǎn)化電壓后儲(chǔ)存，結(jié)束后拉低EOS信號(hào)端，單片機(jī)通過通過判斷EOS信號(hào)端即可判斷信號(hào)是否轉(zhuǎn)換結(jié)束[9]。單片機(jī)可通過CLK使得CMOS傳感器輸出256信號(hào)數(shù)據(jù)，并通過運(yùn)放和AD芯片讀取這些數(shù)據(jù)[10]。最終通過RS232接口傳輸?shù)絃CD顯示屏上。

這里需要注意的是S8378每次讀取的數(shù)據(jù)，均為上一次的進(jìn)光量，因此在相隔較長時(shí)間后，為保證讀取光線的頻譜為當(dāng)前值，此時(shí)應(yīng)該連續(xù)讀取兩次，也即是在連續(xù)測量數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)舍去第一次數(shù)據(jù)[11][12]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括LCD界面設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。LCD界面設(shè)計(jì)主要通過C++及C語言實(shí)現(xiàn)，界面較為簡單，主要是繪制顯示頻譜曲線；單片機(jī)程序通過C編寫，主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容有配置基本參數(shù)，啟動(dòng)系統(tǒng)的串口中斷，通過時(shí)鐘開啟并讀取CMOS存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化進(jìn)光量，最后處理后發(fā)送到LCD上，繪制顯示頻譜[13][14]。如圖5的流程圖所示。

4 結(jié)語

微型光譜儀的設(shè)計(jì)，對光譜儀小型化、便攜式的發(fā)展有著重要的意義[15]。光譜儀結(jié)構(gòu)較為簡單，測性能可靠，雜散光小，能量利用率較高，并且方便維護(hù)；系統(tǒng)在調(diào)試測試中，NOX、SO2等物質(zhì)的光譜準(zhǔn)確度高，噪聲低且采樣速度較快，通過LCD顯示頻譜，方便測試者觀察分析。

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