基于CMOS傳感器的微型光譜儀設計

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。設計了基于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轉換和C8051f410，實現NOX、SO2等氣體濃度的自動檢測。并介紹了CMOS傳感器的性能指標以及系統的軟硬件設計。

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：O433 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0115-03

0 引言

目前越來越多的領域利用光譜技術檢測各項指標，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等，這勢必要求我們研發的光譜儀向高性能、微型化、低價格發展[1][2]。由于近來CMOS工藝的發展已解決早期存在的許多缺陷，使得其性能指標大幅度提高，具有體積小、重量輕、功耗低、性能穩定、響應速度快、價格低等優點，對應用于微型光譜儀的檢測工作有著重要意義。

本文設計了基于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，研究了NOX、SO2的光譜信號采集和處理方法，實現了現場實時檢測數據，可對大氣環境的治理提供基礎數據[4]。

1 系統總體設計方案

1.1 光路結構設計

光譜儀的的設計指標有很多不同的應用領域所需要的光譜范圍也不盡相同，本文針對NOX、SO2光譜特征設計了光譜范圍為200-270nm微型光譜儀，分辨率為0.1nm，其光路設計圖如圖1所示。光路的主要元器件包括狹縫、成像物鏡、準直物鏡、光纖和線陣型CMOS[4]。光纖發射出一束復合光線經由狹縫，入射到準直物鏡上形成平行光，并通過光柵將復合光分散成單色光，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，并檢測光譜的強度和波長位置[5][6]。

1.2 測量方案設計

測量系統的主要組成由C8051f410、RS232通訊接口、電源電路、放大電路、AD轉換電路、CMOS電路。測量系統的總體結構圖如圖2所示。

測量系統以CMOS器件為核心，通過CMOS檢測輸出電壓信號，由于該信號較小，所以后級設計了一路放大電路，將CMOS輸出電壓信號放大，之后經AD轉換送入單片機處理，并最終在LCD上顯示圖譜，此外測量系統還設計了一路RS232通訊接口與LCD通訊，實時傳輸測量數據，并在LCD上繪制譜圖。

2 系統的硬件設計

C8051F410單片機內置了一個UART接口，方便了單片機系統與LCD通訊的電路，LCD液晶屏具存儲和曲線繪制的功能，方便實時顯示測量的譜圖[7]；另外由于C8051f410內置的AD轉換位數較低，因此系統選用了外置的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；此外系統電源芯片主要是為系統供電。本節主要介紹系統的主要硬件電路。

2.1 CMOS傳感器介紹

CMSO檢測器選用是系統設計的重點之一，關系著系統的整體性能和參數，本設計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 硬件電路設計

系統的硬件電路除了基本的單片機外圍電路和電源電路以及RS232接口電路外，重點是信號的采集和處理電路，電路圖如圖4所示。S8378內部設置有定時器，只需要通過ST和CLK發送啟動采集命令，S8378就會自動采集當前進光量，并轉化電壓后儲存，結束后拉低EOS信號端，單片機通過通過判斷EOS信號端即可判斷信號是否轉換結束[9]。單片機可通過CLK使得CMOS傳感器輸出256信號數據，并通過運放和AD芯片讀取這些數據[10]。最終通過RS232接口傳輸到LCD顯示屏上。

這里需要注意的是S8378每次讀取的數據，均為上一次的進光量，因此在相隔較長時間后，為保證讀取光線的頻譜為當前值，此時應該連續讀取兩次，也即是在連續測量數據時，應舍去第一次數據[11][12]。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括LCD界面設計和單片機程序設計。LCD界面設計主要通過C++及C語言實現，界面較為簡單，主要是繪制顯示頻譜曲線；單片機程序通過C編寫，主要的設計內容有配置基本參數，啟動系統的串口中斷，通過時鐘開啟并讀取CMOS存儲轉化進光量，最后處理后發送到LCD上，繪制顯示頻譜[13][14]。如圖5的流程圖所示。

4 結語

微型光譜儀的設計，對光譜儀小型化、便攜式的發展有著重要的意義[15]。光譜儀結構較為簡單，測性能可靠，雜散光小，能量利用率較高，并且方便維護；系統在調試測試中，NOX、SO2等物質的光譜準確度高，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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