基于CMOS传感器的微型光谱仪设计

张振兴

摘要：为了快速、有效的检测气体中含有的NOX、SO2等污染性气体的浓度。设计了基于CMOS传感器和交叉Czerny-Turner（CT）型光路的嵌入式微型光谱仪，通过16位AD转换和C8051f410，实现NOX、SO2等气体浓度的自动检测。并介绍了CMOS传感器的性能指标以及系统的软硬件设计。

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.

关键词：CMOS；嵌入式；检测；Czerny-Turner型光路；微型光谱仪

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

中图分类号：O433 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）20-0115-03

0 引言

目前越来越多的领域利用光谱技术检测各项指标，例如水中的重金属含量，气体中含有的NOX、SO2等污染气体的浓度，食物中是否存在有害物质等，这势必要求我们研发的光谱仪向高性能、微型化、低价格发展[1][2]。由于近来CMOS工艺的发展已解决早期存在的许多缺陷，使得其性能指标大幅度提高，具有体积小、重量轻、功耗低、性能稳定、响应速度快、价格低等优点，对应用于微型光谱仪的检测工作有着重要意义。

本文设计了基于CMOS传感器的微型光谱仪，利用交叉Czerny-Turner（CT）型光路[3]，以C8051f410为基础，研究了NOX、SO2的光谱信号采集和处理方法，实现了现场实时检测数据，可对大气环境的治理提供基础数据[4]。

1 系统总体设计方案

1.1 光路结构设计

光谱仪的的设计指标有很多不同的应用领域所需要的光谱范围也不尽相同，本文针对NOX、SO2光谱特征设计了光谱范围为200-270nm微型光谱仪，分辨率为0.1nm，其光路设计图如图1所示。光路的主要元器件包括狭缝、成像物镜、准直物镜、光纤和线阵型CMOS[4]。光纤发射出一束复合光线经由狭缝，入射到准直物镜上形成平行光，并通过光栅将复合光分散成单色光，最后由成像物镜将空间上散开的各波长的光聚焦在成像物镜的焦平面上，然后由线阵型CMOS将收集成像物镜焦平面上的光谱能量，并检测光谱的强度和波长位置[5][6]。

1.2 测量方案设计

测量系统的主要组成由C8051f410、RS232通讯接口、电源电路、放大电路、AD转换电路、CMOS电路。测量系统的总体结构图如图2所示。

测量系统以CMOS器件为核心，通过CMOS检测输出电压信号，由于该信号较小，所以后级设计了一路放大电路，将CMOS输出电压信号放大，之后经AD转换送入单片机处理，并最终在LCD上显示图谱，此外测量系统还设计了一路RS232通讯接口与LCD通讯，实时传输测量数据，并在LCD上绘制谱图。

2 系统的硬件设计

C8051F410单片机内置了一个UART接口，方便了单片机系统与LCD通讯的电路，LCD液晶屏具存储和曲线绘制的功能，方便实时显示测量的谱图[7]；另外由于C8051f410内置的AD转换位数较低，因此系统选用了外置的16位AD芯片ADS320E，并使用了5V的参比芯片，减少参比电压带来的噪声；此外系统电源芯片主要是为系统供电。本节主要介绍系统的主要硬件电路。

2.1 CMOS傳感器介绍

CMSO检测器选用是系统设计的重点之一，关系着系统的整体性能和参数，本设计综合考虑选用了日本滨松的S8378-265Q传感器，该器件具有200-1000nm的宽光谱响应范围[8]，如图3所示，单电源5V供电，通过电荷放大器，具有出色的输出特性，并且像素间距达到25um；该器件温度漂移小，具有较高的可靠性。

2.2 硬件电路设计

系统的硬件电路除了基本的单片机外围电路和电源电路以及RS232接口电路外，重点是信号的采集和处理电路，电路图如图4所示。S8378内部设置有定时器，只需要通过ST和CLK发送启动采集命令，S8378就会自动采集当前进光量，并转化电压后储存，结束后拉低EOS信号端，单片机通过通过判断EOS信号端即可判断信号是否转换结束[9]。单片机可通过CLK使得CMOS传感器输出256信号数据，并通过运放和AD芯片读取这些数据[10]。最终通过RS232接口传输到LCD显示屏上。

这里需要注意的是S8378每次读取的数据，均为上一次的进光量，因此在相隔较长时间后，为保证读取光线的频谱为当前值，此时应该连续读取两次，也即是在连续测量数据时，应舍去第一次数据[11][12]。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要包括LCD界面设计和单片机程序设计。LCD界面设计主要通过C++及C语言实现，界面较为简单，主要是绘制显示频谱曲线；单片机程序通过C编写，主要的设计内容有配置基本参数，启动系统的串口中断，通过时钟开启并读取CMOS存储转化进光量，最后处理后发送到LCD上，绘制显示频谱[13][14]。如图5的流程图所示。

4 结语

微型光谱仪的设计，对光谱仪小型化、便携式的发展有着重要的意义[15]。光谱仪结构较为简单，测性能可靠，杂散光小，能量利用率较高，并且方便维护；系统在调试测试中，NOX、SO2等物质的光谱准确度高，噪声低且采样速度较快，通过LCD显示频谱，方便测试者观察分析。

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