基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、0引言目前在工業(yè)生產(chǎn)中排放的有害工業(yè)氣體對(duì)環(huán)境的污染 越來(lái)越嚴(yán)重, 在工業(yè)生產(chǎn)中的有害氣體泄漏也已成為威脅操 作人員生命安全的重大安全隱患 1。 因此設(shè)計(jì)一種能夠有效 檢測(cè)當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù), 還可以有效地遏制有害氣體 泄漏事故的發(fā)生 。1系統(tǒng)組成及工作原理空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)由單片機(jī) 、 多種氣體傳感器模塊 、 數(shù) 據(jù)處理模塊 、 鍵盤(pán)輸入模塊 、 顯示模塊 、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和報(bào)警 模塊等七部分構(gòu)成 。目標(biāo)氣體與傳感器接觸后便會(huì)產(chǎn)生特定的模擬信號(hào), 該 信號(hào)經(jīng)過(guò) A /D 轉(zhuǎn)換后, 由微處理器進(jìn)行采集 、 計(jì)算 、 數(shù)據(jù)處理 后對(duì)氣體種類(lèi)進(jìn)行識(shí)別并產(chǎn)生濃度結(jié)果數(shù)據(jù) 。 當(dāng)氣體濃度超 過(guò)儀器設(shè)

2、定的報(bào)警限時(shí), 儀器產(chǎn)生聲光報(bào)警, 并存儲(chǔ)報(bào)警氣 體種類(lèi) 、 氣體濃度和時(shí)間參數(shù)等 。 在無(wú)報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生時(shí), 顯示 單元能顯示各氣體成份的濃度 。 2硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路原理如圖一所示 。(1 傳感器單元傳感器單元由日本 FI G A R O 公司生產(chǎn)的 TG S 系列傳感器 與瑞士 M EM B R A PO R 公司的 SO 2/M A 20組成,這兩類(lèi)傳感器都 是二氧化錫半導(dǎo)體氣體傳感器 2。 TG S 與 SO 2/M 20系列傳感 器具有價(jià)格低 、 壽命長(zhǎng) 、 對(duì)不同目標(biāo)氣體表現(xiàn)出良好的靈敏 度與易于搭建測(cè)量電路等優(yōu)點(diǎn) 。 TG S 傳感器對(duì)特定的幾種氣 體表現(xiàn)不同的傳感特性, 通過(guò)

3、測(cè)量傳感器的電阻值的變化即 可得到特定氣體的濃度含量 。 其中 TG S4161用于測(cè)量 C O 2的濃度, TG S2201用于測(cè)量 N O2的濃度, TG S825用于測(cè)量 H 2 S 的濃度, SO 2/M 20用于測(cè)量 SO2的濃度, TG S2611-E20用于測(cè)量 C H 4的濃度, TG S821用于測(cè)量 H 2的濃度 。(2 用戶(hù)輸入單元系統(tǒng)的用戶(hù)輸入單元有 7個(gè)按鍵組成, 分別為 “ 系統(tǒng)設(shè) 置鍵 ” 、 “ 確定鍵 ” 、 “ 氣體種類(lèi)設(shè)置鍵 ” 、 “ 氣體濃度上限加 10基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)鐘世紅 1葉順華 1王歷先 1羅小燕 2Zhong Shihong

4、Ye Shunhua Wang Lixian Luo Xiaoyan(1. 贛州市第三中學(xué), 江西 贛州 341000; 2. 江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 江西 贛州 341000摘 要:為了及時(shí)了解城市空氣質(zhì)量狀況, 以半導(dǎo)體傳感器作為檢測(cè)元件, 按照檢測(cè)要求確定了硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程, 開(kāi) 發(fā)了一種基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化性氣體 、 有機(jī)氣體及易燃易爆氣體的實(shí)時(shí)檢測(cè) 。 檢測(cè)系統(tǒng)具有輕便 、 操 作簡(jiǎn)單等特點(diǎn) 。關(guān)鍵詞:空氣質(zhì)量檢測(cè); 半導(dǎo)體氣體傳感器; 單片機(jī)中圖分類(lèi)號(hào):TO368文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1671-4792-(20097-0169-03Abstract

5、:In order to keep abreast of urban air quality situation , according to the demands of detected ,a hardware structure and a software flow were confirmed, an air quality detecting systems based on MCU controlled was developed by the use of semiconductor gas sensors to detecting element, then the oxid

6、izing gas, the organic gases, and the inflammable and explosive gas could be detected in real-time. This detecting system has some characters, such as work portability and operating simpler.Keywords :Air Quality Detection; Semiconductor Gas Sensor; MCU 基 于 單 片 機(jī) 的 空 氣 質(zhì) 量 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì)169科技廣場(chǎng) 2009.7 圖

7、一系統(tǒng)硬件框圖鍵 ” 、 “ 氣體濃度上限加 100鍵 ” 、 “ 氣體濃度上限減 10鍵 ” 與 “ 氣體濃度上限減 100鍵 ” , 這幾個(gè)按鍵用于設(shè)置目標(biāo)氣體的 上下限報(bào)警 。 其中, “ 系統(tǒng)設(shè)置鍵 ” 用于告訴系統(tǒng)進(jìn)入中斷, 設(shè) 置氣體濃度超限值; “ 氣體種類(lèi)設(shè)置鍵 ” 用于選擇設(shè)置上下限 的氣體種類(lèi); “ 氣體濃度上限加 10鍵 ” 用于設(shè)定目標(biāo)氣體的 上限濃度加 10ppm; “ 氣體濃度上限加 100鍵 ” 用于設(shè)定目標(biāo) 氣體的上限濃度加 100ppm ; “ 氣體濃度上限減 100鍵 ” 用于 設(shè)定目標(biāo)氣體的上限濃度減 100ppm ; “ 氣體濃度上限減 10鍵 ” 用于

8、設(shè)定目標(biāo)氣體的濃度上限減 10ppm ; “ 確定鍵 ” 用于 告知系統(tǒng)設(shè)置完成 。(3 數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換單元數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)換單元采用 A /D 轉(zhuǎn)換器 A D C 0809對(duì)傳感 器單元測(cè)定的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)換成中央處理單元能 夠識(shí)別處理的數(shù)字量 。(4 中央處理單元中央處理單元采用 STC 89C 52微處理單元,進(jìn)行采集 、 計(jì) 算 、 數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生濃度結(jié)果數(shù)據(jù), 并對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行超限比 較 。 當(dāng)被測(cè)氣體的濃度超過(guò)一起設(shè)定的報(bào)警限時(shí), 儀器產(chǎn)生 聲光報(bào)警, 并在顯示屏上顯示當(dāng)前提起濃度, 同時(shí)保存數(shù)據(jù) 結(jié)果 。(5 供電單元供電單元負(fù)責(zé)為系統(tǒng)的其他單元供電, 其中傳感器單元不但需要

9、工作電壓, 還需要加熱電壓, 使氣室維持一個(gè)理想 的溫度, 使測(cè)量結(jié)果盡量準(zhǔn)確 。(6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元采用 A TM EL 單元的 A T24C 128芯片,用于 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)處理結(jié)果 。 該芯片為 128K bi t s 的 EEPR O M , 具有很 高的可靠性和耐久性能, 可 10萬(wàn)次寫(xiě)入 、 40年數(shù)據(jù)保持 。 當(dāng) 需要更大的存儲(chǔ)空間時(shí),可以方便地添加多達(dá) 3個(gè)該類(lèi)芯 片 。(7 LC D 顯示屏單元LC D 顯示單元采用長(zhǎng)沙太陽(yáng) 人 電 子有 限 公 司的 SM C 1602A 1602液晶顯示器, 用于顯示目標(biāo)氣體的濃度 。(8 聲光報(bào)警單元聲光報(bào)警單元由蜂鳴器與發(fā)光二極管

10、組成 。 當(dāng)測(cè)量氣體 達(dá)到報(bào)警上下限時(shí), 代表該氣體的發(fā)光二極管亮, 蜂鳴器發(fā) 出短促不連續(xù)響聲 。(9 時(shí)鐘單元時(shí)鐘單元采用飛利浦公司的 I 2C 時(shí)鐘芯片 PC F8563。 時(shí) 鐘單元可以為系統(tǒng)提供時(shí)鐘, 用于定時(shí)將系統(tǒng)從空閑狀態(tài)中 喚醒與記錄超限數(shù)據(jù)出現(xiàn)的時(shí)間 。 3軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)采用 “ 模塊化 ” 的設(shè)計(jì)方式, 運(yùn)用 “ 由內(nèi)向外 ” 的 嵌套設(shè)計(jì)思路, 使用 C 語(yǔ)言完成程序編寫(xiě) 。 模塊化設(shè)計(jì)指整170 圖二主程序流程圖個(gè)程序分主控模塊與 9個(gè)子模塊來(lái)分別設(shè)計(jì),嵌套思想是采 用一個(gè)循環(huán)結(jié)束, 外加另一個(gè)循環(huán)來(lái)嵌套完成 。 軟件流程圖 如圖二所示 。 系統(tǒng)上電復(fù)位后首先執(zhí)行主程

11、序, 然后再分別 調(diào)用各個(gè)功能的子程序 。 主程序分為初始化和循環(huán)執(zhí)行兩個(gè) 部分 。(1 初始化參數(shù)模塊初始化模塊主要是設(shè)置兩個(gè)中斷源的參數(shù) , 分別是外部 中斷 0和外部中斷 1。 外部中斷 0用于進(jìn)入鍵盤(pán)掃描程序; 外部中斷 1用于接受 PCF 發(fā)來(lái)的中斷信號(hào),一旦接受到中 斷信號(hào), 系統(tǒng)就喚醒單片機(jī)進(jìn)行下一輪檢測(cè) 。(2 時(shí)鐘設(shè)置模塊時(shí)鐘設(shè)置模塊主要檢測(cè)本次喚醒時(shí)間, 并設(shè)定下一次喚醒時(shí)間 。比如若需要儀器一天喚醒 3次, 當(dāng)?shù)谝淮螁拘押? 系 統(tǒng)會(huì)檢測(cè)本次喚醒時(shí)間, 并設(shè)置第二次喚醒時(shí)間, 第二次喚 醒后會(huì)設(shè)置第三次喚醒時(shí)間, 第三次喚醒后會(huì)設(shè)置成第一次 喚醒時(shí)間 。(3 數(shù)據(jù)處理模塊

12、由于傳感器檢測(cè)到的電信號(hào)并不是線(xiàn)性的, 所以需要用 數(shù)據(jù)處理的方法將檢測(cè)到的電信號(hào)與氣體濃度對(duì)應(yīng)起來(lái) 。 本 系統(tǒng)采用的是查表法, 即采用實(shí)用而簡(jiǎn)單的分段線(xiàn)性插值方 法對(duì)信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性化處理 。(4 主程序模塊主程序模塊通過(guò)一個(gè)循環(huán)語(yǔ)句, 循環(huán)檢測(cè)目標(biāo)氣體濃度 并實(shí)時(shí)顯示濃度數(shù)據(jù) 。 當(dāng)氣體濃度超限時(shí), 則激發(fā)聲光報(bào)警 程序并儲(chǔ)存超限氣體的種類(lèi) 、 超限濃度和出現(xiàn)時(shí)間 。 當(dāng)所有 氣體都檢測(cè)完畢后, 系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài) 。 4結(jié)束語(yǔ)基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)可以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí) 檢測(cè)工業(yè)目標(biāo)氣體濃度, 完成數(shù)據(jù)采集 、 分析 、 顯示 、 存儲(chǔ) 、 報(bào) 警等任務(wù), 具有操作簡(jiǎn)便 、檢測(cè)快速和便攜性強(qiáng)的特點(diǎn) 。 參考文獻(xiàn)1謝明,