基于單片機(jī)氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1引言1.1工程的研究背景隨著人民生活水平的提高和對(duì)環(huán)境問題及健康問題的日益重視，室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，人們?cè)谄鹁邮摇⑥k公室等室內(nèi)環(huán)境的滯留時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。如果把工作、居住和休閑的時(shí)間都加在一起，在西方工業(yè)興旺國(guó)家人們?cè)谑覂?nèi)停留的時(shí)間己達(dá)全天的93%左右，而我國(guó)也超過了全天的85%室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況直接影響人們的身體健康。惡劣的室內(nèi)空氣是不良建筑物綜合癥的主要原因。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)與世界衛(wèi)生組織(WHO)進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)查說(shuō)明，有大約20%的美國(guó)建筑存在嚴(yán)重的室內(nèi)空氣污染，40%有一定程度的室內(nèi)空氣污染，另40%存在輕微或沒有室內(nèi)空氣污染[1]。根據(jù)美國(guó)環(huán)境健康總署的調(diào)查，室內(nèi)主內(nèi)空氣污染常常是室外空氣污染濃度的2-3倍，在冬季缺乏通風(fēng)，使用燃料取暖爐等情況下甚至高達(dá)100倍。一般家庭室內(nèi)可檢測(cè)到的污染物多達(dá)300種，而有68%的人體疾病與室內(nèi)空氣污染有關(guān)。美國(guó)職業(yè)平安及健康局的報(bào)告認(rèn)為，在美國(guó)，企業(yè)因室內(nèi)空氣惡劣而造成的工時(shí)損失平均約每人每日14-15分鐘[2]。氣體危害現(xiàn)狀僅以人類自身來(lái)說(shuō)，其日常生活和生產(chǎn)活動(dòng)都與周圍的大氣環(huán)境密切相關(guān)，大氣的變化對(duì)人類有極大的影響?？諝庵羞€有有毒氣體，會(huì)給人類帶來(lái)災(zāi)難?？扇?xì)怏w的泄露會(huì)引起爆炸和火災(zāi)使人類的生命和財(cái)產(chǎn)遭受損失。隨著工業(yè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，產(chǎn)品的種類不斷增多，氣體原料和生產(chǎn)過程中的產(chǎn)生的氣體種類和數(shù)量不斷增多，尤其是石油﹑化工﹑煤炭和汽車等工業(yè)開展，致使大氣污染日益嚴(yán)重。酸雨﹑溫室效應(yīng)和臭氧層破壞成為嚴(yán)重的環(huán)境問題。環(huán)境污染已逐漸影響到人類的生存。因此，對(duì)人類生存和生產(chǎn)環(huán)境中的各種氣體，氣味進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)和分析是必要的。近幾年的研究注意到，居室的室內(nèi)污染問題也越來(lái)越為突出，嚴(yán)重威脅人體健康。長(zhǎng)期生活和工作在有污染的室內(nèi)環(huán)境中，易出現(xiàn)不適感，病癥多為頭痛﹑流鼻涕﹑眩暈﹑行動(dòng)緩慢和記憶力衰退等，世界衛(wèi)生組織將此種現(xiàn)象稱為“致病建筑物綜合癥〞。有資料顯示新裝修的家庭居室中常見的有害物質(zhì)大約300多種，其中易對(duì)人體造成傷害，甚至致癌的有20多種，主要包括苯﹑甲苯﹑二甲苯﹑乙苯等揮發(fā)性有機(jī)氣。易燃易爆氣體也是不容無(wú)視的有害氣體[3]。如果此方面未得到有效控制與管理的話，為其后果所付出的代價(jià)是極為巨大的。由以上可以看到易燃﹑易爆﹑有毒氣體等問題已經(jīng)嚴(yán)重危害人民的生命和財(cái)產(chǎn)平安以及全社會(huì)的開展和平安。解決這些問題的關(guān)鍵是迅速準(zhǔn)確的檢測(cè)到這些相關(guān)有毒﹑有害氣體，這便是氣敏傳感器開展的客觀依據(jù)。氣體檢測(cè)現(xiàn)狀氣體種類繁多，有些有毒有害，有些易燃易爆。人類生存和活動(dòng)的環(huán)境無(wú)一可以撇開氣體對(duì)象?，F(xiàn)代化生活的飛速開展，導(dǎo)致了城市氣體越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)人類的影響也越來(lái)越大。液化石油氣的開發(fā)利用大大造福于家庭生活，同時(shí)也帶來(lái)了更多的爆炸或火災(zāi)隱患。為了確保大氣環(huán)境的“質(zhì)量〞和家庭用氣的平安，就離不開準(zhǔn)確有效的氣味檢測(cè)與報(bào)警手段:許多作業(yè)過程(如煉鋼、發(fā)酵、冶金、礦井以及汽車)都需要對(duì)相關(guān)氣體進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控或快速調(diào)節(jié)，否那么將招致重大事故與損失[4]。正因?yàn)闅怏w與人類的生存和活動(dòng)如此密切相關(guān)，人類很早就開始了對(duì)氣體的檢測(cè)及控制方法的研究。目前，酒類、煙草、茶葉等食品的質(zhì)量主要是靠人的感官來(lái)進(jìn)行判斷，感官評(píng)定主要依賴人的生理和心理?xiàng)l件，其本身是一門精巧的技術(shù)。這類工作通常需要訓(xùn)練有素、經(jīng)驗(yàn)豐富的專家進(jìn)行。人工鑒別帶有很大的主觀因素。從某種意義上講，由于受經(jīng)驗(yàn)、情緒等主觀因素的影響，感官評(píng)定方法的評(píng)判結(jié)果隨鑒別人員的不同而存在相當(dāng)大的個(gè)體差異，即使同一人員也隨其身體狀態(tài)、情緒變化等的不同而產(chǎn)生不同結(jié)果[5]。由此可見，人的感覺器官的缺點(diǎn)包括主觀性，重復(fù)性差(即，結(jié)果隨測(cè)試時(shí)間，健康情況，先前分析的氣味，疲勞程度，等等因素波動(dòng))，耗時(shí)長(zhǎng)和花費(fèi)人力巨大。另外，人的感覺器官不能用于檢測(cè)有毒氣味、連續(xù)工作和遠(yuǎn)程操作。另外，工程師和化學(xué)家利用一般比擬廉價(jià)和簡(jiǎn)便的化學(xué)或生化傳感器，或利用昂貴復(fù)雜的分析化學(xué)儀器，如氣相色譜儀(GC)和質(zhì)譜儀(MS)，對(duì)有毒和無(wú)毒氣味進(jìn)行分析。這兩種方法的共同缺點(diǎn)是其試驗(yàn)結(jié)果并不是直接與一個(gè)氣味的鑒別相關(guān)聯(lián)。例如，單個(gè)化學(xué)傳感器不能直接用來(lái)鑒別具體的咖啡香味。分析化學(xué)家們用氣相色譜儀和質(zhì)譜儀(GC/MS)檢測(cè)的結(jié)果也是如此。而且，GC和GC/MS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作繁瑣，造價(jià)昂貴，測(cè)試周期長(zhǎng)，需要人進(jìn)行大量的干預(yù)以進(jìn)行分析，不能進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)[6]，等等。1.2工程的研究意義和應(yīng)用背景從上面可以看出有許多種氣體檢測(cè)技術(shù)可幫助今天的工業(yè)來(lái)保護(hù)人類和生產(chǎn)，當(dāng)然，每一種技術(shù)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。從實(shí)際生活中可以了解沒有單一最好的方法，而只有根據(jù)具體的實(shí)際情況由多種技術(shù)組合成的最好的氣體檢測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)氣體傳感器技術(shù)開展的如火如荼之時(shí)，氣體傳感器測(cè)試家屬的開展并未跟上氣體傳感器技術(shù)開展的速度。目前我國(guó)氣體傳感器行業(yè)已有十幾家中小規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)，氣體傳感器生產(chǎn)線已經(jīng)很大，具備很強(qiáng)的生產(chǎn)能力，但是對(duì)于研究探索氣體傳感器應(yīng)用的科研人員來(lái)說(shuō),有個(gè)很大的困難就是實(shí)現(xiàn)氣體傳感器的檢測(cè)和選擇[7]?；跉怏w檢測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活中的重要作用和測(cè)試系統(tǒng)的開展價(jià)值，國(guó)內(nèi)外的科研人員對(duì)氣體檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試做了深入研究。1.3本課題主要研究?jī)?nèi)容本課題主要內(nèi)容包括室內(nèi)空氣主要污染物及危害，半導(dǎo)體氣體傳感器的工作原理，以及檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件組成。第一章主要介紹了國(guó)內(nèi)及國(guó)外的氣體檢測(cè)的要求，現(xiàn)狀及開展。了解氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活中的重要作用和測(cè)試系統(tǒng)的開展價(jià)值。第二章主要介紹室內(nèi)空氣主要污染物及危害。室內(nèi)主要污染物包括酒精、甲烷、一氧化碳等，當(dāng)濃度超過一定的限度，會(huì)對(duì)人的身體健康造成不利影響。第三章主要介紹半導(dǎo)體氣體傳感器工作原理。為了對(duì)甲醛、甲烷、一氧化碳檢測(cè)，分別采用了MQ-138、MQ-7、MQ-4三種傳感器，本局部詳細(xì)介紹了傳感器的工作原理，及測(cè)量信號(hào)與濃度值得對(duì)應(yīng)關(guān)系。第四章主要介紹系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。硬件電路由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示和報(bào)警等局部組成，本設(shè)計(jì)所用到的芯片有AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、AT89C51單片機(jī)還有一些氣體傳感器、復(fù)位電路、驅(qū)動(dòng)電路、LED顯示模塊。第五章主要介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。軟件局部包括數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警等局部。第六章主要介紹畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)，主要講述本人在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中的一些心得體會(huì)。2室內(nèi)有毒氣體介紹2.1室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)室內(nèi)空氣品質(zhì)(IndoorAirQuality,IAQ)是上世紀(jì)80年代末在環(huán)境科學(xué)、衛(wèi)生學(xué)、暖通空調(diào)(HVAC)等學(xué)科根底上開展起來(lái)的一個(gè)科學(xué)分支，在90年代以來(lái)得到了廣泛的重視與研究。在89室內(nèi)空氣品質(zhì)討論會(huì)上，丹麥哥本哈根大學(xué)教授P.O.Fang提出:品質(zhì)反映人們要求的程度，如果人們對(duì)空氣滿意，就是高品質(zhì);反之，就是低品質(zhì)。英國(guó)的CIBSE(CharteredInstituteofBuildingServicesEngineers)認(rèn)為:如果室內(nèi)少于50%的人能發(fā)覺到任何氣味，少于20%的人感覺不舒服，少于10%的人感覺到刺激，并且少于5%的人在缺乏2%的時(shí)間內(nèi)感到煩躁，那么可認(rèn)為此時(shí)的室內(nèi)空氣品質(zhì)是可接受的。這兩種定義的共同點(diǎn)是都將室內(nèi)空氣品質(zhì)完全變成了人們的主觀感受。在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)G2-1989R中，首次提出了可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)(acceptableindoorairquality)和感受到的可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)(acceptableperceivedindoorairquality)等概念[8]。其中，可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)定義如下:空調(diào)房間中絕大多數(shù)人沒有對(duì)室內(nèi)空氣表示不滿意，并且空氣中沒有的污染物到達(dá)了可能對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅的濃度。感受到的可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)定義如下:空調(diào)房間中絕大多數(shù)人沒有因?yàn)闅馕痘虼碳ば远硎静粷M。它是到達(dá)可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)的必要而非充分條件。由于有些氣體，如氨、CO等沒有氣味，對(duì)人也沒有刺激作用，不會(huì)被人感受至，但卻對(duì)人危害很大，因而僅用感受到的室內(nèi)空氣品質(zhì)是不夠的，必須同時(shí)引入可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)。因此，空氣品質(zhì)的評(píng)價(jià)實(shí)際上是人為感受與客觀有害污染物濃度的綜合評(píng)價(jià)?！笆覂?nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)一般采用量化監(jiān)測(cè)和主觀調(diào)查結(jié)合的手段進(jìn)行。其中的量化監(jiān)測(cè)是指直接測(cè)量室內(nèi)污染物濃度來(lái)客觀了解、評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)，主觀評(píng)價(jià)是指利用人的感覺器官進(jìn)行描述與評(píng)判工作〞[9]。2.2主要污染源室內(nèi)空氣品質(zhì)受到多方面的影響和污染，從其性質(zhì)來(lái)講，可分三大類:第一大類是化學(xué)的，勝要來(lái)自房屋裝修、家具、玩具、煤氣熱水器、殺蟲噴霧劑、化裝品、吸煙、廚房的油煙等等，其成分主要是揮發(fā)性的有機(jī)物如甲醛、甲苯、醋酸乙酷、甲苯二異氰酸等等和無(wú)機(jī)化合物如氨、CO,C02等;第二大類是物理的，包括不適的溫度、濕度環(huán)境、懸浮顆粒(灰塵)、煙霧、核輻射、電磁輻射等等。第三大類是來(lái)自于生物的，毛絨來(lái)自使用地毯不當(dāng)，毛絨玩具、被褥等，主要有螨蟲及其它細(xì)菌等[10]。本課題主要針對(duì)第一類室內(nèi)空氣污染進(jìn)行檢測(cè)。下面討論主要的化學(xué)的來(lái)源、性質(zhì)和危害。一氧化碳一氧化碳是一種無(wú)色、無(wú)味氣體，極易與血紅蛋白結(jié)合生成碳氧血紅蛋白。是一種有毒氣體。一氧化碳是最主要、最常見的室內(nèi)污染物之一。它通常來(lái)源于含碳物質(zhì)的不完全燃燒。爐火、廚房燃?xì)?、家用煤?非天然氣或液化石油氣)的泄露等都是室內(nèi)一氧化碳產(chǎn)生的原因。同時(shí)，吸煙也是一個(gè)重要的一氧化碳產(chǎn)生源，尤其是在沒有燃燒爐具等的辦公室等室內(nèi)場(chǎng)合。一氧化碳對(duì)健康的影響直接表現(xiàn)在其與血紅蛋白結(jié)合生成的產(chǎn)物COHb在血液中的濃度上。一氧化碳通過呼吸與血紅蛋白結(jié)合，其結(jié)合的能力比氧氣高200倍。這將造成血液中氧氣傳輸量的下降，超過一定濃度時(shí)造成人體組織的缺氧窒息。一般來(lái)講，通常的新陳代謝產(chǎn)生的COHb的濃度在0.5%-1.0%，而在非吸煙人群中血液平均COHb濃度為1.2%-1.5%。吸煙者體內(nèi)的平均COHb濃度在3%-4%，吸煙較多者甚至到達(dá)10%(數(shù)據(jù)發(fā)表自世界衛(wèi)生組織，1987)連續(xù)處在30ppm濃度的一氧化碳環(huán)境下，人體血液中的COHb濃度將平衡于5%;在20ppm環(huán)境下平衡于3.7%)10ppm環(huán)境下為2%。一般來(lái)說(shuō)，大于10%的COHb含量將對(duì)心血管和神經(jīng)系統(tǒng)造成影響，2.5%的COHb會(huì)使肺心病患者病癥加重，低于2%的濃度下尚無(wú)對(duì)人體產(chǎn)生影響的報(bào)道。一般認(rèn)為2%-3%的濃度不會(huì)對(duì)健康人產(chǎn)生影響。因此大局部國(guó)家的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，將CO的濃度定于小于10ppm(見附表:各國(guó)室內(nèi)空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))。我國(guó)現(xiàn)有的CO報(bào)警器，一般將10Oppm-200ppm作為報(bào)警濃度。因?yàn)檫@種濃度的CO在短時(shí)間內(nèi)尚不會(huì)對(duì)健康人產(chǎn)生明顯的影響[11]。2甲醛甲醛CHCHO)是一種無(wú)色易溶的刺激性氣體，易揮發(fā)，所以在室內(nèi)空氣品質(zhì)研究中，將其歸為VOC，即揮發(fā)性有機(jī)化合物(VolatileOrganicCompounds)。其水溶液即“福爾馬林〞甲醛具有強(qiáng)烈刺激性氣味，其毒性主要表現(xiàn)在神經(jīng)系統(tǒng)及呼吸系統(tǒng)病癥。當(dāng)室內(nèi)甲醛含量為0.1mg/m3，時(shí)就有異味和不適感;0.5mg/m3m3時(shí)引起咽喉不適或疼痛;濃度再高可引起惡心、嘔吐、咳嗽、胸悶、氣喘甚到市氣腫;當(dāng)空氣中到達(dá)30mg/m3時(shí)可當(dāng)即導(dǎo)致死亡。甲醛是室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物中最主要和最具危害的污染源，其廣泛存在于室內(nèi)裝修材料如壁紙、地板、油漆、膠水等。例如，因?yàn)槿嗽彀迨窃斐墒覂?nèi)空氣中甲醛超標(biāo)的主要因素，世界上不少國(guó)家對(duì)人造板的甲醛的散發(fā)值作了嚴(yán)格的規(guī)定。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是穿孔測(cè)試值必須小于1Omg甲醛/100g板[12]。但市場(chǎng)上大量建材實(shí)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了這一指標(biāo)，成為室內(nèi)空氣品質(zhì)惡化的主要原因之一。大量的使用不符合標(biāo)準(zhǔn)的建筑材料也是新裝修的房屋常常造成居住者明顯不適的主要原因。中國(guó)消費(fèi)者協(xié)會(huì)提請(qǐng)國(guó)家人造板質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心于1999年初對(duì)北京市場(chǎng)銷售的21種牌號(hào)的裝飾板進(jìn)行了比擬試驗(yàn)。我國(guó)目前還沒有對(duì)裝飾單板貼面膠合板甲醛釋放量進(jìn)行規(guī)定，采用的是日本的JASNO.516-1992標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)甲醛釋放量指標(biāo)明確分為3級(jí)，最高級(jí)為≤1Omg甲醛/100g板。對(duì)21種樣品的試驗(yàn)，有15種樣品的甲醛釋放量超過指標(biāo)，占71.4%，使用這樣的產(chǎn)品勢(shì)必會(huì)給居室環(huán)境造成污染，直接危害消費(fèi)者的健康。我國(guó)于1996年公布了《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，明確規(guī)定居室空氣中甲醛的最高允許濃度為ppm即0.08mg/m3。2甲烷甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分。健康危害：甲烷對(duì)人根本無(wú)毒，但濃度過高時(shí)，使空氣中氧含量明顯降低，使人窒息。當(dāng)空氣中甲烷達(dá)25%-30%時(shí)，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟(jì)失調(diào)。假設(shè)不及時(shí)遠(yuǎn)離，可致窒息死亡。皮膚接觸液化的甲烷，可致凍傷。2物理污染物理污染指塵埃、放射性、電磁輻射等物理因素造成的污染。其中，放射性污染造成的危害最為嚴(yán)重。放射性污染主要來(lái)自建筑石材、土壤等含有的氡，鐳等放射性元素。其中氡的污染最為普遍，不容無(wú)視。氡是由放射性元素鐳衰變產(chǎn)生的，是自然界中唯一的天然放射性氣體。氡是一種無(wú)色無(wú)味氣體，容易被無(wú)視。氡原子在空氣中的衰變產(chǎn)物被稱為氡子體，為金屬粒子。在常溫下，氡及氡子體在空氣中能夠形成放射性氣溶膠而污染空氣環(huán)境。人類在高濃度氡的作用下，機(jī)體會(huì)出現(xiàn)紅細(xì)胞的變化。氡對(duì)人體脂肪有很高的親合力，特別是氡與神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)合后，對(duì)人體的危害更大。當(dāng)人們將氡吸入體內(nèi)后，氡衰變產(chǎn)生的a粒子可以在人的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷，誘發(fā)肺癌。室內(nèi)氡的危害直到20世紀(jì)60年代才被發(fā)現(xiàn)，研究說(shuō)明，氡對(duì)人體的輻射的傷害占人體一生中所受到的輻射傷害的55%以上，其誘發(fā)肺癌的潛伏期大多在15年以上。世界上有1/5的肺癌患者的發(fā)病原因與氡有關(guān)。氡是導(dǎo)致人類引發(fā)肺癌的第二大“殺手〞，是除吸咽以外引起肺癌的第三大因素。世界衛(wèi)生組織(WHO)的國(guó)際癌癥研究中心(CARC)以動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)了氡是當(dāng)前認(rèn)識(shí)到的19種主要環(huán)境物質(zhì)之一。氡主要源于房屋地基土壤、以及花崗巖、磚砂、水泥及石膏之類建筑材料之中。在室外空氣中氧的輻射劑量是很低的，可是，一旦進(jìn)入室內(nèi)，就會(huì)在室內(nèi)大量積聚。室內(nèi)氡還具有明顯的季節(jié)變化，通過試驗(yàn)說(shuō)明，冬季最高，夏季最低。室內(nèi)通風(fēng)狀況直接決定了室內(nèi)氡氣對(duì)人體危害性的大小。另外，廚房使用的天然氣也可能釋放出氡[13]。室內(nèi)空氣標(biāo)準(zhǔn)目前我國(guó)專門針對(duì)家庭、寫字樓的室內(nèi)空氣品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，有關(guān)方面稱正在制定中，有望在2002年公布。如表是一些國(guó)家和地區(qū)的室內(nèi)空氣標(biāo)準(zhǔn)和建議值。表2.1當(dāng)今先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)的環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)及建議值臺(tái)灣美國(guó)英國(guó)日本瑞典荷蘭俄國(guó)建議值溫度23-2820-2218-2818-2018-2118-28相對(duì)濕度〔％〕40-7020-6020-8040-7050-5530-70平均風(fēng)速〔m/s〕懸浮顆粒(g/m3)150100150140150二氧化碳〔ppm〕10002500350010001000一氧化碳〔ppm〕10925103510二氧化氮〔ppb〕508050臭氧〔ppb〕5012080-100二氧化硫〔ppb〕25〔日平均〕13325甲醛〔ppb〕新房200100100100100舊房500400-700本章小結(jié)本章主要介紹室內(nèi)空氣主要污染物及危害。室內(nèi)主要污染物包括酒精、甲烷、一氧化碳等，當(dāng)濃度超過一定的限度，會(huì)對(duì)人的身體健康造成不利影響。并分析了此次設(shè)計(jì)所能監(jiān)察的氣體，為下一章具體設(shè)計(jì)氣體濃度做出了具體要求。3半導(dǎo)體氣體傳感器工作原理3.1各種氣體傳感器分析目前按照氣敏特性來(lái)分，主要分為：半導(dǎo)體型、電化學(xué)型、固體電解質(zhì)型、接觸燃燒型、光化學(xué)型等氣體傳感器，又以前兩種最為普遍。3半導(dǎo)體型氣體傳感器原理及其優(yōu)缺點(diǎn)半導(dǎo)體傳感器是利用一種金屬氧化物薄膜制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。氣體分子在薄膜外表進(jìn)行復(fù)原反響以引起傳感器電導(dǎo)率的變化。為了消除氣體分子到達(dá)初始狀態(tài)就必須發(fā)生一次氧化反響。傳感器內(nèi)的加熱器可以加速氧化過程，這也是為什么有些低端傳感器總是不穩(wěn)定，其原因就是沒有加熱或加熱電壓過低導(dǎo)致溫度太低反響不充分。自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來(lái)，半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)成為當(dāng)今應(yīng)用最普遍、最實(shí)用的一類氣體傳感器。它具有本錢低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。缺乏之處是必須在高溫下工作、對(duì)氣體或氣味的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不理想、功率高等方面[14]。3電化學(xué)氣體傳感器電化學(xué)氣體傳感器是通過檢測(cè)電流來(lái)檢測(cè)氣體的濃度，分為不需供電的原電池式以及需要供電的可控電位電解式，目前可以檢測(cè)許多有毒氣體和氧氣，后者還能檢測(cè)血液中的氧濃度。電化學(xué)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是氣體的高靈敏度以及良好的選擇性。缺乏之處是有壽命的限制一般為兩年[15]。3半導(dǎo)體傳感器和電化學(xué)傳感器的區(qū)別半導(dǎo)體傳感器因其簡(jiǎn)單低價(jià)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是又因?yàn)樗倪x擇性差和穩(wěn)定性不理想目前還只是在民用級(jí)別使用。而電化學(xué)傳感器因其良好的選擇性和高靈敏度被廣泛應(yīng)用在幾乎所有工業(yè)場(chǎng)合。3固態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器顧名思義，固態(tài)電解質(zhì)就是以固體離子導(dǎo)電為電解質(zhì)的化學(xué)電池。它介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間。選擇性，靈敏度高于半導(dǎo)體而壽命又長(zhǎng)于電化學(xué)，所以也得到了很多的應(yīng)用，缺乏之處就是響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)[16]。3接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w。又分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，原理是氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃?xì)怏w在外表或者在催化劑作用下燃燒，由于燃燒使氣敏材料溫度升高從而電阻發(fā)生變化。后者因?yàn)榇呋瘎┑年P(guān)系具有廣普特性應(yīng)用更廣。3光學(xué)式氣體傳感器光學(xué)式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型等等，主要以紅外吸收型為主。由于不同氣體對(duì)紅外波吸收程度不同，通過測(cè)量紅外吸收波長(zhǎng)來(lái)檢測(cè)氣體。目前因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價(jià)頗高。本工程綜合考慮了各種情況，最終選擇了半導(dǎo)體氣體傳感器，作為檢測(cè)器件。氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測(cè)出來(lái)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件，是氣體傳感器陣列的核心元件。而氣體傳感器陣列是電子嗅覺系統(tǒng)的關(guān)鍵組成單元，由對(duì)不同氣味有不同靈敏度的氣敏元件組成，這些氣敏元件具有廣譜響應(yīng)特性、交叉靈敏度大的特性[17]。一般，氣體傳感器陣列可采用數(shù)個(gè)單獨(dú)的氣體傳感器組合而成，并采用集成工藝制作，體積小，功耗低，便于信號(hào)的集中采集與處理。單個(gè)氣體傳感器與氣敏陣列在特性上有質(zhì)的區(qū)別，單個(gè)氣體傳感器對(duì)氣體的響應(yīng)可用強(qiáng)度來(lái)表示，而氣敏傳感器陣列除了各個(gè)傳感器的響應(yīng)外，在全部傳感器組成的多位空間中形成的響應(yīng)模式，在環(huán)境條件一定的情況下，陣列上的響應(yīng)模式與其鼓勵(lì)是一一對(duì)應(yīng)的，而這是該系統(tǒng)能對(duì)多種氣味和氣體進(jìn)行辨識(shí)的關(guān)鍵所在。器件的選擇本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛、一氧化碳、甲烷氣體的定性和定量分析，首先最重要的工作是選擇適宜的傳感器，通過對(duì)性能、可實(shí)現(xiàn)性、價(jià)格等的比照。針對(duì)酒精氣體，選擇的是MQ-138A甲醛傳感器，針對(duì)一氧化碳?xì)怏w，選擇的是MQ-7一氧化碳傳感器，針對(duì)甲烷氣體，采用的是MQ-4半導(dǎo)體氣體傳感器，由這三種傳感器組成傳感器陣列。MQ-138甲醛傳感器MQ-138是一種二氧化錫半導(dǎo)體型甲醛氣體傳感器，對(duì)甲醛具有高的靈敏度和快速的響應(yīng)性，適于便攜式甲醛探測(cè)器和汽車燃火系統(tǒng)等。半導(dǎo)體氣體敏感局部是一個(gè)微型珠狀小球，內(nèi)嵌加熱絲和金屬電極，這種敏感元件安裝在有防爆功能的雙層100目不銹鋼網(wǎng)的金屬殼內(nèi)[18]?！?.2V的高電壓，使傳感器盡快穩(wěn)定并進(jìn)入工作狀態(tài)。MQ-138的靈敏度特性曲線圖。靈敏度特性圖反映了元件電阻和氣體濃度之間的關(guān)系。元件的電阻與氣體的濃度呈對(duì)數(shù)關(guān)系，隨氣體濃度的增加而減小。如圖3.1所示。圖3.1靈敏度特性曲線靈敏度特性型號(hào)MQ-303A符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Rs元件電阻(4kto400k)在潔凈空氣中電阻比/0.15)Rs(300ppm酒精)/Rs(100ppm酒精)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件：溫度:20oC—2oCVC:3.0V—1VDC濕度:65%—5%VH:0.9V—1VDCRL:可調(diào)預(yù)熱時(shí)間：大于48小時(shí)表3.2標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號(hào)參數(shù)技術(shù)條件備注VH加熱電壓ACorDCVC回路電壓≤6VDCRL負(fù)載電阻可調(diào)PS<10mWRH加熱電阻—室溫IH加熱電流≤130mAPH加熱功率≤130mWPS元件功率≤10mW表3.3技術(shù)條件符號(hào)參數(shù)技術(shù)條件備注Tao使用溫度-20oC—50oC推薦使用范圍20ppm-1000ppm甲醛Tas儲(chǔ)存溫度-20oC—70oCRH相對(duì)濕度≤95%RH(O2)氧氣濃度21%±1%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度影響靈敏度不得小于18%MQ-7一氧化碳傳感器MQ-7氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。采用上下溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-7氣體傳感器對(duì)一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測(cè)多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低本錢傳感器[19]。外形結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2一氧化碳傳感器外形結(jié)構(gòu)傳感器的根本測(cè)試電路需要施加2個(gè)電壓：加熱器電壓VH和測(cè)試電壓VC。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC那么是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的電壓VRL。這種傳感器具有輕微的極性，VC需要直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。根本測(cè)試回路如3.3圖所示。圖3.3根本測(cè)試回路靈敏度特性曲線，圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比(RS/RO)，橫坐標(biāo)為氣體濃度。RS表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值RO表示傳感器在1000ppm氫氣中的電阻值。如圖3.4所示。圖3.4靈敏度特性曲線表3.4靈敏度特性型號(hào)MQ-7符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Rs敏感體電阻2kto20k在100ppmCO電阻比Rs(300ppm)/Rs(100ppm)標(biāo)準(zhǔn)工作條件：溫度:20oC—2oCVC:5.0V—1V濕度:65%—5%VH〔H〕:V—1VVH〔L〕:V—1V預(yù)熱時(shí)間：大于48小時(shí)探測(cè)范圍:10ppm-1000ppm一氧化碳表3.5標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號(hào)參數(shù)技術(shù)條件備注VC回路電壓≤10VACorDCVH〔H〕加熱電壓〔高〕V±0.2VACorDCVH〔L〕加熱電壓〔低〕V±0.1VACorDCRL負(fù)載電阻可調(diào)RH加熱電阻313室溫TH〔H〕加熱時(shí)間〔高〕60secondsTH〔L〕加熱時(shí)間〔低〕90secondsPH加熱功率約350mW表3.6技術(shù)條件符號(hào)參數(shù)技術(shù)條件備注Tao使用溫度-10oC—50oC建議使用范圍Tas儲(chǔ)存溫度-20oC—70oCRH相對(duì)濕度小于95%RHO2氧氣濃度21%±1%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度影響靈敏度最小值大于2%MQ-4半導(dǎo)體氣體傳感器MQ-4氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫〔Sn02〕。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

MQ-4氣體傳感器對(duì)甲烷的靈敏度高，對(duì)丙烷、丁烷也有較好的靈敏度。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，特別是天然氣，是一款適合多種應(yīng)用的低本錢傳感器[20]。外形結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。圖3.5半導(dǎo)體氣體傳感器外形結(jié)構(gòu)傳感器的根本測(cè)試電路是需要施加2個(gè)電壓：加熱器電壓〔VH〕和測(cè)試電壓〔VC〕。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC那么是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻〔RL〕上的電壓〔VRL〕。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。如圖3.6所示。圖3.6根本測(cè)試電路靈敏度特性曲線，圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比(RS/RO)，橫坐標(biāo)為氣體濃度。RS表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值RO表示傳感器在1000ppm甲烷中的電阻值。如圖3.7所示。圖3.7靈敏度特性曲線表3.7技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)品型號(hào)MQ4產(chǎn)品類型半導(dǎo)體氣敏元件標(biāo)準(zhǔn)封裝膠木〔黑膠木〕檢測(cè)氣體天然氣、甲烷檢測(cè)濃度300-10000ppm〔甲烷、天然氣〕標(biāo)準(zhǔn)電路條件回路電壓VC≤24VDC加熱電壓VHV±0.2VACorDC負(fù)載電阻RL可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下氣敏元件特性加熱電阻RH313〔室溫〕加熱功耗PH≤900mW敏感體外表電阻RS2k-20k在5000ppmCH4靈敏度SRs(在空氣中)/Rs(5000ppm甲烷)≥5濃度斜率≤標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件溫度、濕度20oC-2oC；65%RH標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電路VC：V±0.1VVH：V±0.1V預(yù)熱時(shí)間不少于48小時(shí)3.3本章小結(jié)本章介紹半導(dǎo)體氣體傳感器工作原理。為了對(duì)甲醛、甲烷、一氧化碳檢測(cè)，分別采用了MQ-138、MQ-7、MQ-4三種傳感器，本局部詳細(xì)介紹了傳感器的工作原理，及測(cè)量信號(hào)與濃度值得對(duì)應(yīng)關(guān)系。為后面硬件局部的選材提供根底來(lái)更好的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的意義與目的。4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)4.1.1設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)采用甲醛傳感器、甲烷傳感器、一氧化碳傳感器等多種傳感器組成傳感器陣列，通過傳感器陣列能把氣體中的特定成分檢測(cè)出來(lái)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后采用ADC0809轉(zhuǎn)換器將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，運(yùn)用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，并通過LED顯示氣體種類和濃度信息，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種氣體的定性識(shí)別和檢測(cè)。4.1.2系統(tǒng)功能框圖如圖4.1所示氣體檢測(cè)系統(tǒng)主要由采集局部，轉(zhuǎn)換局部，顯示局部，報(bào)警局部構(gòu)成。圖4.1氣體檢測(cè)系統(tǒng)功能框圖4.2硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)硬件電路由信號(hào)放大、數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)最小系統(tǒng)、結(jié)果顯示和報(bào)警等局部組成，本設(shè)計(jì)所用到的芯片有LM358運(yùn)算放大器，AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AT89C51單片機(jī)還有一些氣體傳感器、復(fù)位電路、驅(qū)動(dòng)電路、LED顯示模塊。4LM358運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)由于氣體傳感器輸出的電壓值過低，無(wú)法直接使用A/D讀取，必須要參加放大電路，對(duì)電壓放大然后再經(jīng)過A/D讀取。在此，選擇LM358作為運(yùn)算放大器。LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合[21]。LM358具備以下特性：內(nèi)部頻率補(bǔ)償；直流電壓增益高(約100dB)；單位增益頻帶寬(約1MHz)；電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?3-30V)、-±15V)；低功耗電流，適合于電池供電；低輸入偏流，低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；共模輸入電壓范圍寬，包括接地；差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；輸出電壓擺幅大〔〕[22]。圖4.2LM358內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖4.3運(yùn)放電路圖4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作主要由AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成。由氣體傳感器陣列輸出的微弱電信號(hào)，經(jīng)各自信號(hào)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，使其轉(zhuǎn)換為0-5V范圍內(nèi)變化的直流信號(hào)，送到A/D轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理[23]。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見圖。由圖可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)[24]。圖4.4ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖4.5ADC0809的引腳結(jié)構(gòu)IN0－IN7：8條模擬量輸入通道。ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，假設(shè)信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如假設(shè)模擬量變化太快，那么需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。表4.1通道選擇SELECTEDANALOGCHANNELADDRESSLINECBAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7LLLLHHHHLLHHLLHHLHLHLHLH數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部存放器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，說(shuō)明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否那么，說(shuō)明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF〔＋〕，VREF〔－〕為參考電壓輸入[25]。圖4.6時(shí)序圖4數(shù)據(jù)處理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理過程是主要由AT89C51單片機(jī)等芯片完成的。AT89C51是一種帶4K字節(jié)的閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器〔FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。其中包括128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選的節(jié)電工作模式[26]。空閑方式體制CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器體制工作并禁止其他所有不見工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價(jià)的方案[27]。AT89C51單片機(jī)管腳圖如下圖。圖4.7AT89C51單片機(jī)管腳圖引腳功能說(shuō)明如下：·VCC：電源電壓·GND：地·P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“1〞可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址〔低8位〕和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接受指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻?！1口:P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)〔吸收或輸出電流〕4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1〞，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流〔IIL〕。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接受低8位地址?！2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)〔吸收或輸出電流〕4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1〞，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流〔IIL〕。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位四肢的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令〕時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)，在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔例如執(zhí)行MOVX@RI指令〕時(shí)，P2口線上的內(nèi)容〔也即特殊功能存放器〔SFR〕區(qū)中R2存放器的內(nèi)容〕，在整個(gè)訪問期間不改變。Flash編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P2也接收高位地址和其他控制信號(hào)?！3口：P3是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)〔吸收或輸出電流〕4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1〞，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流〔IIL〕。P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)?！ST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位?！LE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE〔地址鎖存允許〕輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖〔PROG〕。如有必要，可通過對(duì)特殊功能存放器〔SFR〕區(qū)中的8EH單元D0位置位，可禁止ALE操作。該位置，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效?！SEN：程序存儲(chǔ)允許輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通型號(hào)，當(dāng)89C51由外部存儲(chǔ)器取指令〔或數(shù)據(jù)〕時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的PSEN信號(hào)不出現(xiàn)?！A/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器〔地址為0000H—FFFFH〕，EA端必須保持低電平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平〔接VCC端〕，CPU那么執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12v的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件使用12v編程電壓VPP?！TAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端?！TAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。89C51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反響元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖5。外接石英晶體或陶瓷諧振器及電容C1、C2接在放大器的反響回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)電容C1、C2雖沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的上下、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30Pf±10Pf，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40Pf±10Pf。用戶也可以采用外部時(shí)鐘。這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端XTAL那么懸空[28]。4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為了方便與AT89C5單片機(jī)的鏈接，本系統(tǒng)采用AD080模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)采集到的氣體信息進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。其分辨率為8位，不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整，且具有高阻抗斬波穩(wěn)定比擬器，8個(gè)通道的多路開關(guān)可直接存取8個(gè)單端模擬信號(hào)中的一個(gè)。利用單片機(jī)啟動(dòng)AD0809轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)束后再由AD0809向AT89C51發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求[29]。通過對(duì)譯碼器的讀操作，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并送到被測(cè)量的響應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)。再重新選擇被測(cè)量，并再次啟動(dòng)AD0809轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后中斷返回。AD0809與單片機(jī)AT89C51連線線路如下圖。圖4.8AD0809與單片機(jī)AT89C51連線線路4聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的聲，光報(bào)警電路由發(fā)光二極管和低電壓蜂鳴器構(gòu)成，分別由PIC單片機(jī)的2個(gè)端口控制[30]。發(fā)光二極管LED具有體積小，抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)，工作電壓低，功耗小，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，常用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，有益于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)。當(dāng)該局部工作時(shí)，整機(jī)的工作電流將增加為未報(bào)警狀態(tài)時(shí)的電流的數(shù)倍，消耗的功率會(huì)比擬大，因此采用了分時(shí)供電的方法，通過單片機(jī)控制該局部電源的通斷，即質(zhì)量濃度到達(dá)報(bào)警時(shí)才給其供電；另外，用單片機(jī)輸出的周期脈沖報(bào)警信號(hào)控制振蕩器的啟停，用振蕩器輸出信號(hào)控制蜂鳴器和發(fā)光二極管，振蕩器可以用TTL門電路構(gòu)成的多諧振蕩器[31]。采用這2種方法可降低該局部的電路的功耗。設(shè)計(jì)中，LED發(fā)光二極管的工作電流為5-20mA，最大不超過50mA，否那么會(huì)燒壞器件。為了獲得良好的發(fā)光效果，LED工作電流控制在10-15mA較為合理。在圖中所示硬件電路中，D口得RD4,RD5，RD6，RD7，接聲，光報(bào)警電路，其中D口的RD5-RD7分別接質(zhì)量濃度過高，相等，過低的LED。當(dāng)氣體檢測(cè)儀檢測(cè)質(zhì)量濃度低于設(shè)定值時(shí)，綠燈亮；當(dāng)氣體質(zhì)量濃度到達(dá)某一定值時(shí)，黃燈亮；當(dāng)高于設(shè)定值時(shí)，紅燈亮并發(fā)出警報(bào)信號(hào)。圖4.9聲光報(bào)警電路4.2.6顯示電路的設(shè)計(jì)在該設(shè)計(jì)中，LED顯示器的顯示方法采用動(dòng)態(tài)顯示。LED動(dòng)態(tài)顯示的根本做法在于分時(shí)輪流選通數(shù)碼管的公共端，使得各數(shù)碼管輪流導(dǎo)通，在選通相應(yīng)的LED后，即在顯示字段上得到顯示字形碼。這種方式不但能提高數(shù)碼管的發(fā)光效率，并且由于各個(gè)數(shù)碼管的字段線是并聯(lián)使用的，從而大大簡(jiǎn)化了硬件線路。本設(shè)計(jì)中處理結(jié)果采用4位LED顯示，首次顯示氣體類別，后3位顯示氣體濃度。逐位輪流點(diǎn)亮各個(gè)LED，每一位保持1ms，在10-20ms之內(nèi)再一次點(diǎn)亮，重復(fù)不止。這樣利用人的視覺停留，好似4位LED同時(shí)點(diǎn)亮一樣。圖4.10顯示電路4.3生成PCB圖見附錄B4.4本章小結(jié)本章主要介紹系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。硬件電路由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示和報(bào)警等局部組成，本設(shè)計(jì)所用到的芯片有AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、AT89C51單片機(jī)還有一些氣體傳感器、復(fù)位電路、驅(qū)動(dòng)電路、LED顯示模塊。并實(shí)際的聯(lián)系在一起，能繪畫出具體可操作的電路圖，詳盡的介紹了本設(shè)計(jì)硬件局部的構(gòu)造及可實(shí)現(xiàn)性。5軟件局部設(shè)計(jì)5.1主程序流程圖設(shè)計(jì)如下圖的系統(tǒng)流程圖，是用來(lái)描述整個(gè)系統(tǒng)的工作過程。首先，初始化中包括I/O口初始化與外部中斷初始化。本設(shè)計(jì)I/O口初始化包括使按鍵，蜂鳴器，數(shù)碼管等調(diào)整為初始化狀態(tài)。系統(tǒng)定義I/O口初始化接高電平，按鍵啟動(dòng)接低電平，且數(shù)碼管界面定義8888為初始化狀態(tài)。外部中斷初始化是以中斷方式判斷按鍵是否按下。假設(shè)按鍵被按下，那么按鍵所接的低電平被觸發(fā)，且按鍵按一次采集數(shù)據(jù)，不按不采集，以便選擇結(jié)果。假設(shè)為Y，會(huì)進(jìn)行下一步操作，進(jìn)入中斷來(lái)讀取傳感器值，顯示氣體濃度值和氣體類別。執(zhí)行完畢后，回到主函數(shù)，繼續(xù)等待按鍵按下。假設(shè)為N，會(huì)返回等待按鍵按下。圖5.1系統(tǒng)流程圖5.2AD0809局部程序流程圖設(shè)計(jì)如下圖，此程序流程圖反映了中斷函數(shù)工作的流程與讀取傳感器值所需要的步驟。開始是表示主函數(shù)等待，有鍵按下使AD0809數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片呈現(xiàn)初始化狀態(tài)。寫入通道號(hào)用來(lái)決定多種氣體的其中一種，由氣體傳感器所輸出的微弱電信號(hào)經(jīng)它們各自的信號(hào)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，讓其轉(zhuǎn)裝換為0-5V內(nèi)變化的直流信號(hào)，傳送到AD0809數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。本設(shè)計(jì)定義：C為L(zhǎng)，B為L(zhǎng)，A為L(zhǎng)，那么輸入IN0端口為酒精氣體模擬信號(hào)。C為L(zhǎng)，B為L(zhǎng)，A為H，那么輸入IN1端口為一氧化碳?xì)怏w模擬信號(hào)。C為L(zhǎng),B為H，A為L(zhǎng)，那么輸入IN2端口為甲烷氣體模擬信號(hào)[32]。延時(shí)20us后等待EOC變高是AD0809轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志信號(hào)，其中20us的時(shí)間是用來(lái)給AD0809將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換處理為數(shù)字信號(hào)所花費(fèi)的時(shí)間。此時(shí)，單片機(jī)讀取EOC，表示AD0809轉(zhuǎn)換完成。所讀取的8位數(shù)據(jù)將會(huì)由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為具體的氣體濃度值，進(jìn)而由數(shù)碼管進(jìn)行顯示。假設(shè)完成那么返回等待按鍵按下。圖5.2AD0809局部程序流程圖設(shè)計(jì)5.3數(shù)據(jù)處理模擬量輸入模塊可能采集到緩慢變化的模擬量信號(hào)中的干擾噪聲，這些噪聲往往以窄脈沖的方式出現(xiàn)。為了減輕噪聲信號(hào)的影響，可以對(duì)連續(xù)假設(shè)干次采集到的值取平均值〔即平均值濾波〕，用平均值來(lái)代替當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)中，現(xiàn)場(chǎng)如果強(qiáng)電設(shè)備較多，不可防止的會(huì)產(chǎn)生尖脈沖干擾，這種干擾一般持續(xù)時(shí)間短，峰值大，對(duì)于這樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理時(shí)，僅僅采用算數(shù)平均值濾波時(shí)，盡管對(duì)脈沖干擾進(jìn)行了1/n的處理，但其剩余值仍然較大。這種場(chǎng)合最好的策略是：將被認(rèn)為是受干擾的信號(hào)數(shù)據(jù)去掉，這就是防脈沖干擾平均值濾波法的原理。防脈沖干擾平均值濾波法的算法是：對(duì)連續(xù)的n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉其中最大和最小的2個(gè)數(shù)據(jù)，將剩余數(shù)據(jù)示平均值。在一般8051單片機(jī)的應(yīng)用中為了加快數(shù)據(jù)處理速度，n可以取值6。而對(duì)于具有較快速度的處理器，可以加快處理速度[33]。以下為局部核心代碼：#defineLEN6//移動(dòng)算術(shù)平均的個(gè)數(shù)+2=SHIFT<<2+2

#defineSHIFT2//2^SHIFTuint8pdata;//移動(dòng)指針

uint8pmax,pmin;//記錄數(shù)據(jù)表中最大值和最小值的位置,

//在一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度>=8,

//因此用指針記錄而不是直接記錄最大值和最小值

dtypedatas[LEN];dtypeszlb(dtype_data)

{

/****************************/

/*在調(diào)用此子程序前必須對(duì)*/

/*pdata,datas[]數(shù)組,*/

/*pmax,pmin進(jìn)行初始化*/

/****************************/uint8i;

dtypeaverage=0;//清零，用來(lái)計(jì)算平均值

pdata=(pdata+1)%LEN;//指針下標(biāo)在0到LEN-1上滑動(dòng)

datas[pdata]=_data;//采樣所得數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)表中

for(i=0;i<LEN;i++)

average+=datas[i];//求所有數(shù)據(jù)總和/*******去除被認(rèn)為是脈沖的數(shù)據(jù)******/

if(_data>datas[pmax])

pmax=pdata;//得到最大值的指針

elseif(_data<datas[pmin])

pmin=pdata;//得到最小值的指針

if(pdata==pmax)//如果當(dāng)前輸入值將存入當(dāng)前最大值的位置時(shí)

{//由以上方法將不可行，必須從其他位置中查找極值

for(i=0;i<LEN;i++)

if(datas[i]>datas[pmax])

pmax=i;

}

elseif(pdata==pmin)//如果當(dāng)前輸入值將存入當(dāng)前最大值的位置時(shí)

{//由以上方法將不可行，必須從其他位置中查找極值

for(i=0;i<LEN;i++)

if(datas[i]<datas[pmin])

pmin=i;

}

average=average-datas[pmax]-datas[pmin];//減去脈沖return(average>>SHIFT);//求算術(shù)平均值

}經(jīng)過平均值濾波后，數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠較準(zhǔn)確的反映采集到的物理量，然后在軟件中根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)律列表，修正，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為對(duì)應(yīng)的濃度信息，存儲(chǔ)，以備顯示[34]。5.4顯示子程序流程圖設(shè)計(jì)如下圖，顯示子程序流程特為控制數(shù)碼管以及顯示數(shù)據(jù)的整個(gè)過程介紹。圖5.3顯示子程序流程圖設(shè)計(jì)5.5本章小結(jié)本章介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。軟件局部包括數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警等局部。并附有詳細(xì)的程序流程圖，全面介紹了本設(shè)計(jì)軟件局部的思路。6結(jié)論本論文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于AT89C51單片機(jī)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)。它由氣體傳感器、復(fù)位電路、驅(qū)動(dòng)電路、LED顯示等模塊組成，繪畫出了具體可操作的電路圖，并詳盡的介紹了本設(shè)計(jì)硬件局部的構(gòu)造及可實(shí)現(xiàn)性。主要用于一氧化碳、液化氣、甲烷、丙烷等室內(nèi)有毒氣體的濃度檢測(cè)。當(dāng)空氣中有毒氣體到達(dá)一定濃度時(shí)，將危及人的健康和平安，而及時(shí)發(fā)現(xiàn)有毒氣體是所有預(yù)防危害的關(guān)鍵。因此，氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)過幾周的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在沒有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來(lái)所學(xué)知識(shí)的簡(jiǎn)單總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)片面。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己所學(xué)的知識(shí)還比擬欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還很多。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。下面我對(duì)整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程做一下簡(jiǎn)單的總結(jié)：第一：接到任務(wù)以后進(jìn)行選題。選題是畢業(yè)設(shè)計(jì)的開端，選擇恰當(dāng)?shù)摹⒏信d趣的題目，這對(duì)于整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)是否能夠順利進(jìn)行關(guān)系極大。我選擇的題目是氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)槲覍?duì)這個(gè)方面比擬感興趣，而且這方面的技術(shù)也在不斷的更新之中，有很好的前景。第二：題目確定后就是找資料了，查資料是做畢業(yè)設(shè)計(jì)