有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要無論是天然氣、石油等企業(yè)，還是是在百貨大樓，居民住所，一旦發(fā)生有毒氣體的外泄而沒有在第一時(shí)間采取相應(yīng)的防護(hù)措施，就會(huì)對(duì)人民以及財(cái)產(chǎn)安全造成極大的危害。我國工業(yè)正處于高速發(fā)展的時(shí)期，生產(chǎn)安全乃是重中之重。在這種情況下，有毒氣體的提前檢測，在氣體已經(jīng)泄漏且還未擴(kuò)大之前實(shí)行有效措施，便尤為重要。本設(shè)計(jì)中基于單片機(jī)的空氣指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)是以環(huán)境中的有害氣體濃度為研究對(duì)象，使用各種傳感器實(shí)時(shí)采集空氣中的空氣指數(shù)狀態(tài)，然后將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再將其發(fā)送到MCU進(jìn)行精確計(jì)算。LCD1602顯示屏顯示當(dāng)前空氣指數(shù)甲苯和甲醛含量，并指示預(yù)設(shè)的警報(bào)閾值。功能鍵可以設(shè)置系統(tǒng)軟件警報(bào)閥。當(dāng)自然環(huán)境的濃度值超過設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器警報(bào)模塊可以啟動(dòng)警報(bào)。預(yù)防威脅人生命財(cái)產(chǎn)等事故的發(fā)生，為每一位居民和工作人員提供安全保障。該設(shè)計(jì)以STC89C52為核心，實(shí)現(xiàn)了檢測有毒氣體的功能。此次設(shè)計(jì)的有毒報(bào)警器通過仿真測試檢驗(yàn)了理論設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)指標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果的結(jié)論。該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可靠性高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用方便，具有一定的使用價(jià)值。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；模數(shù)轉(zhuǎn)換；空氣質(zhì)量；閾值報(bào)警DesignoftoxicgasdetectionandalarmsystemAbstractWhether

it

is

natural

gas,oil

and

other

enterprises,or

in

the

department

store,residential,once

the

leakage

of

flammable,explosive

and

toxic

gas

and

did

not

take

corresponding

protective

measures

in

the

first

time,it

will

cause

great

harm

to

the

safety

of

people

and

property.It

is

particularly

important

to

detect

toxic

gases

in

advance

and

to

take

effective

measures

before

they

have

been

leaked

and

expanded.Inthisdesign,thesingle-chipmicrocomputerbasedairindexmonitoringsystemtakestheconcentrationofharmfulgasintheenvironmentastheresearchobject,usesvarioussensorstocollecttheairindexstatusintheairinrealtime,andthenconvertsthecollectedanalogsignalintodigitalsignal,andthensendsittoMCUforaccuratecalculation.TheLCD1602displaydisplaysthecurrentairindextolueneandformaldehydelevelsandindicatespresetalarmthresholds.Functionkeytosetsystemsoftwarealarmvalve.Whentheconcentrationofnaturalenvironmentexceedsthesetvalue,thebuzzeralarmmodulecanstartthealarm.Preventtheoccurrenceofaccidentsthreateningpeople'slifeandproperty,andprovidesafetyguaranteeforeveryresidentandstaff.ThedesigntakesSTC89C52asthecoreandisprogrammedwithkeiltorealizethefunctionofdetectingtoxicgas.Thetoxicalarmdesignedthistimecaneffectivelydetectthetoxicgaswithinitsmeasurablerangeandachievethesoundandlightalarmeffect.Throughthesimulationtest,variousindexesinthetheoreticaldesignaretestedandtheexpecteddesigneffectisachieved.Thesystemhastheadvantagesoffastresponse,highreliability,stablestructureandconvenientuse.Keywords:Singlechipmicrocomputer;analog-to-digitalconversion;airquality;thresholdalarm目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 頁緒論課題背景意義隨著城市有毒、我國天然氣行業(yè)和化工行業(yè)的快速發(fā)展，各種易燃、易爆的毒物的使用和使用范圍日益擴(kuò)大。隨著人們對(duì)安全生產(chǎn)的重視，以及生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，在這些方面都得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)是一種用于防止在生產(chǎn)和使用中易燃、有毒物質(zhì)泄漏的報(bào)警裝置。要想提前防范此類事故，就必須在工地上設(shè)置一套能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患的制度，從而盡早采取有效的措施，保證企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境和人民的生命和財(cái)產(chǎn)的安全。所以，如何對(duì)有毒氣體進(jìn)行檢測，開發(fā)有毒氣體的報(bào)警，是目前傳感器技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)主要問題。人們通常將90%以上的時(shí)間花在室內(nèi)環(huán)境中，因此室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)人體健康具有決定性的影響。在許多情況下，室內(nèi)空氣質(zhì)量與人們定義的健康空氣質(zhì)量指數(shù)存在很大的差異。室內(nèi)空氣質(zhì)量影響著世界上最脆弱的最貧困人群，如果不及時(shí)處理這些污染物，會(huì)讓人們感染一些傳染性疾病，從而造成嚴(yán)重的世界健康問題。經(jīng)常會(huì)有一些有毒刺激性氣體在生產(chǎn)過程中放出。這些氣體多具有腐蝕性，有些還會(huì)損害工作人員的肝肺，腎臟，造成不可逆轉(zhuǎn)的危害。一些易溶于水的有毒氣體如二氧化硫，與水蒸氣接觸以后很容易損害到人的皮膚，眼睛，口腔等重要部位。有一些氣體則會(huì)破壞人們的身體結(jié)構(gòu)，如氮氧化物。研究表明，人在不小心吸入二氧化氮后，肺部的細(xì)胞會(huì)被迅速破壞，引起肺部疾病。而在家中，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞也會(huì)也會(huì)影響人身體健康。許多科學(xué)家已經(jīng)陳述了室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的好壞會(huì)對(duì)人們的身體健康造成印象，會(huì)使人產(chǎn)生各種的癥狀。例如，造成皮膚干燥或者瘙癢；呼吸道感染，造成干咳或者哮喘，眼部瘙癢癥。此外，軍團(tuán)病、外源性過敏性肺泡炎、哮喘和特應(yīng)性皮炎也可能與室內(nèi)壞境質(zhì)量有關(guān)。因此人們可以使用實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，并采取相應(yīng)的處理措施，防止事故的發(fā)生。通過設(shè)定最大濃度的有害氣體，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。通過對(duì)室內(nèi)和工作環(huán)境中的有毒氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)可以了解到諸如危險(xiǎn)氣體泄漏之類的事故。該系統(tǒng)的基本思想可以用于其它無線監(jiān)測、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。當(dāng)環(huán)境滿足一定的條件時(shí)，可燃?xì)怏w的燃燒和爆炸就會(huì)產(chǎn)生，當(dāng)環(huán)境滿足一定的條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生可燃?xì)怏w的爆炸。其中，火災(zāi)、氧是三大因素中不可控制的，而對(duì)可燃?xì)怏w濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測可以達(dá)到報(bào)警的目的。如何準(zhǔn)確、具體地分析各種易燃易爆氣體的濃度，是該課題的重點(diǎn)和重點(diǎn)。國內(nèi)外現(xiàn)狀為了控制工作環(huán)境污染對(duì)生產(chǎn)者的有害影響，利用最新技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。近年來，隨著電力電子工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、計(jì)算機(jī)工業(yè)的迅速發(fā)展，各種控制器芯片的設(shè)備技術(shù)水平越來越高，運(yùn)算速度越來越快更快。各種各樣符合大眾要求的控制芯片和半導(dǎo)體器件也變得越來越集成化、模塊化。在這樣的技術(shù)支持下，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測裝置的檢測精度和技術(shù)水平也越來越高，功能也越來越完善，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測裝置向著高效率、高精度、低功耗的方向發(fā)展。由于各類設(shè)備層出不窮，在市場經(jīng)濟(jì)條件下，設(shè)備的質(zhì)量和功能逐步提高。最近幾年，傳感器的發(fā)展，使得通過傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)很多數(shù)據(jù)可以進(jìn)行采樣、然后分析。故傳感器被稱為連接物理世界和數(shù)據(jù)世界的橋梁。由于數(shù)字芯片的快速發(fā)展，許多企業(yè)如高通公司和三星公司已經(jīng)能夠在14nm的寬度范圍內(nèi)生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片。這項(xiàng)技術(shù)使傳感器技術(shù)有了飛躍。更精確和緊湊的傳感器已經(jīng)進(jìn)入市場，氣體檢測設(shè)備也變得越來越小，使室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測裝置更加方便攜帶。其中帶有數(shù)模芯片的電化學(xué)傳感器的優(yōu)勢更加明顯。目前，很多國家都是開始使用電化學(xué)傳感器為基礎(chǔ)的甲醛分析儀來檢測室內(nèi)氣體質(zhì)量。杜米特雷斯庫與帕納伊泰斯庫提出一種室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測通用裝置。該裝置配備多種傳感器。氣體傳感器：用于空氣質(zhì)量突圍的數(shù)字氣體傳感器；組合溫度和氣壓傳感器：適用于氣體泄漏檢測空氣質(zhì)量監(jiān)測的傳感器裝置。其裝置獲得的結(jié)果有；各監(jiān)測單元的個(gè)體值、數(shù)據(jù)的局部和在線可視化、超值報(bào)警、在線訪問數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。N.Salman,AndrewH.Kemp,A.Khan,C.J.Noakes介紹了一些無線連接的傳感器單元的開發(fā)和實(shí)施，以實(shí)時(shí)可視化和記錄測量數(shù)據(jù)監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)。這是通過利用測量二氧化碳(CO2)、溫度和濕度的紅外傳感器技術(shù)、低功率無線網(wǎng)絡(luò)和用于空間預(yù)測的地理統(tǒng)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)的。ThangVietTran,NamTrungDang,Wan-YoungChung提出一種新型無電池傳感器模塊，該傳感器可以用來檢測空氣中的一些有機(jī)化合物的濃度，還可以測量環(huán)境的溫濕度等。目前國內(nèi)已有許多企業(yè)生產(chǎn)了室內(nèi)氣體檢測設(shè)備，但在設(shè)備質(zhì)量上與國外產(chǎn)品仍有一定差距。隨著人們對(duì)健康需求的不斷提高，國內(nèi)研究人員對(duì)工作環(huán)境內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，如以STC12為氣味檢測儀的控制核心，同時(shí)監(jiān)測廠房內(nèi)各種有害氣體，填補(bǔ)了國內(nèi)各種氣體檢測的空白，該檢測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)靈敏度高，對(duì)有害氣體濃度的測量更為準(zhǔn)確，但是改設(shè)計(jì)沒有增加相應(yīng)的處理措施，這在一定程度上說明了該裝置應(yīng)用的局限性。世界各地的研究人員設(shè)計(jì)并開發(fā)了室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以提供對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量水平的實(shí)時(shí)更新。主要研究內(nèi)容本文的研究內(nèi)容是：針對(duì)工廠、住宅、廚房等關(guān)鍵區(qū)域的易燃、爆炸、有毒氣體的泄漏進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程檢測。對(duì)有毒氣體的檢測，聲光報(bào)警，泄漏氣體種類的顯示。具體的功能包括：(1)設(shè)計(jì)整體方案,分析有毒檢測報(bào)警器的構(gòu)造和價(jià)值;(2)毒氣監(jiān)控傳感器的選用，毒氣監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)；(3)進(jìn)行系統(tǒng)方案及電路組部件,元器件的選擇;(4)設(shè)計(jì)警報(bào)和氣體類型顯示系統(tǒng),根據(jù)其功能進(jìn)行電路設(shè)計(jì);(5)設(shè)計(jì)簡易報(bào)警系統(tǒng),并對(duì)簡易報(bào)警電路進(jìn)行仿真測試;(6)做出最終結(jié)論。有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方案選擇總設(shè)計(jì)思路本論文所研究的有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)能夠及時(shí)將當(dāng)時(shí)所處環(huán)境下的有毒氣體的濃度及時(shí)檢測出來并立馬報(bào)警顯示。該設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為主要的控制核心。通過傳感器實(shí)時(shí)收集空氣中的空氣指數(shù)狀態(tài)，并將收集到的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。LCD1602顯示屏顯示當(dāng)前的空氣指數(shù)甲苯和甲醛含量以及預(yù)設(shè)的警報(bào)閾值。功能鍵可以設(shè)置系統(tǒng)軟件警報(bào)閾值。當(dāng)自然環(huán)境的濃度值超過設(shè)定值時(shí)，可以使用蜂鳴器警報(bào)模塊。接下來，將討論該設(shè)計(jì)所需要的元器件的選型以及它的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)本次設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，做出總體設(shè)計(jì)方案內(nèi)容以及系統(tǒng)框圖如下圖2.1所示：圖2.1總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)框圖系統(tǒng)整體方案及選擇整體方案本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為核心控制器和其他模塊構(gòu)成一個(gè)完整的空氣檢測系統(tǒng)，包括中央控制、輸入和輸出。（1）本設(shè)計(jì)的控制器需要使用低功耗，高性能的STC89C52單片機(jī)，作為這個(gè)系統(tǒng)的核心，它的主要功能是通過RXD串行輸入端采集輸入的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部的處理，對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制。（2）輸入的部分：第一部分為氣體濃度檢測模塊，采用傳感器進(jìn)行氣體濃度測量，并對(duì)其進(jìn)行了測試；第二部分是通過建立一個(gè)可以實(shí)時(shí)測量空氣中有害氣體濃度的模塊，在此，最佳的選擇便是，利用MQ-135傳感器和ADC0832組成測量模塊。第三部分是獨(dú)立按鍵，設(shè)置一個(gè)加建，一個(gè)減健，一個(gè)設(shè)置鍵，通過設(shè)置鍵來使屏幕顯示氣體預(yù)設(shè)值的界面，用另外兩個(gè)鍵來設(shè)置甲醛值的最大值、甲苯值的最大值；第四部分是供電電路，在工作人員上班的時(shí)候源源不斷的為有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)提供電能。輸出部分：第一部分為LCD1602，它能實(shí)時(shí)顯示目前的甲醛含量和甲苯值、設(shè)置的甲醛最大值和甲苯最大值；第二部分為繼電器控制風(fēng)扇，在測量到的氣體濃度超過設(shè)定的最大時(shí)，開始進(jìn)行通風(fēng)程序；第三部分是凈化器，當(dāng)測得的氣體濃度達(dá)到了可以使聲光報(bào)警器運(yùn)行的程度時(shí)，繼電器閉合，開始進(jìn)行凈化空氣；第四部分是蜂鳴器，當(dāng)系統(tǒng)檢測到有毒氣體的濃度達(dá)到了設(shè)置的最大值時(shí)，蜂鳴器便立馬開始發(fā)出警告聲。第五部分LED在測得的氣體濃度大于設(shè)置最大值時(shí)，配合蜂鳴器進(jìn)行間斷聲光報(bào)警。微控制芯片的選擇相對(duì)而言，單芯片設(shè)計(jì)被認(rèn)為是最佳選擇。單片機(jī)體積小，功能強(qiáng)大。在很多設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用的單片機(jī)主要是STM32F103C8T6和STC89C52。但是，根據(jù)銷售市場中集成IC的使用情況和調(diào)整的實(shí)用性來比較這兩個(gè)單片機(jī)。STM32系列產(chǎn)品的微控制器設(shè)計(jì)，無論是在開發(fā)軟件的整個(gè)過程中還是在硬件配置的整個(gè)調(diào)整過程中，都有許多方案在各大網(wǎng)站論壇包括官方提供的資源。換句話說，對(duì)于那些已經(jīng)使用過的人來說，新手要熟練地開始學(xué)習(xí)還是比較困難的。而STC89C52是目前被用的最多的單片機(jī)，該款單片機(jī)也是大學(xué)接觸比較多的單片機(jī)，運(yùn)用起來會(huì)更加的熟練，并且在規(guī)劃方案的速度和可靠性方面，與規(guī)劃方案具有自己的穩(wěn)定性。就此而言，兩者都是最佳選擇。這次使用的I/O端口很少，并且STC89C52具有32個(gè)可編程I/O口，單片機(jī)引腳，2個(gè)定時(shí)器和2個(gè)外部中斷端口來復(fù)用多個(gè)通道，盡管這種單片機(jī)設(shè)計(jì)只有一個(gè)用于通信的串行端口，這次使用的電子設(shè)備（即外部現(xiàn)場組件）不用于串行端口通信。本次串行總線接口用于下載端口應(yīng)用程序。因此，通常，將STC89C52微控制器設(shè)計(jì)用作設(shè)計(jì)的主要集成IC應(yīng)用程序。電源方案的選擇開關(guān)電源計(jì)劃的選擇與所有系統(tǒng)軟件的可靠性直接相關(guān)。方案二：選擇12V插入式開關(guān)電源，再加上用于降低電壓的集成IC的開關(guān)電源，使得最后得到此次需要的穩(wěn)定的5V電源，而且從下圖可以發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)方案相對(duì)簡單，但是該設(shè)計(jì)現(xiàn)在主要面臨一個(gè)不好解決的問題，就是該電源的設(shè)計(jì)存在散熱的問題，這個(gè)問題可能會(huì)使得該設(shè)備的功能受到很多的影響，造成最后的成品效果達(dá)不到之前的設(shè)計(jì)預(yù)期。圖2.2LM7805穩(wěn)壓電路原理圖方案二：使用5V開關(guān)電源直接驅(qū)動(dòng)?？梢赃x擇一個(gè)電源適配器來提供穩(wěn)定的5V。然后再在開關(guān)接口上接點(diǎn)解電容，如下圖所示的接法，該目的是濾除那些有干擾的波形和沒有用的波形。使得最后的電路的穩(wěn)定性可以更好。故選擇方案二電路原理圖如圖2-2所示。圖2.3電源電路原理圖數(shù)模轉(zhuǎn)換方案的選擇1.選擇ADC0809可變模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路。該系統(tǒng)需要一個(gè)可以根據(jù)具體的地址選通安全通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在這個(gè)過程中，該轉(zhuǎn)換器可以將信號(hào)存在解碼器中，待其選通詳細(xì)地址的安全通道之后，就可以進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換。為此，在這里最合適最能保證程序不出錯(cuò)的就只ADC0809。有單片機(jī)設(shè)計(jì)中的IO端口太多，并且在此階段，僅在單芯片的入門級(jí)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中有八個(gè)安全通道。效果非常強(qiáng)大，但是本設(shè)計(jì)只需要一個(gè)測試通道，而且價(jià)格相對(duì)昂貴，不適合大規(guī)模使用。2.選擇ADC0832可變數(shù)模轉(zhuǎn)換集成電路，ADC0832是雙通道存儲(chǔ)器8位屏幕分辨率A/D轉(zhuǎn)換集成電路。封裝為DIP-8或SOC-8便于電焊和調(diào)整。該芯片需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短，必要的時(shí)候，它的最快轉(zhuǎn)化時(shí)間可以達(dá)到32μS。另外，它與MCU設(shè)計(jì)插座之間只有四條線，這大大減少了MCU設(shè)計(jì)的IO端口的消耗。而且，在該設(shè)計(jì)方案中，ADC0832位移系數(shù)轉(zhuǎn)換集成IC充分實(shí)現(xiàn)了各種特性。因此本設(shè)計(jì)方案選擇此方案。本章小結(jié)本章著重介紹了該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的各部分進(jìn)行了方案的選??；從本章所提供的整體設(shè)計(jì)方框圖中，可以清楚地看到本項(xiàng)目所涉及的有毒警報(bào)系統(tǒng)的工作過程和工作原理。有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主控模塊的設(shè)計(jì)主控模塊的關(guān)鍵是由單片機(jī)，紅外對(duì)管傳感器，ISD1820視頻和語音控制模塊，激光對(duì)管設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)。單片機(jī)設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)是單片機(jī)設(shè)計(jì)正常工作并充分發(fā)揮其作用所必需的部件。對(duì)于用51系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)的微控制器，最小系統(tǒng)應(yīng)包括一下這幾個(gè)電路。晶振相當(dāng)于系統(tǒng)的“心臟”，控制著整個(gè)系統(tǒng)的頻率。在微控制器設(shè)計(jì)中，復(fù)位電路是必須存在的電路。一般來說，復(fù)位電路可以讓系統(tǒng)回到一切開始前的狀態(tài)，因?yàn)樵陔娐愤\(yùn)行過程中，免不了會(huì)出現(xiàn)程序錯(cuò)誤的情況，故在單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件中，復(fù)位電路非常重要。當(dāng)程序流結(jié)束（異常運(yùn)行）或卡?。ㄍＶ惯\(yùn)行）時(shí)，必須進(jìn)行校準(zhǔn)。就像復(fù)位電路一樣，晶體振蕩器電路也特別重要。晶體振蕩器電路就像所有設(shè)備的心血管系統(tǒng)一樣，控制著MCU設(shè)計(jì)的節(jié)奏。圖3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)該STC89C52RC具備很多的優(yōu)點(diǎn)：比如高速運(yùn)行，損耗特別低，而且具備很強(qiáng)的抗干擾能力。該命令代碼與傳統(tǒng)的8051MCU設(shè)計(jì)完全兼容。單片機(jī)設(shè)計(jì)為DIP-40在線集成式IC，有四組I/O端口P0，P1，P2，P3，每條I/O線均可單獨(dú)輸出或鍵控。圖3.2STC89C52引腳圖復(fù)位和晶振模塊的設(shè)計(jì)晶體振蕩電路主要有內(nèi)、外兩種方式。時(shí)鐘電路是一種為微處理器提供節(jié)拍的振蕩器。所以，單片機(jī)的工作需要采用時(shí)鐘的方式。本設(shè)計(jì)采用了內(nèi)置的數(shù)字時(shí)鐘模式供電。該時(shí)鐘電路的主要部件是一個(gè)振子，它包括一個(gè)晶振和一個(gè)電容。單片機(jī)內(nèi)部裝有逆變器，效率高。這樣，由放大器構(gòu)成的振蕩電路和時(shí)鐘電路構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式。復(fù)位電路可以在有電能供應(yīng)的情況下自己校準(zhǔn)，這極大的提升了改系統(tǒng)的便利性。而且該電路還可以通過電阻器和開關(guān)電源電容器對(duì)RST端子進(jìn)行短路故障充電和放電。在該設(shè)計(jì)中，使用功能鍵脈沖信號(hào)復(fù)位電路。按下鍵后，立即將5V電壓加到RST上，以制作一個(gè)上拉電阻來進(jìn)行校準(zhǔn)。釋放功能按鈕后，開關(guān)電源逐漸為功率電容器電池充電。此時(shí)，電流流經(jīng)電阻，并產(chǎn)生上拉電阻并將其發(fā)送到RST，這仍然是“校準(zhǔn)情況”。電池充電后，電流降為0，電阻降為0。設(shè)備的工作電壓也為0，RST降為低頻，一切正常工作。圖3.3復(fù)位、晶振電路原理圖ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊的設(shè)計(jì)ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，是目前數(shù)模轉(zhuǎn)換相當(dāng)好的一款，擁有很多的優(yōu)點(diǎn):比如它的最大辨別度可以高達(dá)256級(jí)；雙通道內(nèi)存A/D轉(zhuǎn)換；I/O脈沖信號(hào)與TTL/CMOS兼容；5V開關(guān)電源系統(tǒng)，輸入工作電壓在0-5V中間；一一般功能損耗僅15mW;它被包裝為diP-8或SOC-8。商用級(jí)集成電路的溫度范圍為0-70℃，工業(yè)生產(chǎn)級(jí)集成電路的溫度范圍為-40-85℃，可以集成到大部分地方。另外，它與MCU設(shè)計(jì)插座之間只有四條線，這大大減少了MCU設(shè)計(jì)的IO端口的消耗。圖3.4ADC0832原理圖液晶屏顯示模塊的設(shè)計(jì)MCU設(shè)計(jì)將二維陣列推入LCD以完成指示要求，這不能真正反映LCD的優(yōu)勢展示。因此，在本設(shè)計(jì)中，選擇了帶有內(nèi)置子庫的LCD顯示模式。傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示設(shè)備有自燃的風(fēng)險(xiǎn)，時(shí)間久了以后，由于線路的老化，發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的幾率便會(huì)提高。而與之相對(duì)應(yīng)的LCD，內(nèi)容轉(zhuǎn)換方便，自帶光耦電路，一些復(fù)雜的內(nèi)容轉(zhuǎn)換也可以應(yīng)對(duì)。最重要的是，LCD1602有著LED不可比擬的顯示功能，可顯示2行共32個(gè)字符。其引腳圖和模塊有原理圖如下圖所示：圖3.5LCD1602引腳圖圖3.6LCD1602模塊原理圖甲苯檢測模塊的設(shè)計(jì)MQ135型氣體傳感器的簡介MQ135型氣敏度傳感器的主要功能就是檢測空氣中的苯蒸汽，由于該氣體傳感器的主要材料比較特殊，在碰到這些特定氣體時(shí)，該傳感器就會(huì)發(fā)生較大的物理變化。這種材料就是二氧化錫（SnO2）。故二氧化錫就成為了制作傳感器的必要材料。圖3.7MQ135型氣體傳感器實(shí)物圖MQ135型氣體傳感器基本測試回路下面的圖3-3為MQ135型傳感器的主要檢測線路。這種傳感器要求提供兩種電壓：VH和VC。在此，加熱器電壓被用來為所述傳感器提供一個(gè)具體的操作溫度。然后，試驗(yàn)電壓為測量負(fù)載電阻器（RL）上的VRL，所述RL與所述傳感器串聯(lián)。該傳感器的極性較小，需要供電。在滿足感應(yīng)去電特性的條件下，VC與VH可以共用一個(gè)供電線路。為了充分發(fā)揮傳感器的效能，必須選用合適的RL。圖3.8MQ135傳感器的基本測試電路電路原理圖當(dāng)環(huán)境中有污染氣體時(shí)，以二氧化錫為主要材料的傳感器就會(huì)無比的適合這個(gè)電路。二氧化錫在遇到甲苯時(shí)，它的電導(dǎo)率會(huì)變化的非?？?。根據(jù)這一原理，設(shè)計(jì)出的模塊的原理圖如圖3-9所示。電導(dǎo)率的變化這一信號(hào)會(huì)被該模塊進(jìn)行改變，為了單片機(jī)可以更好的接受，該信號(hào)會(huì)被轉(zhuǎn)化成為與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。圖3.9甲苯模塊原理圖甲醛檢測模塊的設(shè)計(jì)MS1100型傳感器的簡介MS1100是是一款高精度，持續(xù)轉(zhuǎn)換的自校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作電壓2.7V-5.5V工作電流0.3mA封裝是SOT23-6以及I2C接口，MS1100具有15,30,60,240SPS的能力，并配有可編程的增益放大器，使其具有8倍的增益，并能在一定的精度下實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的檢測。在單次切換模式下，MS1100在完成切換后會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，從而降低了空閑時(shí)的功率消耗。MS1100適用于對(duì)空間和功耗有一定要求的高精度測試，例如：手持儀器，工業(yè)過程控制，智能傳輸機(jī)等。圖3.10MS1100型氣體傳感器實(shí)物圖MS1100的部分性能：小尺寸封裝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I2C接口片上基準(zhǔn)：2.048V±0.5%,溫度漂移：33uV/℃內(nèi)部集成PGA：1到8倍內(nèi)部集成振蕩器16位無失碼精度INL(積分非線性誤差)：0.01%8個(gè)可用I2C地址可編程輸出速率：15SPS到240SPS工作電壓范圍：2.7V到5.5V低電源功耗：315uA注意事項(xiàng)MS1100采用小型低電壓工藝制造，其特征是二極管對(duì)供電提供保護(hù)。但是，在某些情況下，二極管的電流容量是有限的。另外，若將模擬輸入電壓保持在300mV以上，將會(huì)對(duì)MS1100產(chǎn)生永久損壞，一種預(yù)防過電壓的辦法就是在輸入端設(shè)置一個(gè)電流限制，MS1100的模擬輸入端可以承受最大10毫安的電流。在I2C接口中，無論電源電壓是多少，其輸出電壓均為6V。若MS1100是由運(yùn)行放大器驅(qū)動(dòng)的，并且在諸如12V的寬供電電壓下，則應(yīng)當(dāng)設(shè)置保護(hù)功能，即使運(yùn)放已被配置為不超過輸出電壓的范圍。在加電的時(shí)候，一般在輸入穩(wěn)定前，大部分的運(yùn)動(dòng)都會(huì)立刻尋找可能損壞MS1100的電源。有時(shí)這種損壞也會(huì)加劇，并且會(huì)造成較慢的長期失效，這種失效對(duì)低維修系統(tǒng)造成的傷害更大。如果使用者在MS1100中使用了運(yùn)放或其他前端電路，那么必須要注意線路的性能，因?yàn)樗鼈兊倪B接強(qiáng)度是由它們最薄弱的連接來決定的。圖3.11MS1100的管腳排列甲醛檢測模塊電路原理圖VOC是一種揮發(fā)性有機(jī)化合物volatileorganiccompounds的英文簡稱。當(dāng)MS1100與VOC氣體接觸時(shí)，MS1100上的貴金屬氧化為就會(huì)在其電阻值上發(fā)生變化，這里注意，此變化為物理變化。傳感器中的發(fā)熱絲也隨著VOC濃度發(fā)生變化，而甲醛就是一中揮發(fā)性有機(jī)化合物。圖3.12甲醛檢測模塊原理圖蜂鳴報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)在有毒氣體泄露這一事故發(fā)生的時(shí)候，除了顯示屏要顯示氣體的濃度和種類，還要及時(shí)的發(fā)出聲光報(bào)警來提醒工作人員。有源式蜂鳴器自身內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路，提供相應(yīng)的電壓就可發(fā)出聲響。但有源式蜂鳴器發(fā)聲的電壓很高，要是交流信號(hào)的電壓和頻率都比較低，就會(huì)影響到系統(tǒng)的效率，故在此放棄有源式蜂鳴器而選用壓電式蜂鳴器來作為這一模塊的蜂鳴器。該元器件可以利用陶瓷晶體在變形時(shí)表面產(chǎn)生的征服電荷來帶使金屬片產(chǎn)生震動(dòng)而發(fā)出聲響，且對(duì)交流信號(hào)的電壓和頻率的要求都不高。氣體傳感器檢測到信號(hào)以后，會(huì)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳送到單片機(jī)中進(jìn)行分析。當(dāng)氣體濃度超出了系統(tǒng)設(shè)置的預(yù)設(shè)值時(shí)，便會(huì)使蜂鳴器發(fā)出出警報(bào)。這時(shí)，在現(xiàn)場的工作人員或者值班人員聽到并及時(shí)的采取相關(guān)的處理手段，就可以防止事故進(jìn)一步變大。圖3.13蜂鳴器報(bào)警電路設(shè)計(jì)本章小結(jié)本章闡述了有毒氣體檢測系統(tǒng)元器件的選項(xiàng)。電路原理的整體分析及有毒檢測報(bào)警系統(tǒng)的各個(gè)模塊，如甲苯和甲醛檢測模塊，液晶顯示模塊，蜂鳴器報(bào)警模塊等，以及所有硬件設(shè)備的介紹和原理結(jié)構(gòu)。有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)編程軟件介紹本設(shè)計(jì)所用到的編程軟件為Keil5，當(dāng)開發(fā)大型軟件時(shí)，Keil5充分展示了高級(jí)語言的優(yōu)勢。Keil5相對(duì)于其它的軟件開發(fā)環(huán)境來說，是最容易理解的，也是最容易使用的。像如今的那些熱門單片機(jī)如AT系列，STC系列，STM系列，Keil5都可以完美的支持它們的開發(fā)。在工作人員用Keil5進(jìn)行編程時(shí)，可以選擇產(chǎn)生的hex檔案。學(xué)過單片機(jī)的都知道，這個(gè)文件對(duì)仿真的重要性。此外，Keil5有三種編譯方法，一種是局部的，一種是完整的，這就給了開發(fā)人員更多的選擇，并且在界面的底部會(huì)有一個(gè)編譯的結(jié)果，供開發(fā)人員查找問題。其界面如圖4-1所示：圖4.1Keil5開發(fā)界面主程序流程設(shè)計(jì)圖4-2顯示了該系統(tǒng)的主要流程。在主程序中，先對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入while主循環(huán)，主循環(huán)中，首先是一個(gè)功能鍵函數(shù)，它由兩個(gè)部分組成，一是調(diào)用鍵掃描功能，可獲得按鍵鍵值，另一個(gè)是根據(jù)鍵值來完成相應(yīng)的操作，例如切換界面、設(shè)置甲醛值、甲苯值；然后進(jìn)行第二個(gè)功能監(jiān)控功能，它主要是利用氣體探測模塊來探測目前的甲醛、甲苯含量；然后是第三個(gè)功能的顯示功能，它根據(jù)不同的顯示標(biāo)記位來顯示不同的界面，其中有主界面上的實(shí)時(shí)的甲醛值和甲苯值的濃度，而其它的界面則顯示最大的甲醛值和最大的甲苯值；接下來進(jìn)行第四個(gè)功能處理，這個(gè)功能主要是判定目前的氣體濃度是否在設(shè)定的最大范圍內(nèi)，如果沒有，就關(guān)閉凈化空氣繼電器，開啟風(fēng)機(jī)，進(jìn)行空氣凈化，如果沒有，則關(guān)閉風(fēng)機(jī)，停止空氣凈化，并停止報(bào)警器；最后，利用延遲功能和計(jì)算公式對(duì)每個(gè)功能進(jìn)行了限定。圖4.2程序總體流程圖按鍵函數(shù)流程設(shè)計(jì)首先，通過鍵盤掃描功能，得到按鍵按下的鍵值，不同的鍵值，就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。若所獲得的關(guān)鍵字?jǐn)?shù)值是1，將執(zhí)行+1的顯示識(shí)別位，并轉(zhuǎn)換接口。當(dāng)所獲得的鍵數(shù)值是3，當(dāng)所述顯示識(shí)別比特是1時(shí)，所述甲醛的最大值為-1；當(dāng)顯示識(shí)別位是2的時(shí)候，最大的甲苯是-1。若所獲得的關(guān)鍵字?jǐn)?shù)值是1，將執(zhí)行+1的顯示識(shí)別位，并轉(zhuǎn)換接口。在圖4-3中顯示了關(guān)鍵功能的子流程。當(dāng)所獲得的鍵數(shù)值是2，當(dāng)所述識(shí)別比特是1時(shí)，所述甲醛的最大值為+1。圖4.3按鍵函數(shù)子流程圖顯示函數(shù)流程設(shè)計(jì)在圖4-4中展示了顯示功能的子流程。不同的顯示接口采用不同的顯示標(biāo)記，在0時(shí)，界面是0，代表目前的甲醛值和甲基苯值；在顯示標(biāo)記比特是1時(shí)，界面設(shè)為1，并將最大的甲醛顯示出來；在顯示標(biāo)記比特是2時(shí)，將甲苯最大設(shè)置作為界面2進(jìn)行顯示。 圖4.4顯示函數(shù)子流程圖處理函數(shù)流程設(shè)計(jì)處理函數(shù)子流程如下圖4-5所示，首先判斷當(dāng)前顯示標(biāo)志位是否為0，若為0，則先判斷當(dāng)前氣體濃度，若當(dāng)前環(huán)境下甲醛或甲苯的氣體濃度大于設(shè)置最大值，則凈化器打開，風(fēng)扇工作，聲光報(bào)警；若當(dāng)前甲醛和甲苯的氣體濃度小于設(shè)置最大值，則立馬關(guān)閉凈化器，停止風(fēng)扇的運(yùn)行，并關(guān)閉聲光報(bào)警。圖4.5處理函數(shù)子流程圖有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)的仿真調(diào)試Proteus的簡介計(jì)與仿真軟件平臺(tái)Proteus是由英國LABCENTER公司研發(fā)的，是全球最優(yōu)秀的，最完善的嵌套式系統(tǒng)。這一系統(tǒng)是一種可視化的并且支持多種型號(hào)的單片機(jī)如51，PIC,AVR等并且支持當(dāng)今先進(jìn)的單片機(jī)開發(fā)環(huán)境如Keil，MPLAB和IAR。仿真調(diào)試仿真總體設(shè)計(jì)如下圖5-1所示為仿真總體設(shè)計(jì)，其中包括單片機(jī)的最小系統(tǒng)，LCD1602顯示屏、氣體濃度檢測模塊、獨(dú)立按鍵調(diào)整、蜂鳴器報(bào)警、LED指示燈、繼電器（凈化空氣）、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇模塊。其中，三個(gè)獨(dú)立按鍵，設(shè)置鍵用于切換界面，加減鍵用于設(shè)置甲醛值和甲本值的最大值；MS1100芯片主要獲取甲醛值，MQ-135芯片主要獲取甲苯值，但在proteus7.8仿真軟件中沒有任何芯片可以用來檢測氣體的濃度，所以本次仿真設(shè)計(jì)通過電位器和ADC0832將采集到的電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模擬氣體濃度的變化；繼電器（空氣凈化）模塊用于模擬凈化空氣；繼電器（通風(fēng)）控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，減小室內(nèi)可燃性氣體的濃度；聲光報(bào)警在氣體濃度大于設(shè)置的最大值時(shí)，報(bào)警提醒。圖5.1仿真總體設(shè)計(jì)氣體濃度檢測仿真測試如圖5-1-2所示，圖中顯示屏顯示的是界面1狀態(tài)下的內(nèi)容，顯示測得的甲醛值和甲苯值。本課題使用MS1100傳感器獲取甲醛值，MQ-135芯片獲取甲本值，但在proteus7.8沒有現(xiàn)成的氣體濃度檢測芯片，所以采用ADC0832芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模擬氣體濃度的變化。另外在界面1狀態(tài)下，可通過按鍵設(shè)置中的加鍵和減鍵來改變繼電器和風(fēng)扇的狀態(tài)，完成模擬凈化空氣。圖5.2氣體濃度檢測測試圖設(shè)置氣體濃度最大值仿真測試如圖5-1-3所示，在界面2狀態(tài)下，顯示屏顯示色設(shè)置的甲醛最大值和甲苯最大值。在界面1向界面2切換時(shí)，可以通過按鍵設(shè)置模塊中的“設(shè)置”鍵來完成。另外，也可以通過“設(shè)置”鍵來完成設(shè)置甲醛最大值向甲苯最大值的跳轉(zhuǎn)。通過“加”鍵和“減”鍵修改“CH2OMax”的值，再次按下“設(shè)置”按鍵，可通過“加”鍵和“減”鍵修改“CH4Max”的值。“CH2OMax”和“CH4_Max”這兩個(gè)值是甲醛最大值和甲苯最大值，當(dāng)測得的氣體濃度大于設(shè)置的最大值，空氣凈化器繼電器閉合，開始進(jìn)行凈化空氣，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，減小可燃性氣體濃度，蜂鳴器間斷報(bào)警，直到室內(nèi)氣體濃度小于設(shè)置的最大值，繼電器打開，停止凈化空氣，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蜂鳴器停止報(bào)警。圖5.3設(shè)置氣體濃度最大值仿真圖全文總結(jié)本文主要闡述了有毒有毒監(jiān)測報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)測試的甲醛和甲苯兩種氣體，該設(shè)計(jì)采用了對(duì)VOC氣體敏感的MS1100傳感器和對(duì)苯系氣體敏感的MQ-135傳感器。這兩種傳感器精準(zhǔn)度高且低功耗，具有很大的應(yīng)用前景。這兩種傳感器在遇到目標(biāo)氣體時(shí)會(huì)使自身產(chǎn)生物理變化，通過使用傳感器將ADC0832的位移系數(shù)轉(zhuǎn)換為IC，將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將其發(fā)送到STC89C51進(jìn)行精確計(jì)算。LCD1602顯示屏顯示當(dāng)前空氣指數(shù)甲苯和甲醛含量，并指示預(yù)設(shè)的警報(bào)閾值。功能鍵可以設(shè)置系統(tǒng)軟件警報(bào)閥。當(dāng)自然環(huán)境的濃度值超過設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器警報(bào)模塊可以啟動(dòng)警報(bào)。通過Protues仿真調(diào)試測試，此次設(shè)計(jì)的有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)對(duì)其可測范圍內(nèi)的有毒氣體如甲苯和甲醛有效探測及達(dá)到聲光報(bào)警效果，通過仿真測試檢驗(yàn)了理論設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)指標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果的結(jié)論。設(shè)計(jì)結(jié)果表明本文闡述的設(shè)計(jì)方案可行。在此次論文的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程之中，通過各樣的工具把