基于单片机的空气质量远程检测系统项目设计方案

1、基于单片机的空气质量远程检测系统项目设计方案1.1关于二氧化硫监测的背景和应用随着现代社会工业的发展， 空气污染致使空气质量的越来越差。空气是人类生产和生活活动中永远都离不开的重要部分，空气质量状况对人们的日常生活和社会发展有着重要的作 用，必然受到人们的高度重视。为了更进一步的解空气环境质量，达到保护、管理和改良环境的目的，就必须有计划地进行空气环境的调查研究和监测，以便得到明确的认识，同时有效地采取措施，控制和减少空气污染。空气污染物中的二氧化硫对人体健康的影响很大。二氧化硫通过呼吸进入气管，对局部组织产生刺激和腐蚀作用，影响呼吸道，诱发支气管等疾病。特别是当它与烟尘等气溶胶共存时，更加重

2、对呼吸道粘膜的损害。二氧化硫对人们的日常生活、工作、娱乐等方面也有不同程度的影响。高浓度二氧化硫中毒主要引起不同程度的呼吸道及眼的刺激症状。轻微时会发生流泪、畏光、咳嗽严重者则可在数小时发生肺水肿而 出现呼吸困难。工业生产中的二氧化硫急性中毒，一般仅见于事故发生时。吸入极高浓度时可立即引起发射性声门痉挛而致窒息死亡。二氧化硫排放导致了严重的酸雨、光化学烟雾等全球环境问题。当空气中的二氧化硫（还有氮氧化物）转换为酸性降水，形成酸雨。它对地理和生态环境 有重大影响，这种影响是直接的和潜在性的。会造成土壤的酸化、 腐蚀各种建筑物材料。目前中国已有62.3%的城市，二氧化硫的过量排放己成为中国酸雨污染

3、的最主要的原因。天然 降水的本底pH直为5.65，一般将pH直小于5.6的降水称为酸雨，形成酸雨的主要物质是二氧 化硫和氮氧化物，而我国酸雨以硫酸为主，当二氧化硫经液相氧化或者气相氧化反应生成， 被降水洗脱降到地面后形成酸雨。酸雨对水生生态系统、农业生态系统、森林生态系统、建筑物和材料以及人体健康等方面均有危害，并己造成了较大的损失。80年代，中国的酸雨主要发生在西南地区，面积约为 170万平方公里，到了 90年代，酸雨污染扩展到华中、华南、 华东、华北和东北等地区，面积已占全国面积的40%二氧化硫及其所形成的酸雨已成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素之一。因此，对周围环境中二氧化硫进行监

4、测是断定二氧化硫污染程度、进行二氧化硫污染治理的必要工作。空气中二氧化硫的浓度经常以每立方米空气中的二氧化硫含量来表示，可以用质量体积33II r6-.9比（mg/m、ug/m）或者气态时的体积比（lppm = l/10 ; lppb = l/10）表示。它们之间 的换算公式为： mg气体摩尔体摩1ppm 1后气体分子量（1.1）3所以对于二氧化硫， 1ppm = 0.35 mg/m 3 。由于环境条件复杂， 随机变化明显， 浓度围较宽， 二氧化硫的浓度值具有极强的时间性 和空间性，受人为和空间环境影响特别大，为了实现监测数据的准确性、精密性和可比性， 以及使监测数据更具权威性和法律性。 加强

5、空气环境监测的质量保证尤为重要。 在国家环保 部的指导下， 环境监测质量保证工作逐步地走向规， 并陆续出台了一系列各种环境监测标准 方法与文件，以及管理规定和制度。如水和废水监测分析方法、 环境空气监测质量保 证手册 。这在制度和方法上对空气环境的监测进行了统一， 体现了环境监测的科学性和严 肃性， 同时对空气环境的质量保证也有了明确的规定。 特别是近期 环境监测质量保证管理 规定、 环境监测人员上岗证管理规定等制度的出台，在很大程度上，一方面规了环境 监测的科学方法， 另一方面又对环境监测人员提出了更高的要求。 逐步实现环境监测质量保 证工作的系统。1.2 二氧化硫监测仪器的现状目前对二氧化

6、硫的监测手段有很多种， 常用的方法有分光光度法， 碘量法， 荧光光度法， 紫外荧光法，离子检谱法，电化学SO2 传感器法。生物（苔藓，蔷薇）法等用于SO2 测量的新技术也在研发过程中。 这几种方法的优缺点如下：分光度法主要基本原理是利用空气中的SO2 被四氯汞钾溶液吸收后， 与甲醛和盐酸副玫瑰苯胺（PRA）反应生成紫红色化合物，其颜色深浅与SQ含量成正比，用分光光度法测定其颜色成分。其优点是灵敏度高，选择性好，易于操作，设备简单等。缺点是使用毒性极大的 四氯汞钾作吸收液 ，不仅对操作人员健康产生影响，而且分析后大量含汞废液往入会造成 环境污染。碘量法的基本原理是利用氨基磺酸铵 - 硫酸铵混合溶

7、液吸收SQ2 是固定污染源排气的SQ2 浓度和 SQ2 排放速率测定的经典方法。其优点是具有测定浓度围宽，所需设备简单，易 操作等特点。荧光光度法是根据奎宁与 SQ反应能够生成荧光物质，利用荧光光度计在 365nm处激发 和 450nm 处测定荧光强度即可计算出SQ2 的浓度。优点是灵敏度高。缺点是易受氧气的干扰。紫外荧光法的基本原理为由光源发射出的紫外光， 通过光源滤光片进入反应室， 样气中 的 SQ2 分子吸收紫外光生成激发态SQ2, 当它回到基态时放射出荧光紫外线 , 其放射荧光强度与 SQ2 浓度成正比 ,通过第二个滤光片 , 用光电倍增管接受荧光紫外线并转化为电信号,经过放大器输出

8、, 即可知道 SQ2 浓度。离子监测法工作原理为待测空气被连续地抽入仪器，经过选择性过滤器，除去干扰物后进入库仑池，库仑池中有三个电极铂丝阳极，铂网阴极和活性炭参比电极，电解液为 0.3mol/L 碱性碘化钾溶液， 若将一恒流电源加于库仑池阴阳极之间， 则电流将从阳极流入， 经阴极和参比电极流出。因参比电极通过负载电阻和阴极连接故阴极电位是参比电极电位和 负载上电压降之和。缺点是不易便携，结构复杂。电化学气体传感器是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过监测电信号的大小得到相应气体的浓度。二氧化硫传感器其优点是：对二氧化硫气体有很高的灵敏度，具有良好的重

9、复性，对二氧化硫气体有很好的选择性，体积小集成化高，易便携。缺点是易受干扰。可用于工业、民用对SQ气体的监测。例如：SQ监测仪，SQ报警仪及实验室用监测报警器等监测含有SQ类气体的场所或需要 SQ2气体浓度数值的产品。生物法主要是利用苔藓等一些对空气二氧化硫敏感的植物，利用其对不同的二氧化硫浓度的变色和变形等特点，对大气的二氧化硫浓度进行大概的监测，其优点是绿色环保，缺点是精度较低，具体标准及实施方法尚在试验阶段。1.3二氧化硫监测系统的总体设计方案本设计的二氧化硫监测仪是采用3SF C.T传感器，传感器与二氧化硫气体反应输出电流信号，经串联电阻转换成电压信号，在经过仪用放大器放大后，传给TL

10、C2543AD转换器，经过AD将模拟信号转换成数字信号，再由单片机将数字信号进行计算，输出浓度值有1602液晶显示屏输出。并由RS232串口经过串口线交给上位机（电脑），电路还有浓度报警装置，上位机也可以通过串口来设定报警值。二氧化硫监测系统的框图如图1.1所示。图1.1二氧化硫监测系统框图在进行设计和制作的过程中，以各模块为单位，来进行电路设计和程序的编写，将各个模块有机的连接在一起，在与上位机连接，形成一个监测系统。第二章 硬件部分设计方案硬件设计概述硬件电路的设计是本课题的一个重点， 硬件电路的设计要考虑到传感器的特性， 放大电 路的放大倍数，共模干扰， AD 转换的基准的稳定性，电源电

11、路的稳定性，单片机端口的特 性等问题。本次电路设计主要包括信号采集电路的设计，点偏激系统的设计， AD 转换器的 电路的设计，串口电路的设计，LCD显示器的电路设计，报警驱动电路的设计以及电源电路的设计。并考虑到其中的一些有关稳定性的问题。2.1 空气质量检测仪系统简介基于STC90C51的智能空气质量监测仪是以空气中有毒有害气体二氧化硫的监测监控为背景， 能够实现对空气中二氧化硫气体的实时采集处理、 显示、报警等功能。 仪器采用锂电 池供电，具有良好的便携性和通用性， 并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单， 有良好的人机 对话界面。同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。本文研究的

12、智能空气品质监测仪是以STC工公司的一款8位超低功耗单片机 STC90C51为控制核心。空气中有害气体通过传感器输出一个与气体浓度相对应的电压信号, 该信号经过 A/D 转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以 便进行显示处理， 温湿传感器直接与单片机相连。 单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶 显示器分别显示出被测空气中二氧化硫气体浓度值。 若被测空气有害气体气体的浓度有超过 国家标准或设定的危险值超出设定围时报警电路对应的发出声光报警信号。2.2 STC90C51 单片机简介随着计算机技术的发展， 单片机因具有集成度高、 体积小、速度快、价格低等特点而在 许

13、多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、 家用电器以及网络技术等方面 得到广泛应用， 从而使这些领域的技术水平、 自动化程度大大提高。 根据上述几方面及本课 题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑 :一是要有较强的抗干扰能力。 由于一般室电子电器产品比较多， 这对单片机的干扰较大， 所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。二是要有较高的性价比。 单片作为整个系统的中央处理器， 承担着整个系统的数据处理 和过程控制， 以及通信等功能。 由于高度的通用性和出色的稳定性， 本系统采用宏晶公司产 的低功耗，高性能 CMOS 8位单片机的STC90C51作为控制器。片含 4k byt

14、es的可系统编程 的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标 准 8051 指令系统及引脚。 它集 Flash 程序存储器既可在线编程 (ISP) 也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。221.输入输出引脚P0端口 P0.0-P0.7 P0 是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置 1 (对端口 写1)时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个TTL。对部Flash程序存储器编程时，接收指令字节；校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据 存储器时，P0

15、 口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间部的上拉电阻起作用。(2) P1端口 P1.0 P1.7 P1是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对部Flash程序存储器编程时，接收低 8位地址信息。(3) P2端口 P2.0 P2.7 P2是一个带有部上拉电阻的 8位双向I/O端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对部Flash程序存储器编程时，接收到高 8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2 口送出高8位地址。而在访问8位地址 的外部数据存储

16、器时其引脚上的容在此期间不会改变。(4) P3端口 P3.0 P3.7是一个带有部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对部Flash程序存储器编程时，接到控制信息。除此之外P3端口还用于一些专门功能， p3端口的引脚功能如表 2.2所示。表2.2 P3端口引脚兼用功能表P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入(RXDP3.1串行通讯输出(TXD)P3.2外部中断0 ( INT0 )P3.3夕卜部中断1 (INT1)P3.4定时器0输入(T0)P3.5定时器1输入(T1)P3.6外部数据存储器写选通WRP3.7外部数据存储器写选通

17、RD2.2.2单片机的最小系统单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/EA=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。Vcc电源端，GND接地端。工作电压为 5V,另有AT89C51工作电压则是2.7-6V,引脚功能样。XTAL1是片振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而XTAL2悬空。部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频。在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时,将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。经过上述介绍，结合一般用的比较多的情况，单片机的外围电路如图2.5所示。2.2.

18、3STC90C51主要性能参数1、与MCS.51产品指令系统完全兼容2、4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器3、1000次擦写周期4、4.0-5.5V的工作电压围5、全境态工作模式：0Hz-33MHz6、三级程序加密锁7、128 X 8字节部 RAM8、32个可编程I /O口线9、2个16位定时器/计数器10、6个中断源11、全双工串行UAR通道12、低功耗空闲和掉电模式13、中断可从空闲模唤醒系统14、看门狗（wDT）及双数据指针15、掉电标识和快速编程特性16、灵活的在线系统编程STC90C5芯片管脚如图2-1。DL2ij-1SASIA 旳 Uax口CLK卄uKi15LED2T

19、lTAU 19noFUK.CMlmPQ2P14P0.3ns1虚P0.4 rorn.vPt 7P0.:K B T.54丄 2.!Kjl5- f r 閃;1PPP图2.5单片机外围电路2.2.4时钟电路模块时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个30pF的瓷片电容组成。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。其电路如图2-2所示：2.2.5复位电路模块复位电路是使单片机的 CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作，除

20、了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位电路以重新启动。本设计采用的是按键复位电路。其电路如图2-3所示：图2-3复位电路模块 2. 3传感器的选用现在传感器的种类有很多种的，大致的分为电阻传感器、电容传感器、电感传感器以及半导体传感器等。 2.3.1气体传感器1.气体传感器基础知识按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：半导体型、电化学型、固体电解质型、接触 燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。(1) 半导体型气体传感器的优缺点半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度 敏感低和电路简单

21、等优点。不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。(2) 半导体传感器需要加热的原因半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。传感器的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。(3) 电化学气体传感器的工作原理电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式， 目前可以监测

22、许多有毒气体和氧气， 后者还能监测血液中的氧浓 度。电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。不足之处是有寿命的限制一般为两年。(4) 半导体传感器和电化学传感器的区别半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用。而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合。(5) 固态电解质气体传感器顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化学之间。选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。(6) 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式

23、气体传感器只能测量可燃气体。又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式， 原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。(7) 光学式气体传感器光学式气体传感器主要包括红外吸收型、 光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型 为主。由于不同气体对红外波吸收程度不同， 通过测量红外吸收波长来监测气体。 目前因为 它的结构关系一般造价颇高。 基于本文的实时要求和性价比等方面的原因，本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器。本设计选用3SF CT传感器，具有极高的灵敏度和稳定性，体积小巧。实物如

24、图2-4，使用时的连接电路如图 2-5。图2-4二氧化硫传感器实物图图2-5传感器接线图2.4二氧化硫传感器对几种二氧化硫监测方法的优缺点的比较，考虑到工作量和可操作性的问题。本次设计所采用的方法是二氧化硫电化学传感器的方法。2.4.1电化学气体传感器检测原理电化学气体传感器是一种新型的传感器技术，它是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过监测电信号的大小得到相应气体的浓 度，常用于测量二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等气体浓度。2.4.2 3SF CT 传感器在本课题中，目前用来测量二氧化硫的电化学传感器有很多种，其中最为著名的是美国的AG罰英国的CITY

25、两家公司，他们的原理基本相同，只是输出信号的大小有所不同，测量 围有所差异，所以我们选用英国City Technology 公司生产的3SF CT电化学传感器来监测二氧化硫的浓度，该传感器是三电极的电化学传感器。3SF CT传感器是一种新型的定电位电解化学气体传感器，它基于伽伐尼电池基本原理， 具有体积较小、重量轻、线性度好、性能稳定等特点。它由浸没在液体电解液中的三个电极 构成，传感器的结构如图 2所示。图2.1传感器结构示意图气体扩散通过障工作电极蓼比电极对电极3SF CT传感器是由三个电极构成，三个电极分别为：T作电极(Sensing Electrode) 、参比电极(Refere ne

26、e Electrode)、对电极(Cou nter Electrode). City Tech no logy公司的电化学毒气传感器(包括3SF CT传感器)是微燃料元件，不必保养而可以保持长期的稳定性。 传感器设计的重点是气体扩散通过障它限制了气体迸入工作电极。电极能对到达它表面的所有目标气体进行反应，并且仍然有储备的电化学活动。这种高活动储备保证CT产品的长使用寿命和温度稳定性。在 设计任何电化学气体传感器时，很重要的一点是，通过气体扩散 通过障碍限制速率，而其它各阶段速率应该有显著的增加。所以，为保证传感器电化学反应的速度，必须使用具有高催化作用的电极材料。所有CT产品具有高度活跃电极，

27、并且给传感器非常高的能量储备，这就保证了传感器的长期稳定性。2.4.3 SF CT传感器的技术说明3SF CT专感器是专门的烟道二氧化硫气体监测用的传感器，传感器的相关技术参数如表2.1所示。表2.1传感器参数正常监测围0-200ppm最大过载浓度5000ppm使用寿命空气中2年输出信号0.100.02A/ppm精度lppm温度围-20 C 50C压力围：空气压力10%响应时间(t90)30秒相对湿度围15% to 90 %非结露标准基线围(纯空气中)相当于0 2ppm最大的零点移动(+20 +40)相当于5ppm长时间的输出漂移2%信号失真/月建议的负载电阻3k输出线性度线性为了使传感器处于

28、“准备工作”的状态，3SF CT专感器供电时，在工作电极与参比电极之间有一短连接(用一导线直接连接起来)。传感器在储藏过程中必须保留此短连接，而且只有当准备使用传感器的时候，才能去掉这个短连接。 在仪器不供电时，如果工作电极和参比电极不再短连接，一旦再次使用，传感器就需要很长的一段“启动时间”。在传感器电路设计中，可以通过一个结型场效应管来实现短连接和断开的功能（继电器功Og）,当电路不供电时，这个结型场效应管可以保持工作电极和参比电极短路。为使传感器正确的工作，3SF CT传感器的对电极和参比电极需要很少量的氧气供应。这些氧气经常是由采样来的气流供应 的，通过空气扩散到传感器的前端，或者通过

29、传感器的周围和后端扩散到传感器的前端（通常几千ppm勺氧气就足够了 ）。如果传感器没有后端氧气供应通路，持续暴露在厌氧性的采样气体中，则传感器就会失灵。 3SF CT专感器一定不能被完全地放入到树脂中或整个地浸入到 厌氧性的气体混合物中。最初校准和再校准的时间间隔长短取决于许多因素， 通常包括传感器的使用温度、 湿度、 压力，被暴露于何种气体，及被暴露于气体的时间长短。但3SFCT专感器能在较长时间提供非常稳定的信号，使用 3SFCT传感器只需要定期校准，如每年一次。如对传感器使用要求极 高或用于安全应用，则校准工作可能相对频繁些。2.4.4 3SF CT 传感器的检测原理所以本文主要介绍如何

30、利用 3SF传感器监测二氧化硫气体含量.3SF专感器采用的是电化 学传感器，该传感器的总反应公式。2SO2 O2 2H 2O 2H 2SO4（2.1 ）反应中有电流流动， 电流的大小由气体的扩散决定， 由菲克斯扩散定律碰缀出极限扩散 电流与气体浓度的关系为：iL （Z F S D）/ C（2.2 ）其中：iL为极限扩散电流；Z为电子转移数；F为法拉第常数； S为气体扩散面积；D为气体扩散系数；为气体扩散层厚度； C 为被测气体浓度在一定工作条件下 Z 、 F 、S、 D 均为常数。则可令：K （Z F S D）/ （2.3 ）于是有：iL K C（2.4 ）即极限扩散电流与被测气体浓度之间成正

31、比 因此，通过被测气体电解时所产生的电流 可推知被测气体的体积分数和质量浓度。3SF三电极传感器用的是无偏操作的外接电路，对于二氧化硫气体在工作电极发生氧化反应的， 该电路输出为正 对于在工作电极发生还原反 应的气体输出为负三电极设计的最大优点在于催化了电化学反应较弱气体的氧化还原反 应。接口说明3、电源引脚传感器的的供电电压为3- 5.5V。传感器上电后，要等待 1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（ VDD GND之间可增加一个100nF的电容，用以去耦 滤波。4、串行接口 （单线双向）DATA用于微处理器与 传感器之间的通讯和同步，采用单总线数据格式， 一次通讯时间4m

32、s左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零操作流程如下：一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据 +8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末 8位。用户MC发送一次开始信号后，传感器从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信 号结束后，传感器发送响应信号， 送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，传感器接收到开始信号

33、触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，传感器不会主动进行温湿度采集，采集数据后转换到低速模式。总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待传感器响应，主机把总线拉低必须大于 18毫秒，保证传感器能检测到起始信号。传感器接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40US后，读取传感器的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可， 总线由上拉电阻拉高。总线为低电平，说明传感器发送响应信号，传感器发送响应信号后，再把总线拉高80us,准备发送数据，每一 bit数据都以50us低电平时隙开始，

34、高电平的长短定了数据位是 0还是1。 格式见下面图示，如果读取响应信号为高电平，则传感器没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一 bit数据传送完毕后，传感器拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。5、测量分辨率测量分辨率分别为 8bit。6、电气特性如表2-3表2-3电气特性参数条件mintypmax单位供电DC355.5V测量0.52.5mA供电电流平均0.21mA待机100150uA采样周期秒1次注：采样周期间隔不得低于1秒钟。7、应用信息7.1工作与贮存条件超出建议的工作围可能导致高达 3%R的临时性漂移信号。返回正常工作条后，传感器会 缓慢地向校准状态恢复。要加速恢复

35、进程/可参阅7.3小节的“恢复处理”。在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。7.2暴露在化学物质中电阻式湿度传感器的感应层会受到化学蒸汽的干扰，化学物质在感应层中的扩散可能导致测量值漂移和灵敏度下降。在一个纯净的环境中，污染物质会缓慢地释放出去。下文所述 的恢复处理将加速实现这一过程。高浓度的化学污染会导致传感器感应层的彻底损坏。7.3恢复处理置于极限工作条件下或化学蒸汽中的传感器，通过如下处理程序，可使其恢复到校准时的状态。在50-60C和 10%RH勺湿度条件下保持2小时（烘干）；随后在20-30C和70%R的 湿度条件下保持5小时以上。7.4温度影响气体的相对湿度，在很大程度

36、上依赖于温度。因此在测量湿度时， 应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将传感器远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。为降低热传导， 传感器与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。7.5光线长时间暴露在太下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。7.6配线注意事项DATA言号线材质量会影响通讯距离和通讯质量，推荐使用高质量屏蔽线。8、封装信息如图2-12 ,彳 卜 2.54mm彳 卜* 2.54mmEE面背面侧面1234 图2-12传感器封装图9、传感器引脚说明见表2-4。表2-4引脚说明P

37、in1234名称VDDDATANCGND注释供电 3 5.5VDC串行数据，单总线空脚，请悬空接地，电源负极本设计采用的为传感器模块，原理图为图2-13 :图2-13传感器模块接线图2.5模数转换电路设计气体传感器出来的信号是模拟信号，而微处理器STC90C51只能处理数字信号，故需要对模拟信号信号进行转换，将其转换为处理器能识别的数字信号，由于测试电路出来的模拟电压变化围在05V,故选择性价比比较合适的 ADC0809进行模数转换。其管脚定义如图2-14 所示。9To-TTTI14LN3LN4LtNlJNJ.5LNO1N6ALTM7BST4、ECGAT.TT8157OFCI.KVUQn 1V

38、JVEF-hDOONT? VIWF-Ul图2-14 ADC0809管脚示意图ADC0809各脚功能如表2-5表2-5 ADC0809各脚功能引脚功能介绍D7-D08位数字量输出引脚IN0-IN78位模拟量输入引脚VCC+5V工作电压REF( +)参考电压正端REF(-)参考电压负端STARTA/D转换启动信号输入端ALE地址锁存允许信号输入端EOC转换纟口束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换纟口束时为高电平OE输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK时钟信号输入端（一般为500KHZ）。A B、C地址输入线ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压围是0 5V,若信号太小

39、，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快， 则需在输入前增加采样保持电路。ADC0809的时序接口为51系列单片机的标准总线接口，操作方便，如同对存 储器或I/O操作一样，A/D转换精度为8比特，满足本课题要求。输入的模拟电压为05V,一次A/D转换时间为100卩S。ADC0809与单片机及VOC专感器的接线方式如图 2-15 :2EJ.E:图2-15 ADC0809接线原理图2.6声光报警电路设计为了使本系统对室空气品质的监测更为直观，采用了如图2-16由2个发光二极管和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。 其中VOC气体含量超标时双灯闪烁蜂鸣器报警， 温度超标时

40、D1灯亮蜂鸣器报警，湿度超标时 D2灯亮蜂鸣器报警。图2-16声光报警电路2.7液晶显示模块设计本课题所要显示的数据选用 2行16个字符的LCD1602作为显示模块，满足显示要求。 液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单 片机应用设计中最常用的信息显示器件了。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD,目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以太阳人电子的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图2-17 :图2-17 1602字符型液晶显示器实物图2.7.1 LCD16

41、02的基本参数及引脚功能1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD4478Q带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图2-18所示：图2-18 1602LCD尺寸图1602LCD主要技术参数：显示容量：16x2个字符芯片工作电压：4.5V 5.5V工作电流：2.0Ma（ 5V）模块儿最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.95 X 4.35（WX H）mm引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（有背光）接口，各引脚说明如表 2-6所示:表2-6 1602引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源

42、正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接+5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对 比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：PS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS

43、为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，夜景模块执行命令。第714脚：D0D7为八位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。2.7.2 LCD1602的指令说明及时序1602液晶模块部的控制器共有 11条控制指令，如表 2-7所示：表2-7控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001

44、DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01 BF计数器地址10写数到CGRA威DDRAM要写的数据容11从 CGRAI或 DDRAM读数读岀的数据容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。(说明：1为高电平、0为低电平)指令1:清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H位置。指令2:光标复位，光标返回到地址00H。指令3:光标和显示模式设置 I/D :光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4:显示开关控制。D:控制整

45、体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C :控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B :控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5:光标或显示移位 S/C :高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6:功能设置命令 DL :高电平时为4位总线，低电平时为 8位总线N :低电平时为单 行显示，高电平时双行显示F:低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7:字符发生器RAM地址设置。指令& DDRAI地址设置。指令9:读忙信号和光标地址BF :为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10:写

46、数据。指令11:读数据。2.7.3 1602LCD的RAM地址映射及标准字库表液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为 低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模 块在哪里显示字符，图 2-21是1602的部显示地址。图2-21 1602LCD部显示地址第二行第一个字符的地址是40H,写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是：01000000B( 40H) +10000000B(80H)=11000000B(C0H)。在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的

47、，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。1602液晶模块部的字符发生存储器（CGRO）已经存储了 160个不同的点阵字符图形,这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都 有一个固定的代码。2.7.4LCD1602的一般初始化过程延时15mS写指令38H （不检测忙信号）延时5mS写指令38H （不检测忙信号）延时5mS写指令38H （不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号写指令38H:显示模式设置写指令08H:显示关闭写指令01H:显示清屏写指令06H:显示光标移动设置写指令0CH显示开及光标设置LCD1602

48、的具体接线路图如图 2-22所示。图2-22 LCD1602接线电路图2.8按键电路设计考虑到整个测量系统中不同环境对气体浓度及温湿度围要求不同，故设置了按键功能，用于实现测量围的调整，参考单片机引脚使用情况，共设置五个独立按键如图2-23，实现功能为设定键可进行设定的进入与退出，同时可实现三种围的切换， 另设左右移位键、 上下调值键各两个，与此同时考虑到用户可能需要在一定时间连续测量一种量，故设计了上调键的第二功能：当只有上调键按下时完成显示的自动与手动的切换以实现良好的人机对话。图2-23按键电路2.9电路电源设计D1为续图2-24电源电路第三章 系统软件程序设计3.1 系统软件设计思路3

49、.1.1 编程语言的选择在系统硬件电路确定以后，其主要功能的实现将依赖于软件来实现。对同一硬件电路， 配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，其设计软件基本要求 :1. 可靠性。可靠性是软件设计的重要指标，具有较强的抗干扰能力。2. 易理解性、易维护性。编制的软件要求易阅读，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。3. 实时性。系统能够及时响应外部事件的发生并能及时做出处理结果。4. 准确性。保证系统进行计算数据的精度。目前存在有4种编程语言支持单片机，即汇编语言、PL/M51语言、C语言和BASI语言。其中汇编语言和 C语言应用的较多，汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。结

50、合本系统的特点，这里选用了功能强、效率高的C语言。C语言主要有以下特点：用C语言编制的程序效率高，占用存储空间小，运行速度快。C语言能写出最优化程序，且能反映出计算机的实际运行情况。C语言能直接与存储器、接口电路打交道，也能申请中断。具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。基于C语言和汇编语言的优缺点，本系统米用C语言编写方法。AD转3.1.2 软件功能需求空气品质检测仪功能需求框图如图 6.1 所示，系统软件主要由传感器采集模块、换模块、人机接口模块、 声光报警模块、核心控制器模块等模块构成，各模块功能概述如表3.1所示。表3.1各功能模块功能描述功能模块功能描述传

51、感器采集模块对空气质量进行实时监测AD转换模块1. 完成多路信号循环采样2. 完成与核心处理器间的数据传输核心控制器模块1. 系统时基分配2. 中断事件相应3. 人机接口控制4. 各模块协调工作人机接口模块1. 按键控制2. 动态信息显示无线通讯模块1. 空气质量数据传输2. 空气质量测点数据传输根据软件设计的基本要求，采取了如下的措施：1. 程序模块化。软件设计中包含有：主程序模块、显示模块、A/D数据转换子模块、声光报警模块、数据转换模块、中断处理模块等。2. 软件设计采用 C语言，C支持浮点运算，可以保证数据计算的精度。3中断响应外部事件，提高了系统的实时处理事件能力。4.软、硬件抗干扰。软件抗干扰措施提高了系统的可靠性。以下就对一些主要模块进行详细的阐述。3.2软件模块设计3.2.1主程序模块主程序运行流程图如图 2.2所示。由主程序流程图可以看出， 软件要实现的主要功能是 实现对传感器信号的数据采集，然后进行数据的计算、 分析、送液晶进行显示。程序开始时,先关闭中断，对系统进行初始化，包括单片机的各寄存器、RAM定时器装载初值、中断设置及各模块初始化等。