便携式多气体测量仪的开发与研制

1、某某本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 （论 文）便携式多气体检测仪的开发与研制题 目 _指导教师_辅导教师_学生姓名_学生学号_学院（部）_专业_班 0206 2015_年 _月 _日中文摘要便携式多气体检测仪的开发与研制摘 要随着电子科学技术的发展，电子技术成为安全方面的有力手段，许许多多安全方面的电子产品成为人们的生活的得力助手。本设计主要是由气体传感器采集气体浓度信号，系统建立浓度与电压关系，进行浓度电压转换，电压浓度转换，浓度显示，声光报警构成的报警装置，此报警装置可以测量两种气体浓度。本设计的气体浓度测定仪由六个部分组成：传感器、LCD显示屏、声光报警器、控制电路、A/D转

2、换和电源模块。当按下对应按键时，对应气泵开始工作，通过气管将气体传送给传感器，传感器将采集的信号传给单片机，单片机进行数据的处理分析，若检测气体浓度小于设定报警阀值，LCD显示屏仅仅显示测得的气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阀值时蜂鸣器报警。本设计预留了传感器接口，可进行功能拓展，测量多种气体浓度。电源采用了3000mA大容量电池，内部采用DCDC稳压，大大提高了电源效率，增加了测量仪工作时间。测量仪采用24C01存储数据报警值，可以通过按键调节报警值。测量仪通过氨气对比实验及一氧化碳对比实验校准，其结果比较理想，测量仪性能可靠。试验中添加了对空气质量的检测实验，结果很理想。关键词：气体测

3、量仪；氨气传感器；一氧化碳传感器1ABSTRACTTHE DEVELOPMET AND APPLICATION OF THE PORTABLE MULTI-GAS METERABSTRACTWith the development of electronic science and technology, electronic technology become the powerful tools for the security, many security electronic products become the right-hand man of people's live

4、s .This design mainly consists of gas sensor to collect gas concentration signal, system, establish a relationship between concentration and voltage to convert the concentration of voltage, concentration of voltage conversion, concentration, sound and light alarm device , consisting of the alarm dev

5、ice can measure two kinds of gas concentration .The design of the gas concentration meter is composed of six parts: sensor, LCD display, sound and light alarm, control circuit, A/D conversion and power supply module .Single-chip microcomputer for the acquisition of digital signal processing and judg

6、ment, using a certain algorithm to calculate the concentration of the gas to be detected and sent to the LCD display .When press the corresponding button, the corresponding pump to work through the trachea of transmitting gas sensors, if detection of gas concentration is less than the set alarm thre

7、shold, LCD display only shows measured gas concentration ;When detecting gas concentration exceeds the alarm buzzer alarm threshold.Reserved sensor interface, the design can be expanded function, a variety of gas concentration measurement .Power supply adopted 3000 ma large capacity battery, interna

8、l use DCDC voltage stability, greatly improve the efficiency of the power supply, increase the measuring instrument working time .Measuring instrument used 24 c01 store data alarm value, can through the buttons to adjust alarm value .Measuring instrument by ammonia contrast experiment and carbon mon

9、oxide calibration experiments, the result is more ideal, measuring instrument and reliable in performance .Added to the air quality testing experiment, the result is ideal.Keywords：Gas meter ; Ammonia gas sensor ; Carbon monoxide sensorI大学本科毕业设计（论文）目录前言11. 文献综述21.1 气体测量仪市场需求分析21.2 气体测量仪的发展现状31.3有害气体

10、检测仪的应用41.3.1有害气体检测报警仪的用途.41.3.2危险化学品场所有害气体检测.41.3.3有害气体检测报警仪的分类.41.3.4有害气体检测报警仪选用原则.41.3.5如何选择合适的有毒有害气体检测仪.51.4 课题的主要研究意义、内容及创新点51.4.1 测量仪制作的现实意义51.4.2 测量仪制作的主要内容61.4.3 课题的主要创新点62. 设计思路72.1 设计思路72.1.1 系统的功能设计及总体规划72.2.2 画图软件，程序编辑软件及仿真软件的选取72.2 主要算法72.2.1 初步考虑的算法72.2.2 实际应用的算法92.3 系统硬件设计92.3.1 气体传感器简

11、单描述及电路分析92.3.2 单片机电路102.3.3 显示电路112.3.4 AD转换模块122.3.5 报警电路122.3.6 按键电路132.3.7 系统供电选择132.4. 软件处理部分142.4.1 编译语言的选择142.4.2 Keil的应用142.4.3 Proteus的应用152.4.4 主程序设计162.5 系统功能、指标参数162.5.1 测量仪综述162.5.2 测量仪参数指标173. 应用设计进行的相关实验及结果分析183.1 氨气检测相关实验183.1.1 氨气检测的对比实验183.1.2 氨气检测的对比实验193.1.3 填料吸收塔实验室氨气检测193.2 一氧化碳

12、检测相关实验203.2.1 一氧化碳检测仪对比实验203.2.2 烧烤炉一氧化碳检测213.3 空气质量检测实验223.3.1 操场空气质量检测223.3.2 宿舍空气质量检测223.3.3实验室空气质量检测223.3.4南二门马路空气质量检测233.3.5自习室空气质量检测233.3.6 实验结果绘制图234. 结论25参考文献26附录.27致谢33前言我们身处的21世纪，科学技术发展迅速，科学技术的进步的同时也带动了其他行业的进步，其中测量技术也因此产生巨大变化。现在控制技术也发生了巨大的变化，它们深刻的影响了现代工业。现在的社会已经进入信息高度发达的时代，测量技术也显得尤为重要，它已经悄

13、无声息的进入到各个领域。在生产过程中，排放到作业场所或空气中的有毒有害气体不仅直接影响作业者的安全和健康，而且污染周围环境。尤其是设备陈旧、工艺落后的生产过程，有毒有害气体危害的问题显得尤为突出。企业制造生产过程中有毒有害气体的泄露频繁发生，很多工作场所的有毒有害气体已经超过国际水平，这种环境严重危害了工人的生命健康。为了帮助工人们减少有毒有害对身体的损害，找到可靠办法控制有毒气体的危害，首要工作就是对工作地点空气中，以及释放到环境中的有毒有害气体的构成、性质、数量等进行检测、分析、评价，依靠气体检测仪分析结果，采取可靠有效的措施进行处理，有效地控制空气污染。氨气泄漏事故在国内频繁发生，氨气是

14、有毒气体且易挥发，氨的应用也很广泛，植物所需的化肥就是以氨为原料，还可以用来冷藏食物，制作冷藏室。没有颜色，发出强烈刺激性的气体，溶于水后显现强碱性，能与空气混合形成爆炸性气体，遇到火花，或温度过高都会引起爆炸。氨气腐蚀性剧烈，皮肤组织接触氨气将产生巨大的伤害，氨气进入呼吸道将会对气管和肺造成严重损伤，氨气进入人体后，很容易就流入血液循环，和一氧化碳一样能够和血红蛋白结合，损坏氧气的运输。短时间内吸入大量的氨气会出现掉眼泪、喉喽疼、声带损伤、剧烈咳嗽、吐痰带血、胸闷、呼吸急促等症状，严重者可引起昏厥。环境中氨气浓度在500700mg/m3时，会出现快速的死亡，氨气进入人体过量，将会引起体内氨含

15、量过高，将导致心脏骤停，呼吸停止，危及生命。一氧化碳是无色，无臭，无味气体，但吸入对人体有十分大的伤害。它会结合血红蛋白生成碳氧血红蛋白，碳氧血红蛋白不能提供氧气给身体组织。这种情况被称为血缺氧。浓度低至667ppm可能会导致高达50%人体的血红蛋白转换为羰合血红蛋白，可能会导致昏迷和死亡。而香烟中亦含有一氧化碳。 最常见的一氧化碳中毒症状，如头痛，恶心，呕吐，头晕，疲劳和虚弱的感觉。一氧化碳中毒中毒症状包括视网膜出血，以及异常樱桃红色的血。暴露在一氧化碳中可能严重损害心脏和中枢神经系统，会有后遗症。一氧化碳可能令孕妇胎儿产生严重的不良影响。氨气和CO泄露严重危害人的生命健康，严重时还可能引发

16、火灾爆炸，因此氨气和CO的测量及警报显得越来越重要。1. 文献综述1.1 气体测量仪市场需求分析气敏元件、传感器及其应用产品具有十分广阔的现实市场与潜在的市场需求。本文以4类气敏元件传感器为例，简要做市场需求分析。1.可燃性气体气敏元件传感器可燃性气体气敏元件传感器是需求量最大的一种气敏元件传感器，包含各种烷类和有机蒸气类（VOC）可燃气体，目前主要应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机，已经形成批量生产规模，每年大约有500万支以上的市场。在油田、矿区、化工企业及家庭等生产生活领域广泛用作气体泄漏报警，如液化石油气、天燃气及其他可燃性气体的检测报警等，预计在今后几年将会有成倍需求。2.一氧化

17、碳与氢气气敏元件传感器一氧化碳与氢气气敏元件传感器也是最有需求量的气敏元件传感器。一氧化碳气敏元件传感器可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警；氢气气敏元件除在工业等领域应用外也同一氧化碳气敏元件一样，广泛用于家庭管道煤气泄漏检测报警。由于我国管道煤气中氢气含量比较高，而且氢敏元件较之一氧化碳元件价格低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄漏报警更为合适。因为管道煤气泄漏、灶具不合格导致不完全燃烧而造成CO中毒等灾难事故是特别严重的，每年都会给我们留下惨痛的后果，仅仅哈尔滨市1998年11月2日一次管道煤气泄漏事故就造成37人中毒，8人死亡。因此，安装煤气检测

18、报警器已成为政府为保护人民生命财产安全而强制推动的一项具体措施。目前我国已有黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市等发布文件。随着城市燃气化的扩大、政府立法与人民安全保护意识的提高，城市家庭安装气体检测报警器必将很快推广普及，一氧化碳、氢气敏元件传感器的需求量也将会急剧增加。美国已有7个州11个城市通过立法强制要求家庭安装CO检测报警器。据统计，按一间卧室安装一台CO报警器计算，美国CO检测报警器的市场应该是9400万台，按目前价格计算是38亿美元，并且每年可新增40万台。早在1994年，我国城市燃气用户就达到了2978万户，用气人口达10421.8万人。我国660个城市，有液化石油气的城市超过5

19、00个，同时兼有人工煤气的城市多达170个，有天然气城市近55个，国家计划将城市人口平均气化率达到6070。目前大约有1.2亿居民、约（30004000）万户使用燃气，按这些燃气用户的40安装气体检测报警器计算，需求量就达到1200万台以上。而随着城市燃气应用的扩大，用气市民增多，报警器需求量也必将迅速增加。另一个需要安装气体报警器的是使用燃气热水器的直排式燃气热水器的场所。因为燃气热水器使用不当或质量变坏发生不完全燃烧，造成CO中毒现象时有发生，南京、上海、福洲、北京、衡阳等都有过此类报道。仅据来自中国消费者协会的投诉统计显示，1998年全国就有16人死于燃气热水器事故，伤42人，残2人，比

20、1997年上升了200。为防止此类灾难事故，安装CO检测报警器十分重要。目前我国已颁发燃气热水器生产许可证企业153家，燃气热水器社会拥有量已在3000万台以上，其中一半以上是直排式。为了安全，国家技术监督局已发布强制性标准（GB693294），强制要求燃气热水器安装防止不安全燃烧的保护装置。要求上述热水器5年之内安装完CO报警（控制）器，仅此每年就需要600万台。显然，其需求量是相当大的。3.氧传感器氧传感器应用范围很广，在环保、医疗、冶金、交通等领域需求量很大。以汽车用氧传感器为例，为提高汽车性能，降低排气污染，国外已采用电子燃油喷射系统（EFI）替代化油器，如美国、德国和日本，EFI系统

21、装车率已分别达100、98和90。我国八五期间将EFI列入国家科委攻关计划。经过长期研究，现已在切诺基、小红旗、桑塔纳等轿车上成功安装EFI，在一个发动机电子喷射系统中要应用温度、压力、气体、爆震、位置等传感器（68）个，其中氧气传感器是控制发动机点火和尾气排放的最重要的传感器。一套闭环控制系统要使用（12）氧传感器。目前我国汽车用氧传感器技术不太成熟，主要依靠进口。预计到几年后，国内氧传感器配套将有大的需求，如上海汽车电子有限公司，EFI系统年产能力达120万套，全部配套传感器就要240万支。我国2002年汽车生产超过10万辆的有上海大众、一汽、天汽、东风、长安、柳州五菱等六家企业。按此估计

22、，仅用于汽车的氧传感器，我国年需求量也要在500万支以上。1.2 气体测量仪的发展现状气敏元件做成的传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：1.烧结型气敏元件是生产的主流，占总量的90以上；接触燃绕式气敏元件已经具备了生产基础和能力；电化学气体传感器也有了试制产品;2.在工艺方面引入了表面掺杂和表面覆膜以及制作表面催化反应层与修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成为选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已经用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英

23、晶体与有机半导体等也开始用于气敏材料;3.小功率气体传感器（如氧气，氢气等气敏元件）也不再处于研究层面;4.国内气体传感器的数量已经远大于“九五”初期的410万支。数量大于21万支的公司共有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），他们中的四家已经超过100万只，有关部门调查得知，1999年全国气敏传感器的数量大于600万支。总体来说，我国气敏元件传感器虽然发展迅速，但与国外已经发展起来的先进技术相比还是有一定差距，主要是产品制作的方法、人才培养的差距，与美国相比仍要落后10年以上。1.3有害气体检测仪的应用 1.3.1有害气体检测报

24、警仪的用途 有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场所或设备内部空气中的可燃或有毒气体和蒸气含量并超限报警。另外，空气欠氧检测仪也属于这类仪器。 1.3.2危险化学品场所有害气体检测 危险化学品场所有害气体检测，主要有以下几种情况： 泄漏检测：设备管道有害气体或液体（蒸气）现场所泄漏检测报警，设备管道运行检漏。 检修检测：设备检修置换后检测残留有害气体或液体（蒸气），特别是动火前检测更为重要。 应急检测：生产现场出现异常情况或者处理事故时，为了安全和卫生要对有害气体或液体（蒸气）进行检测。 进入检测：工作人员进入有害物质隔离操作间，进入危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作

25、时,就要检测有害气体或液体蒸气。 巡回检测：安全卫生检查时，要检测有害气体或液体蒸气。 危险化学品要加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。但是，不可能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。因此，事故隐患的检测报警，在危险化学品场所有害气体或液体（蒸气）检测报警，是非常必要的。对避免和控制事故具有重要意义。 1.3.3有害气体检测报警仪的分类 1.便携式有害气体检测报警仪 仪器将传感器、测量电路、显示器、报警器、充电电池、抽气泵等组装在一个壳体内，成为一体式仪器，小巧轻便，便于携带，泵吸式采样，可随时随地进行检测。袖珍式仪器是便携式仪器的一种，一般无抽气泵扩散式采样，干电池供电，体积极小1

26、。 2.固定式有害气体检测报警仪 这类仪器固定在现场，连续自动检测相应有害气体（蒸气），有害气体超限自动报警，有的还可自动控制排风机等。固定式仪器分为一体式和分体式两种。一体式固定有害气体检测报警仪：与便携式仪器一样，不同的是安装在现场，220V 交流供电，连续自动检测报警，多为扩散式采样。 分体式固定有害气体检测报警仪：传感器和信号变送电路组装在一个防爆壳体内，俗称探头，安装在现场（危险场所）；第二部分包括数据处理、二次显示、报警控制和电源，组装成控制器，俗称二次仪表，安装在控制室（安全场所）。探头扩散式采样检测，二次仪表显示报警。 1.3.4.有害气体检测报警仪选用原则 1.明确检测目的，

27、选择仪器类别 简而言之，有害气体的检测有两个目的，第一是测爆，第二是测毒。所谓测爆是检测危险场所可燃气含量，超标报警，以避免爆炸事故的发生；测毒是检测危险场所有毒气体含量，超标报警，以避免工作人员中毒。测爆的范围是0100%LEL，测毒的范围是 0几十（或几百）ppm,两者相差很大2。 危险场所有害气体有三种情况，第一、无毒（或低毒）可燃，第二、不燃有毒，第三、可燃有毒。前两种情况容易确定，第一测爆，第二测毒，第三种情况如果有人员暴露测毒，如无人员暴露可测爆。 测爆选择可燃气体检测报警仪，测毒选择有毒气体检测报警仪。 2.明确检测用途选择仪器种类（便携式或固定式） 生产或贮存岗位长期运行的泄漏

28、检测选用固定式检测报警仪；其他象检修检测、应急检测、进入检测和巡回检测等选用便携式（或袖珍式）仪器。仪器型号包含了生产厂家、功能指标和检测原理三项主要内容。 3.明确检测对象，择优选择仪器型号 1.3.5如何选择合适的有毒有害气体检测仪 对于各类不同的生产场合和检测要求，选择合适的气体检测仪是每一个从事安全和卫生工作的人员都必须十分注意的。这里我们将就一些具体情况做一介绍，供大家参考。 1.确认所要检测气体种类和浓度范围： 每一个生产部门所遇到的气体种类都是不同的。在选择气体检测仪时就要考虑到所有可能发生的情况。如果甲烷和其它毒性较小的烷烃类居多，选择LEL检测仪无疑是最为合适的。这不仅是因为

29、LEL检测仪原理简单，应用较广，同时它还具有维修、校准方便的特点。如果存在一氧化碳、硫化氢等有毒气体，就要优先选择一个特定气体检测仪才能保证工人的安全。如果更多的是有机有毒有害气体，考虑到其可能引起人员中毒的浓度较低，比如芳香烃、卤代烃、氨（胺）、醚、醇、脂等等，就应当选择前章介绍的光离子化检测仪，而绝对不要使用 LEL检测器应付，因为这可能会导致人员伤亡。如果气体种类覆盖了以上几类气体，选择一个复合式气体检测仪可能会达到事半功倍的效果3。 2.确定使用场合： 工业环境的不同，选择气体检测仪种类也不同。 1.4 课题的主要研究意义、内容及创新点1.4.1 测量仪制作的现实意义1.随着工业的发展

30、，泄露事故的频繁发生，测量仪显得越来越重要。而大部分市场测量仪只能测量某一种气体或者只能测量固定的某些气体，功能比较单一，并且报警值不可调，屏幕狭小，持续工作时间较短。所以设计一款可测量多种气体，且持续工作时间较长的仪器尤为重要。2.毕业设计是本科阶段最后一次理论与实际相结合的实践，通过测量仪的开发与研制能巩固我所学到的各个学科的知识。通过测量仪的研制能将理论联系实际，分析问题并综合解决本专业工程技术方面实际问题和独立工作能力，掌握专业的设计流程、方法和设计的基本技能；并对其它专业知识有一定的了解。1.4.2 测量仪制作的主要内容1. 该自制测量仪以测量多种气体为目的，并且内部预留传感器接口，

31、可进行功能拓展。2. 为了保证测量仪能持续工作，该测量仪将采用大容量电池。3. 为使显示数字更加清晰，该测量仪会采用大屏幕显示。4. 测量仪将加入报警值调节按键，用于调节报警阈值。1.4.3 课题的主要创新点1. 内部预留传感器接口，可进行功能拓展，解决了市场中气体测量仪单一性的问题。2. 本课题研发的测量仪体积小，实际应用功能增强。3. 不仅可大量投入生产，还解决了现实生活中的安全问题，极具环保意义，创造生产价值。2. 设计思路2.1 设计思路2.1.1 系统的功能设计及总体规划本研究设计的便携式气体浓度测试仪框图如图2-1所示。传感器输出模拟信号经信号调理电路处理，输出随气体浓度变化的电压

32、信号，经AD转换，将电压信号传送给单片机，单片机通过设定的算法进行处理，并与设定的气体浓度阈值进行比较，并显示或报警。整体设计电路图见附录1； STC89C51 单片机 报警电路按键电路LCD显示模块A/D装换传感器图2-1 系统方框图Figure 2-1 The system block diagram2.2.2 画图软件，程序编辑软件及仿真软件的选取设计中将用到AltiumDesigner绘图软件绘制电路图，keil编译软件，keil软件其作用是对编写好的程序进行编译，产生HEX文件，此格式的文件可以用于proteus环境中的仿真。2.2 主要算法2.2.1 初步考虑的算法温度补偿方法:C

33、O电化学传感器在其量程内输出为线性，所以在其工作温度范围内选取2个不同温度，每个温度下测量2个数据，就可以对输入输出特性进行标定。表2-1 标定数据Table 2-1 Calibration dataCO体积分数电压电压建立各个标定温度下输入输出特性的一次拟合方程，T1和T2时多项式方程为 (1) 式中： 为不同工作温度的零位值，。为不同工作温度的灵敏度，。 (2) (3)解式(2)、式(3)，求 时的系数，。 (4) (5)解式(4)、式(5)，求T=T2时的系数，。系数与温度的关系可以用式(6)表示： (6)将，和, 带人式(6)，得到式(7)，式(8) (7) (8)解方程得到

34、，。系数与温度的关系可以用式(9)表示： (9)将，和，带人式(9)，得到式(10)、式(11) (10) (11)解方程得到，。确定了系数后，可以确定温度系数，这样就可以根据测量的电压值求出当前温度下的CO体积分数值4。2.2.2 实际应用的算法线性法:由于条件所限我们忽略了温度等因素对CO浓度的影响，并且温度补偿方法比较复杂，软件编程及硬件电路都不易实现，因此我将采取一种比较简单且易于软硬件实现的方法来完成设计，即线性法5。CO气体电化学传感器输出为线性电流信号，电压和CO气体体积分数为线性关系：。2.3 系统硬件设计硬件结构的选择将直接影响产品的性能参数，这一步是测量仪设计最关键的一步。

35、2.3.1 气体传感器简单描述及电路分析本设计采用MQ-7和MQ137传感器进行测量，由于两种传感器原理相似，在此仅对MQ-7进行描述。MQ-7一氧化碳气体传感器可以应用于家庭、环境的可燃性探测装置，适用于一氧化碳的探测。其技术特点为：1. 对可燃性性气体有很高的灵敏度和良好的选择性2. 快速的响应恢复特性3.长期的寿命和可靠的稳定性4. 简单的驱动回路MQ-7一氧化碳气体传感器的灵敏度曲线如图2-2所示，其传感原理为气敏电阻的输出阻值随可燃性气体等浓度变化而变化。图 2-2 MQ-7型元件灵敏度特性曲线Figure2-2 MQ 7 element sensitivity characteri

36、stic curveMQ-7可燃性气体传感器管脚与测试电路如图2-3所示。图2-3 MQ-7可燃性气体传感器测试电路Figure 2-3 MQ - 7 combustible gas sensor testing circuit2.3.2 单片机电路市面上常用的单片机有51单片机，AVR单片机，及ARM系列单片机。51单片机应用最广泛，价格最便宜，其运行速度最慢。AVR单片机功能强大，运算速度较快，其价格比51单片机稍贵。ARM单片机运行速度远大于51单片机和AVR单片机，其价格比AVR单片机稍贵。基于本系统设计内容的需求，综合考虑后，我们选择51单片机为控制核心。主要因为考虑STC89C52

37、是低功耗,超低价，高可靠,强抗静电，强抗干扰,功能强大的单片机芯片。其运算速度也达到要求。STC89C52有40个管脚，32个外部双向的输入/输出（I/O）端口，同时内部含有2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内振荡器及时钟电路。同时STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flas

38、h存储器可有效地降低开发本6。图2-4 单片机最小系统Figure 2-4 Single chip microcomputer minimum system2.3.3 显示电路显示部分有数码管显示和液晶显示两种方式，数码管显示数字清晰，不过数码管耗电量也较大，并且不能显示汉字，显示数字也是有限的。液晶显示虽然没有数码管清晰，但是液晶耗电量相对较低，且能显示汉字，并且显示范围比较大。综合比较因此本次设计选用液晶显示。常用的液晶显示屏有两种，LCD1602和LCD12864，由于本次设计需要一个大屏幕显示数据，故本次设计选用LCD12864液晶显示屏。这种字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、

39、数字、符号等点阵式LCD，模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。图2-5液晶显示电路Figure 2-5 LCD display circuit2.3.4 AD转换模块PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输7。图2

40、-6 AD转换电路Figure 2-6 AD conversion circuit2.3.5 报警电路报警器件为蜂鸣器，价格便宜，电路简单。通过一个PNP三极管驱动蜂鸣器，当P32输出低电平时蜂鸣器报警。图2-7 蜂鸣器报警电路Figure 2-7 Buzzer alarm circuit2.3.6 按键电路图2-8 按键电路Figure 2-8 Key circuit2.3.7 系统供电选择本设计采用3000mA6V镍氢电池组供电，镍氢电池是二十世纪九十年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点，因而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一8。由于系统电源必须为5V，所以需

41、要一稳压系统，稳压电路见图2-9；图2-9 电源电路 Figure 2-9 Power circuit2.4. 软件处理部分2.4.1 编译语言的选择C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯。还有很多处理器都支持C编译器，这样意味着处理器也能很快上手。且具有良好的模块化、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，本系统采用C语言编写方法9。软件编写的主体思路是将系统按功能模块化划分，然后根据模块要实现的功能写各个子程序。整个软件程序的编写采用查询式方式编写的。2.4.2 Keil的应用Keil C51是美国Keil Software公司出品的5

42、1系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。将汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于

43、51系列单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil 软件是目前最流行开发80C51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil 即可看出。Keil 提供了包括C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil 软件需要Pentium或以上的CPU,16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用

44、51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。在我的软件设计过程中我学会了如何从输入源程序，建立工程、对工程进行详细的设置，到如何将源程序变为目标代码10。2.4.3 Proteus的应用Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设

45、计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器11。2.4.4 主程序设计图2-10 程序流程图Figure 2-10 Program flow 2.5 系统功能、指标参数2.5.1 测量仪综述该设计中采用半导体气体传感器MQ-5和MQ-137，感应外界气体，其以金属氧化物半导体为基础材料，当被测气体在该内部半导体表面吸附后

46、，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。由于电导率的改变产生不同的阻抗，因此产生不同的模拟电压信号。然后采用8位的A/D转换器PCF8591，将时间和幅值都连续的电压模拟量，经过取样、保持、量化和编码等过程，转换为时间、幅值离散的数字量，同时将转换结束的数字量赋给主控芯片STC89C52。STC89C52根据外界气体与对应变换电压的函数关系，处理数据并将得到的对应浓度数据交给LCD12864液晶屏及时显示。当检测气体浓度低于设定报警阀值的时候，LCD12864显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阀值时蜂鸣器报警。2.5.2 测量仪参数指标表2-2 测量仪参数表Table

47、 2-2 Measuring instrument parameter table检测气体探测范围ppm报警浓度ppm响应时间s工电压功耗使用温度相对湿度一氧化碳10-1000>100< 10DC5V5W-10-50< 95%Rh氨气10-300>100<10DC5V5W-10-50< 95%Rh3. 应用设计进行的相关实验及结果分析3.1 氨气检测相关实验测量仪的准确标定需借助化学方法，但受实验条件和时间限制，本设计不采用化学方法。本设计采用与现有仪器相对比的方法，简单进行仪器的参数标定。实验一和实验二为模拟氨气泄露实验，实验一将氨水瓶固定某一地

48、面，由于实验室为封闭环境，可假设为无风条件，氨气从瓶口处均匀泄露。每隔10cm分别用两个仪器进行测量，测量结果见表3-1。实验二将测量点设为距地面30cm处，实验结果见表3-2。3.1.1 氨气检测的对比实验表3-1 地面氨气泄露对照Table 3-1 The ammonia leaking距离仪器10cm20cm30cm40cm50cm60cm70cm80cm市场测量仪显示浓度93pp84pp70pp63pp47pp33pp18pp7pp自制测量仪显示浓度95pp83pp72pp66pp50pp29pp19pp4pp结果分析图见图3-1。图3-1 地面氨气泄露对比Figure 3-

49、1 Ammonia gas meter3.1.2 氨气检测的对比实验表3-2 地面30CM氨气泄露对照Table 3-2 The ground 30 cm ammonia leakage control距离仪器10cm20cm30cm40cm50cm60cm70cm80cm市场测量仪显示浓度/93pp85pp77pp64pp49pp35pp27pp自制测量仪显示浓度110pp95pp83pp79pp63pp52pp33pp25pp结果分析图见图3-2。图3-2 氨气检测仪对比Figure 3-2 Ammonia gas meter从两次试验中可以看出，两种仪器测量结果基本一致。所以自

50、制检测仪氨气检测可靠，可以进行下一步实验。3.1.3 填料吸收塔实验室氨气检测1.开窗情况下表3-3 填料吸收塔实验室氨气检测Table 3-3 Filler absorbing tower laboratory ammonia detection采样时间浓度1/pp浓度2/pp浓度3/pp浓度4/pp平均9:0067566.011:0057565.7513:0044554.515:0077345.2517:0055665.52.关窗情况下表3-4 填料吸收塔实验室氨气检测Table 3-4 Filler absorbing tower laboratory ammonia dete

51、ction采样时间测量1/pp测量2/pp测量3/pp测量4/pp平均9:00109899.011:00119989.2513:0097787.7515:0088998.517:0098978.25实验三中平均值可以看出，开窗情况下实验室氨气浓度远小于关窗情况，所以在做完实验后一定要开窗通风，养成良好的习惯。3.2 一氧化碳检测相关实验3.2.1 一氧化碳检测仪对比实验一氧化碳检测仪的标定和氨气的类似。将不同量的草酸与浓硫酸反应，草酸分解产生一氧化碳，用气囊收集即可得到不同浓度的一氧化碳。用市场上已经标定的测量仪与自制测量仪对比，实验结果见表3-5。表3-5 一氧化碳测量仪对比实验Table

52、3-5 Carbon monoxide meter contrast experiment草酸仪器1g2g3g4g5g6g7g8g市场测量仪显示浓度917273544546572自制测量仪显示浓度819303947536470结果分析图见图3-3。图3-3 一氧化碳测量仪对比Figure 3-3 Carbon monoxide measuring instrument从图中观察可以看出，两种仪器测量结果基本一致。所以自制测量仪一氧化碳检测可靠。3.2.2 烧烤炉一氧化碳检测表3-6 烧烤炉一氧化碳检测Table 3-6 Burn oven carbon monoxide testing采样距离测量1/pp测量2/pp测量3/pp测量4/pp平均/pp1m11101112112m7866273m44554.54m323435m21011烧烤炉一氧化碳检测实验可以看出，距离烧