基于单片机气体浓度检测系统的设计

1引言1.1工程的研究背景随着人民生活水平的提高和对环境问题及健康问题的日益重视，室内空气品质状况受到越来越多的关注。由于现代生活节奏的加快，人们在起居室、办公室等室内环境的滞留时间越来越长。如果把工作、居住和休闲的时间都加在一起，在西方工业兴旺国家人们在室内停留的时间己达全天的93%左右，而我国也超过了全天的85%室内空气品质状况直接影响人们的身体健康。恶劣的室内空气是不良建筑物综合症的主要原因。美国环境保护局(EPA)与世界卫生组织(WHO)进行的联合调查说明，有大约20%的美国建筑存在严重的室内空气污染，40%有一定程度的室内空气污染，另40%存在轻微或没有室内空气污染[1]。根据美国环境健康总署的调查，室内主内空气污染常常是室外空气污染浓度的2-3倍，在冬季缺乏通风，使用燃料取暖炉等情况下甚至高达100倍。一般家庭室内可检测到的污染物多达300种，而有68%的人体疾病与室内空气污染有关。美国职业平安及健康局的报告认为，在美国，企业因室内空气恶劣而造成的工时损失平均约每人每日14-15分钟[2]。气体危害现状仅以人类自身来说，其日常生活和生产活动都与周围的大气环境密切相关，大气的变化对人类有极大的影响。空气中还有有毒气体，会给人类带来灾难。可燃气体的泄露会引起爆炸和火灾使人类的生命和财产遭受损失。随着工业规模逐渐扩大，产品的种类不断增多，气体原料和生产过程中的产生的气体种类和数量不断增多，尤其是石油﹑化工﹑煤炭和汽车等工业开展，致使大气污染日益严重。酸雨﹑温室效应和臭氧层破坏成为严重的环境问题。环境污染已逐渐影响到人类的生存。因此，对人类生存和生产环境中的各种气体，气味进行准确的检测和分析是必要的。近几年的研究注意到，居室的室内污染问题也越来越为突出，严重威胁人体健康。长期生活和工作在有污染的室内环境中，易出现不适感，病症多为头痛﹑流鼻涕﹑眩晕﹑行动缓慢和记忆力衰退等，世界卫生组织将此种现象称为“致病建筑物综合症〞。有资料显示新装修的家庭居室中常见的有害物质大约300多种，其中易对人体造成伤害，甚至致癌的有20多种，主要包括苯﹑甲苯﹑二甲苯﹑乙苯等挥发性有机气。易燃易爆气体也是不容无视的有害气体[3]。如果此方面未得到有效控制与管理的话，为其后果所付出的代价是极为巨大的。由以上可以看到易燃﹑易爆﹑有毒气体等问题已经严重危害人民的生命和财产平安以及全社会的开展和平安。解决这些问题的关键是迅速准确的检测到这些相关有毒﹑有害气体，这便是气敏传感器开展的客观依据。气体检测现状气体种类繁多，有些有毒有害，有些易燃易爆。人类生存和活动的环境无一可以撇开气体对象。现代化生活的飞速开展，导致了城市气体越来越复杂，对人类的影响也越来越大。液化石油气的开发利用大大造福于家庭生活，同时也带来了更多的爆炸或火灾隐患。为了确保大气环境的“质量〞和家庭用气的平安，就离不开准确有效的气味检测与报警手段:许多作业过程(如炼钢、发酵、冶金、矿井以及汽车)都需要对相关气体进行严格监控或快速调节，否那么将招致重大事故与损失[4]。正因为气体与人类的生存和活动如此密切相关，人类很早就开始了对气体的检测及控制方法的研究。目前，酒类、烟草、茶叶等食品的质量主要是靠人的感官来进行判断，感官评定主要依赖人的生理和心理条件，其本身是一门精巧的技术。这类工作通常需要训练有素、经验丰富的专家进行。人工鉴别带有很大的主观因素。从某种意义上讲，由于受经验、情绪等主观因素的影响，感官评定方法的评判结果随鉴别人员的不同而存在相当大的个体差异，即使同一人员也随其身体状态、情绪变化等的不同而产生不同结果[5]。由此可见，人的感觉器官的缺点包括主观性，重复性差(即，结果随测试时间，健康情况，先前分析的气味，疲劳程度，等等因素波动)，耗时长和花费人力巨大。另外，人的感觉器官不能用于检测有毒气味、连续工作和远程操作。另外，工程师和化学家利用一般比拟廉价和简便的化学或生化传感器，或利用昂贵复杂的分析化学仪器，如气相色谱仪(GC)和质谱仪(MS)，对有毒和无毒气味进行分析。这两种方法的共同缺点是其试验结果并不是直接与一个气味的鉴别相关联。例如，单个化学传感器不能直接用来鉴别具体的咖啡香味。分析化学家们用气相色谱仪和质谱仪(GC/MS)检测的结果也是如此。而且，GC和GC/MS系统结构复杂，操作繁琐，造价昂贵，测试周期长，需要人进行大量的干预以进行分析，不能进行连续检测[6]，等等。1.2工程的研究意义和应用背景从上面可以看出有许多种气体检测技术可帮助今天的工业来保护人类和生产，当然，每一种技术都有优点和缺点。从实际生活中可以了解没有单一最好的方法，而只有根据具体的实际情况由多种技术组合成的最好的气体检测系统。当气体传感器技术开展的如火如荼之时，气体传感器测试家属的开展并未跟上气体传感器技术开展的速度。目前我国气体传感器行业已有十几家中小规模的生产企业，气体传感器生产线已经很大，具备很强的生产能力，但是对于研究探索气体传感器应用的科研人员来说,有个很大的困难就是实现气体传感器的检测和选择[7]。基于气体检测系统在现实生活中的重要作用和测试系统的开展价值，国内外的科研人员对气体检测系统的测试做了深入研究。1.3本课题主要研究内容本课题主要内容包括室内空气主要污染物及危害，半导体气体传感器的工作原理，以及检测系统的软硬件组成。第一章主要介绍了国内及国外的气体检测的要求，现状及开展。了解气体浓度检测系统在现实生活中的重要作用和测试系统的开展价值。第二章主要介绍室内空气主要污染物及危害。室内主要污染物包括酒精、甲烷、一氧化碳等，当浓度超过一定的限度，会对人的身体健康造成不利影响。第三章主要介绍半导体气体传感器工作原理。为了对甲醛、甲烷、一氧化碳检测，分别采用了MQ-138、MQ-7、MQ-4三种传感器，本局部详细介绍了传感器的工作原理，及测量信号与浓度值得对应关系。第四章主要介绍系统硬件设计。硬件电路由数据采集、数据转换、数据处理、结果显示和报警等局部组成，本设计所用到的芯片有AD0809模数转换芯片、AT89C51单片机还有一些气体传感器、复位电路、驱动电路、LED显示模块。第五章主要介绍系统软件设计。软件局部包括数据采集、处理、显示、报警等局部。第六章主要介绍毕业设计总结，主要讲述本人在做毕业设计的过程中的一些心得体会。2室内有毒气体介绍2.1室内空气品质(IAQ)室内空气品质(IndoorAirQuality,IAQ)是上世纪80年代末在环境科学、卫生学、暖通空调(HVAC)等学科根底上开展起来的一个科学分支，在90年代以来得到了广泛的重视与研究。在89室内空气品质讨论会上，丹麦哥本哈根大学教授P.O.Fang提出:品质反映人们要求的程度，如果人们对空气满意，就是高品质;反之，就是低品质。英国的CIBSE(CharteredInstituteofBuildingServicesEngineers)认为:如果室内少于50%的人能发觉到任何气味，少于20%的人感觉不舒服，少于10%的人感觉到刺激，并且少于5%的人在缺乏2%的时间内感到烦躁，那么可认为此时的室内空气品质是可接受的。这两种定义的共同点是都将室内空气品质完全变成了人们的主观感受。在ASHRAE标准G2-1989R中，首次提出了可接受的室内空气品质(acceptableindoorairquality)和感受到的可接受的室内空气品质(acceptableperceivedindoorairquality)等概念[8]。其中，可接受的室内空气品质定义如下:空调房间中绝大多数人没有对室内空气表示不满意，并且空气中没有的污染物到达了可能对人体健康产生严重威胁的浓度。感受到的可接受的室内空气品质定义如下:空调房间中绝大多数人没有因为气味或刺激性而表示不满。它是到达可接受的室内空气品质的必要而非充分条件。由于有些气体，如氨、CO等没有气味，对人也没有刺激作用，不会被人感受至，但却对人危害很大，因而仅用感受到的室内空气品质是不够的，必须同时引入可接受的室内空气品质。因此，空气品质的评价实际上是人为感受与客观有害污染物浓度的综合评价。“室内空气品质评价一般采用量化监测和主观调查结合的手段进行。其中的量化监测是指直接测量室内污染物浓度来客观了解、评价室内空气品质，主观评价是指利用人的感觉器官进行描述与评判工作〞[9]。2.2主要污染源室内空气品质受到多方面的影响和污染，从其性质来讲，可分三大类:第一大类是化学的，胜要来自房屋装修、家具、玩具、煤气热水器、杀虫喷雾剂、化装品、吸烟、厨房的油烟等等，其成分主要是挥发性的有机物如甲醛、甲苯、醋酸乙酷、甲苯二异氰酸等等和无机化合物如氨、CO,C02等;第二大类是物理的，包括不适的温度、湿度环境、悬浮颗粒(灰尘)、烟雾、核辐射、电磁辐射等等。第三大类是来自于生物的，毛绒来自使用地毯不当，毛绒玩具、被褥等，主要有螨虫及其它细菌等[10]。本课题主要针对第一类室内空气污染进行检测。下面讨论主要的化学的来源、性质和危害。一氧化碳一氧化碳是一种无色、无味气体，极易与血红蛋白结合生成碳氧血红蛋白。是一种有毒气体。一氧化碳是最主要、最常见的室内污染物之一。它通常来源于含碳物质的不完全燃烧。炉火、厨房燃气、家用煤气(非天然气或液化石油气)的泄露等都是室内一氧化碳产生的原因。同时，吸烟也是一个重要的一氧化碳产生源，尤其是在没有燃烧炉具等的办公室等室内场合。一氧化碳对健康的影响直接表现在其与血红蛋白结合生成的产物COHb在血液中的浓度上。一氧化碳通过呼吸与血红蛋白结合，其结合的能力比氧气高200倍。这将造成血液中氧气传输量的下降，超过一定浓度时造成人体组织的缺氧窒息。一般来讲，通常的新陈代谢产生的COHb的浓度在0.5%-1.0%，而在非吸烟人群中血液平均COHb浓度为1.2%-1.5%。吸烟者体内的平均COHb浓度在3%-4%，吸烟较多者甚至到达10%(数据发表自世界卫生组织，1987)连续处在30ppm浓度的一氧化碳环境下，人体血液中的COHb浓度将平衡于5%;在20ppm环境下平衡于3.7%)10ppm环境下为2%。一般来说，大于10%的COHb含量将对心血管和神经系统造成影响，2.5%的COHb会使肺心病患者病症加重，低于2%的浓度下尚无对人体产生影响的报道。一般认为2%-3%的浓度不会对健康人产生影响。因此大局部国家的空气质量标准中，将CO的浓度定于小于10ppm(见附表:各国室内空气品质标准)。我国现有的CO报警器，一般将10Oppm-200ppm作为报警浓度。因为这种浓度的CO在短时间内尚不会对健康人产生明显的影响[11]。2甲醛甲醛CHCHO)是一种无色易溶的刺激性气体，易挥发，所以在室内空气品质研究中，将其归为VOC，即挥发性有机化合物(VolatileOrganicCompounds)。其水溶液即“福尔马林〞甲醛具有强烈刺激性气味，其毒性主要表现在神经系统及呼吸系统病症。当室内甲醛含量为0.1mg/m³，时就有异味和不适感;0.5mg/m³m³时引起咽喉不适或疼痛;浓度再高可引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘甚到市气肿;当空气中到达30mg/m³时可当即导致死亡。甲醛是室内挥发性有机物中最主要和最具危害的污染源，其广泛存在于室内装修材料如壁纸、地板、油漆、胶水等。例如，因为人造板是造成室内空气中甲醛超标的主要因素，世界上不少国家对人造板的甲醛的散发值作了严格的规定。国际标准是穿孔测试值必须小于1Omg甲醛/100g板[12]。但市场上大量建材实际上远远超过了这一指标，成为室内空气品质恶化的主要原因之一。大量的使用不符合标准的建筑材料也是新装修的房屋常常造成居住者明显不适的主要原因。中国消费者协会提请国家人造板质量监督检验中心于1999年初对北京市场销售的21种牌号的装饰板进行了比拟试验。我国目前还没有对装饰单板贴面胶合板甲醛释放量进行规定，采用的是日本的JASNO.516-1992标准，该标准对甲醛释放量指标明确分为3级，最高级为≤1Omg甲醛/100g板。对21种样品的试验，有15种样品的甲醛释放量超过指标，占71.4%，使用这样的产品势必会给居室环境造成污染，直接危害消费者的健康。我国于1996年公布了《居室空气中甲醛的卫生标准》，明确规定居室空气中甲醛的最高允许浓度为ppm即0.08mg/m³。2甲烷甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。健康危害：甲烷对人根本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷达25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。假设不及时远离，可致窒息死亡。皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。2物理污染物理污染指尘埃、放射性、电磁辐射等物理因素造成的污染。其中，放射性污染造成的危害最为严重。放射性污染主要来自建筑石材、土壤等含有的氡，镭等放射性元素。其中氡的污染最为普遍，不容无视。氡是由放射性元素镭衰变产生的，是自然界中唯一的天然放射性气体。氡是一种无色无味气体，容易被无视。氡原子在空气中的衰变产物被称为氡子体，为金属粒子。在常温下，氡及氡子体在空气中能够形成放射性气溶胶而污染空气环境。人类在高浓度氡的作用下，机体会出现红细胞的变化。氡对人体脂肪有很高的亲合力，特别是氡与神经系统结合后，对人体的危害更大。当人们将氡吸入体内后，氡衰变产生的a粒子可以在人的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。室内氡的危害直到20世纪60年代才被发现，研究说明，氡对人体的辐射的伤害占人体一生中所受到的辐射伤害的55%以上，其诱发肺癌的潜伏期大多在15年以上。世界上有1/5的肺癌患者的发病原因与氡有关。氡是导致人类引发肺癌的第二大“杀手〞，是除吸咽以外引起肺癌的第三大因素。世界卫生组织(WHO)的国际癌症研究中心(CARC)以动物实验证实了氡是当前认识到的19种主要环境物质之一。氡主要源于房屋地基土壤、以及花岗岩、砖砂、水泥及石膏之类建筑材料之中。在室外空气中氧的辐射剂量是很低的，可是，一旦进入室内，就会在室内大量积聚。室内氡还具有明显的季节变化，通过试验说明，冬季最高，夏季最低。室内通风状况直接决定了室内氡气对人体危害性的大小。另外，厨房使用的天然气也可能释放出氡[13]。室内空气标准目前我国专门针对家庭、写字楼的室内空气品质的标准尚未出台，有关方面称正在制定中，有望在2002年公布。如表是一些国家和地区的室内空气标准和建议值。表2.1当今先进国家和地区的环境参数标准及建议值台湾美国英国日本瑞典荷兰俄国建议值温度23-2820-2218-2818-2018-2118-28相对湿度〔％〕40-7020-6020-8040-7050-5530-70平均风速〔m/s〕悬浮颗粒(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旧房500400-700本章小结本章主要介绍室内空气主要污染物及危害。室内主要污染物包括酒精、甲烷、一氧化碳等，当浓度超过一定的限度，会对人的身体健康造成不利影响。并分析了此次设计所能监察的气体，为下一章具体设计气体浓度做出了具体要求。3半导体气体传感器工作原理3.1各种气体传感器分析目前按照气敏特性来分，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。3半导体型气体传感器原理及其优缺点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。气体分子在薄膜外表进行复原反响以引起传感器电导率的变化。为了消除气体分子到达初始状态就必须发生一次氧化反响。传感器内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响不充分。自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当今应用最普遍、最实用的一类气体传感器。它具有本钱低廉、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等优点。缺乏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[14]。3电化学气体传感器电化学气体传感器是通过检测电流来检测气体的浓度，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，目前可以检测许多有毒气体和氧气，后者还能检测血液中的氧浓度。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。缺乏之处是有寿命的限制一般为两年[15]。3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。3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，缺乏之处就是响应时间过长[16]。3接触燃烧式气体传感器接触燃烧式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，可燃气体在外表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。3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检测气体。目前因为它的结构关系一般造价颇高。本工程综合考虑了各种情况，最终选择了半导体气体传感器，作为检测器件。气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来，并将其转化为电信号的器件，是气体传感器阵列的核心元件。而气体传感器阵列是电子嗅觉系统的关键组成单元，由对不同气味有不同灵敏度的气敏元件组成，这些气敏元件具有广谱响应特性、交叉灵敏度大的特性[17]。一般，气体传感器阵列可采用数个单独的气体传感器组合而成，并采用集成工艺制作，体积小，功耗低，便于信号的集中采集与处理。单个气体传感器与气敏阵列在特性上有质的区别，单个气体传感器对气体的响应可用强度来表示，而气敏传感器阵列除了各个传感器的响应外，在全部传感器组成的多位空间中形成的响应模式，在环境条件一定的情况下，阵列上的响应模式与其鼓励是一一对应的，而这是该系统能对多种气味和气体进行辨识的关键所在。器件的选择本设计要求实现对甲醛、一氧化碳、甲烷气体的定性和定量分析，首先最重要的工作是选择适宜的传感器，通过对性能、可实现性、价格等的比照。针对酒精气体，选择的是MQ-138A甲醛传感器，针对一氧化碳气体，选择的是MQ-7一氧化碳传感器，针对甲烷气体，采用的是MQ-4半导体气体传感器，由这三种传感器组成传感器阵列。MQ-138甲醛传感器MQ-138是一种二氧化锡半导体型甲醛气体传感器，对甲醛具有高的灵敏度和快速的响应性，适于便携式甲醛探测器和汽车燃火系统等。半导体气体敏感局部是一个微型珠状小球，内嵌加热丝和金属电极，这种敏感元件安装在有防爆功能的双层100目不锈钢网的金属壳内[18]。±0.2V的高电压，使传感器尽快稳定并进入工作状态。MQ-138的灵敏度特性曲线图。灵敏度特性图反映了元件电阻和气体浓度之间的关系。元件的电阻与气体的浓度呈对数关系，随气体浓度的增加而减小。如图3.1所示。图3.1灵敏度特性曲线灵敏度特性型号MQ-303A符号参数名称技术条件备注Rs元件电阻(4kto400k)在洁净空气中电阻比/0.15)Rs(300ppm酒精)/Rs(100ppm酒精)标准测试条件：温度:20oC—2oCVC:3.0V—1VDC湿度:65%—5%VH:0.9V—1VDCRL:可调预热时间：大于48小时表3.2标准工作条件符号参数技术条件备注VH加热电压ACorDCVC回路电压≤6VDCRL负载电阻可调PS<10mWRH加热电阻—室温IH加热电流≤130mAPH加热功率≤130mWPS元件功率≤10mW表3.3技术条件符号参数技术条件备注Tao使用温度-20oC—50oC推荐使用范围20ppm-1000ppm甲醛Tas储存温度-20oC—70oCRH相对湿度≤95%RH(O2)氧气浓度21%±1%(标准条件)氧气浓度影响灵敏度不得小于18%MQ-7一氧化碳传感器MQ-7气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。采用上下温循环检测方式低温检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低本钱传感器[19]。外形结构如图3.2所示。图3.2一氧化碳传感器外形结构传感器的根本测试电路需要施加2个电压：加热器电压VH和测试电压VC。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC那么是用于测定与传感器串联的负载电阻RL上的电压VRL。这种传感器具有轻微的极性，VC需要直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。根本测试回路如3.3图所示。图3.3根本测试回路灵敏度特性曲线，图中纵坐标为传感器的电阻比(RS/RO)，横坐标为气体浓度。RS表示传感器在不同浓度气体中的电阻值RO表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值。如图3.4所示。图3.4灵敏度特性曲线表3.4灵敏度特性型号MQ-7符号参数名称技术条件备注Rs敏感体电阻2kto20k在100ppmCO电阻比Rs(300ppm)/Rs(100ppm)标准工作条件：温度:20oC—2oCVC:5.0V—1V湿度:65%—5%VH〔H〕:V—1VVH〔L〕:V—1V预热时间：大于48小时探测范围:10ppm-1000ppm一氧化碳表3.5标准工作条件符号参数技术条件备注VC回路电压≤10VACorDCVH〔H〕加热电压〔高〕V±0.2VACorDCVH〔L〕加热电压〔低〕V±0.1VACorDCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温TH〔H〕加热时间〔高〕60secondsTH〔L〕加热时间〔低〕90secondsPH加热功率约350mW表3.6技术条件符号参数技术条件备注Tao使用温度-10oC—50oC建议使用范围Tas储存温度-20oC—70oCRH相对湿度小于95%RHO2氧气浓度21%±1%(标准条件)氧气浓度影响灵敏度最小值大于2%MQ-4半导体气体传感器MQ-4气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡〔Sn02〕。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-4气体传感器对甲烷的灵敏度高，对丙烷、丁烷也有较好的灵敏度。这种传感器可检测多种可燃性气体，特别是天然气，是一款适合多种应用的低本钱传感器[20]。外形结构如图3.5所示。图3.5半导体气体传感器外形结构传感器的根本测试电路是需要施加2个电压：加热器电压〔VH〕和测试电压〔VC〕。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC那么是用于测定与传感器串联的负载电阻〔RL〕上的电压〔VRL〕。这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。如图3.6所示。图3.6根本测试电路灵敏度特性曲线，图中纵坐标为传感器的电阻比(RS/RO)，横坐标为气体浓度。RS表示传感器在不同浓度气体中的电阻值RO表示传感器在1000ppm甲烷中的电阻值。如图3.7所示。图3.7灵敏度特性曲线表3.7技术指标产品型号MQ4产品类型半导体气敏元件标准封装胶木〔黑胶木〕检测气体天然气、甲烷检测浓度300-10000ppm〔甲烷、天然气〕标准电路条件回路电压VC≤24VDC加热电压VHV±0.2VACorDC负载电阻RL可调标准测试条件下气敏元件特性加热电阻RH313〔室温〕加热功耗PH≤900mW敏感体外表电阻RS2k-20k在5000ppmCH4灵敏度SRs(在空气中)/Rs(5000ppm甲烷)≥5浓度斜率≤标准测试条件温度、湿度20oC-2oC；65%RH标准测试电路VC：V±0.1VVH：V±0.1V预热时间不少于48小时3.3本章小结本章介绍半导体气体传感器工作原理。为了对甲醛、甲烷、一氧化碳检测，分别采用了MQ-138、MQ-7、MQ-4三种传感器，本局部详细介绍了传感器的工作原理，及测量信号与浓度值得对应关系。为后面硬件局部的选材提供根底来更好的实现本设计的意义与目的。4系统硬件设计4.1系统总体方案的设计4.1.1设计思路本设计采用甲醛传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器等多种传感器组成传感器阵列，通过传感器阵列能把气体中的特定成分检测出来，并将其转化为电信号，然后采用ADC0809转换器将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，运用AT89C51单片机进行数据处理和计算，并通过LED显示气体种类和浓度信息，这样就实现了对多种气体的定性识别和检测。4.1.2系统功能框图如图4.1所示气体检测系统主要由采集局部，转换局部，显示局部，报警局部构成。图4.1气体检测系统功能框图4.2硬件电路设计本设计硬件电路由信号放大、数据采集、单片机最小系统、结果显示和报警等局部组成，本设计所用到的芯片有LM358运算放大器，AD0809模数转换芯片，AT89C51单片机还有一些气体传感器、复位电路、驱动电路、LED显示模块。4LM358运算放大电路设计由于气体传感器输出的电压值过低，无法直接使用A/D读取，必须要参加放大电路，对电压放大然后再经过A/D读取。在此，选择LM358作为运算放大器。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合[21]。LM358具备以下特性：内部频率补偿；直流电压增益高(约100dB)；单位增益频带宽(约1MHz)；电源电压范围宽：单电源(3-30V)、-±15V)；低功耗电流，适合于电池供电；低输入偏流，低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；输出电压摆幅大〔〕[22]。图4.2LM358内部结构图图4.3运放电路图4数据转换的设计数据转换工作主要由AD0809模数转换芯片完成。由气体传感器阵列输出的微弱电信号，经各自信号放大电路对信号进行预处理，使其转换为0-5V范围内变化的直流信号，送到A/D转换电路变为数字信号，对其进行数据采集处理[23]。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809的内部结构框图见图。由图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据[24]。图4.4ADC0809的内部结构框图图4.5ADC0809的引脚结构IN0－IN7：8条模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，假设信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如假设模拟量变化太快，那么需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。表4.1通道选择SELECTEDANALOGCHANNELADDRESSLINECBAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7LLLLHHHHLLHHLLHHLHLHLHLH数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部存放器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，说明转换结束；否那么，说明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF〔＋〕，VREF〔－〕为参考电压输入[25]。图4.6时序图4数据处理的设计数据处理过程是主要由AT89C51单片机等芯片完成的。AT89C51是一种带4K字节的闪烁可编程可擦除只读存储器〔FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。其中包括128字节内部RAM，32个I/O口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式[26]。空闲方式体制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，但振荡器体制工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案[27]。AT89C51单片机管脚图如下图。图4.7AT89C51单片机管脚图引脚功能说明如下：·VCC：电源电压·GND：地·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1〞可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址〔低8位〕和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。·P1口:P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写“1〞，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流〔IIL〕。Flash编程和程序校验期间，P1接受低8位地址。·P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写“1〞，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流〔IIL〕。在访问外部程序存储器或16位四肢的外部数据存储器〔例如执行MOVX@DPTR指令〕时，P2口送出高8位地址数据，在访问8位地址的外部数据存储器〔例如执行MOVX@RI指令〕时，P2口线上的内容〔也即特殊功能存放器〔SFR〕区中R2存放器的内容〕，在整个访问期间不改变。Flash编程和程序校验时，P2也接收高位地址和其他控制信号。·P3口：P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写“1〞，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流〔IIL〕。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。·RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。·ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE〔地址锁存允许〕输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲〔PROG〕。如有必要，可通过对特殊功能存放器〔SFR〕区中的8EH单元D0位置位，可禁止ALE操作。该位置，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。·PSEN：程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通型号，当89C51由外部存储器取指令〔或数据〕时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。·EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器〔地址为0000H—FFFFH〕，EA端必须保持低电平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平〔接VCC端〕，CPU那么执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件使用12v编程电压VPP。·XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。·XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反响元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图5。外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容C1、C2接在放大器的反响回路中构成并联振荡电路。对电容C1、C2虽没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的上下、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30Pf±10Pf，而如使用陶瓷谐振器建议选择40Pf±10Pf。用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端XTAL那么悬空[28]。4数据转换为了方便与AT89C5单片机的链接，本系统采用AD080模数转换芯片对采集到的气体信息进行数模转换。其分辨率为8位，不必进行零点和满度调整，且具有高阻抗斩波稳定比拟器，8个通道的多路开关可直接存取8个单端模拟信号中的一个。利用单片机启动AD0809转换器，转换结束后再由AD0809向AT89C51发出中断请求信号，CPU响应中断请求[29]。通过对译码器的读操作，读取转换结果并送到被测量的响应存储区。再重新选择被测量，并再次启动AD0809转换器转换后中断返回。AD0809与单片机AT89C51连线线路如下图。图4.8AD0809与单片机AT89C51连线线路4声光报警电路的设计系统的声，光报警电路由发光二极管和低电压蜂鸣器构成，分别由PIC单片机的2个端口控制[30]。发光二极管LED具有体积小，抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长，工作电压低，功耗小，响应速度快等优点，常用于显示系统的工作状态，有益于控制系统的设计和维护。当该局部工作时，整机的工作电流将增加为未报警状态时的电流的数倍，消耗的功率会比拟大，因此采用了分时供电的方法，通过单片机控制该局部电源的通断，即质量浓度到达报警时才给其供电；另外，用单片机输出的周期脉冲报警信号控制振荡器的启停，用振荡器输出信号控制蜂鸣器和发光二极管，振荡器可以用TTL门电路构成的多谐振荡器[31]。采用这2种方法可降低该局部的电路的功耗。设计中，LED发光二极管的工作电流为5-20mA，最大不超过50mA，否那么会烧坏器件。为了获得良好的发光效果，LED工作电流控制在10-15mA较为合理。在图中所示硬件电路中，D口得RD4,RD5，RD6，RD7，接声，光报警电路，其中D口的RD5-RD7分别接质量浓度过高，相等，过低的LED。当气体检测仪检测质量浓度低于设定值时，绿灯亮；当气体质量浓度到达某一定值时，黄灯亮；当高于设定值时，红灯亮并发出警报信号。图4.9声光报警电路4.2.6显示电路的设计在该设计中，LED显示器的显示方法采用动态显示。LED动态显示的根本做法在于分时轮流选通数码管的公共端，使得各数码管轮流导通，在选通相应的LED后，即在显示字段上得到显示字形码。这种方式不但能提高数码管的发光效率，并且由于各个数码管的字段线是并联使用的，从而大大简化了硬件线路。本设计中处理结果采用4位LED显示，首次显示气体类别，后3位显示气体浓度。逐位轮流点亮各个LED，每一位保持1ms，在10-20ms之内再一次点亮，重复不止。这样利用人的视觉停留，好似4位LED同时点亮一样。图4.10显示电路4.3生成PCB图见附录B4.4本章小结本章主要介绍系统硬件设计。硬件电路由数据采集、数据转换、数据处理、结果显示和报警等局部组成，本设计所用到的芯片有AD0809模数转换芯片、AT89C51单片机还有一些气体传感器、复位电路、驱动电路、LED显示模块。并实际的联系在一起，能绘画出具体可操作的电路图，详尽的介绍了本设计硬件局部的构造及可实现性。5软件局部设计5.1主程序流程图设计如下图的系统流程图，是用来描述整个系统的工作过程。首先，初始化中包括I/O口初始化与外部中断初始化。本设计I/O口初始化包括使按键，蜂鸣器，数码管等调整为初始化状态。系统定义I/O口初始化接高电平，按键启动接低电平，且数码管界面定义8888为初始化状态。外部中断初始化是以中断方式判断按键是否按下。假设按键被按下，那么按键所接的低电平被触发，且按键按一次采集数据，不按不采集，以便选择结果。假设为Y，会进行下一步操作，进入中断来读取传感器值，显示气体浓度值和气体类别。执行完毕后，回到主函数，继续等待按键按下。假设为N，会返回等待按键按下。图5.1系统流程图5.2AD0809局部程序流程图设计如下图，此程序流程图反映了中断函数工作的流程与读取传感器值所需要的步骤。开始是表示主函数等待，有键按下使AD0809数模转换芯片呈现初始化状态。写入通道号用来决定多种气体的其中一种，由气体传感器所输出的微弱电信号经它们各自的信号放大电路对信号进行预处理，让其转装换为0-5V内变化的直流信号，传送到AD0809数模转换芯片进行数据采集处理。本设计定义：C为L，B为L，A为L，那么输入IN0端口为酒精气体模拟信号。C为L，B为L，A为H，那么输入IN1端口为一氧化碳气体模拟信号。C为L,B为H，A为L，那么输入IN2端口为甲烷气体模拟信号[32]。延时20us后等待EOC变高是AD0809转换完成的标志信号，其中20us的时间是用来给AD0809将模拟信号转换处理为数字信号所花费的时间。此时，单片机读取EOC，表示AD0809转换完成。所读取的8位数据将会由单片机进行数据处理转换为具体的气体浓度值，进而由数码管进行显示。假设完成那么返回等待按键按下。图5.2AD0809局部程序流程图设计5.3数据处理模拟量输入模块可能采集到缓慢变化的模拟量信号中的干扰噪声，这些噪声往往以窄脉冲的方式出现。为了减轻噪声信号的影响，可以对连续假设干次采集到的值取平均值〔即平均值滤波〕，用平均值来代替当前采集到的数据。在本系统采集到的数据中，现场如果强电设备较多，不可防止的会产生尖脉冲干扰，这种干扰一般持续时间短，峰值大，对于这样的数据进行数字滤波处理时，仅仅采用算数平均值滤波时，尽管对脉冲干扰进行了1/n的处理，但其剩余值仍然较大。这种场合最好的策略是：将被认为是受干扰的信号数据去掉，这就是防脉冲干扰平均值滤波法的原理。防脉冲干扰平均值滤波法的算法是：对连续的n个数据进行排序，去掉其中最大和最小的2个数据，将剩余数据示平均值。在一般8051单片机的应用中为了加快数据处理速度，n可以取值6。而对于具有较快速度的处理器，可以加快处理速度[33]。以下为局部核心代码：#defineLEN6//移动算术平均的个数+2=SHIFT<<2+2

#defineSHIFT2//2^SHIFTuint8pdata;//移动指针

uint8pmax,pmin;//记录数据表中最大值和最小值的位置,

//在一般的数据采集系统中,数据的长度>=8,

//因此用指针记录而不是直接记录最大值和最小值

dtypedatas[LEN];dtypeszlb(dtype_data)

{

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

/*在调用此子程序前必须对*/

/*pdata,datas[]数组,*/

/*pmax,pmin进行初始化*/

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

dtypeaverage=0;//清零，用来计算平均值

pdata=(pdata+1)%LEN;//指针下标在0到LEN-1上滑动

datas[pdata]=_data;//采样所得数据存入数据表中

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

average+=datas[i];//求所有数据总和/*******去除被认为是脉冲的数据******/

if(_data>datas[pmax])

pmax=pdata;//得到最大值的指针

elseif(_data<datas[pmin])

pmin=pdata;//得到最小值的指针

if(pdata==pmax)//如果当前输入值将存入当前最大值的位置时

{//由以上方法将不可行，必须从其他位置中查找极值

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

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

pmax=i;

}

elseif(pdata==pmin)//如果当前输入值将存入当前最大值的位置时

{//由以上方法将不可行，必须从其他位置中查找极值

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

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

pmin=i;

}

average=average-datas[pmax]-datas[pmin];//减去脉冲return(average>>SHIFT);//求算术平均值

}经过平均值滤波后，数据已经能够较准确的反映采集到的物理量，然后在软件中根据传感器数据手册规律列表，修正，将采集到的数据转换成为对应的浓度信息，存储，以备显示[34]。5.4显示子程序流程图设计如下图，显示子程序流程特为控制数码管以及显示数据的整个过程介绍。图5.3显示子程序流程图设计5.5本章小结本章介绍系统软件设计。软件局部包括数据采集、处理、显示、报警等局部。并附有详细的程序流程图，全面介绍了本设计软件局部的思路。6结论本论文设计了一个基于AT89C51单片机的气体浓度检测系统。它由气体传感器、复位电路、驱动电路、LED显示等模块组成，绘画出了具体可操作的电路图，并详尽的介绍了本设计硬件局部的构造及可实现性。主要用于一氧化碳、液化气、甲烷、丙烷等室内有毒气体的浓度检测。当空气中有毒气体到达一定浓度时，将危及人的健康和平安，而及时发现有毒气体是所有预防危害的关键。因此，气体浓度检测系统的研究有重要的现实意义。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的简单总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点片面。毕业设计不仅是对大学四年所学知识的检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己所学的知识还比拟欠缺。自己要学习的东西还很多。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结：第一：接到任务以后进行选题。选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。我选择的题目是气体浓度检测系统设计，因为我对这个方面比拟感兴趣，而且这方面的技术也在不断的更新之中，有很好的前景。第二：题目确定后就是找资料了，查资料是做毕业设计