基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

1、基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案1.1 關(guān)于二氧化硫監(jiān)測(cè)的背景和應(yīng)用隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)的發(fā)展， 空氣污染致使空氣質(zhì)量的越來(lái)越差。 空氣是人類生產(chǎn)和生活 活動(dòng)中永遠(yuǎn)都離不開(kāi)的重要部分， 空氣質(zhì)量狀況對(duì)人們的日常生活和社會(huì)發(fā)展有著重要的作 用，必然受到人們的高度重視。 為了更進(jìn)一步的解空氣環(huán)境質(zhì)量， 達(dá)到保護(hù)、管理和改良環(huán) 境的目的， 就必須有計(jì)劃地進(jìn)行空氣環(huán)境的調(diào)查研究和監(jiān)測(cè)， 以便得到明確的認(rèn)識(shí)， 同時(shí)有 效地采取措施， 控制和減少空氣污染。 空氣污染物中的二氧化硫?qū)θ梭w健康的影響很大。 二 氧化硫通過(guò)呼吸進(jìn)入氣管， 對(duì)局部組織產(chǎn)生刺激和腐蝕作用， 影響呼吸道， 誘發(fā)支氣管等疾 病。

2、特別是當(dāng)它與煙塵等氣溶膠共存時(shí)， 更加重對(duì)呼吸道粘膜的損害。 二氧化硫?qū)θ藗兊娜?常生活、 工作、 娛樂(lè)等方面也有不同程度的影響。 高濃度二氧化硫中毒主要引起不同程度的 呼吸道及眼的刺激癥狀。 輕微時(shí)會(huì)發(fā)生流淚、 畏光、 咳嗽嚴(yán)重者則可在數(shù)小時(shí)發(fā)生肺水腫而 出現(xiàn)呼吸困難。 工業(yè)生產(chǎn)中的二氧化硫急性中毒， 一般僅見(jiàn)于事故發(fā)生時(shí)。 吸入極高濃度時(shí) 可立即引起發(fā)射性聲門痙攣而致窒息死亡。 二氧化硫排放導(dǎo)致了嚴(yán)重的酸雨、 光化學(xué)煙霧等 全球環(huán)境問(wèn)題。當(dāng)空氣中的二氧化硫 (還有氮氧化物 )轉(zhuǎn)換為酸性降水， 形成酸雨。 它對(duì)地理和生態(tài)環(huán)境 有重大影響，這種影響是直接的和潛在性的。 會(huì)造成土壤的酸化、 腐蝕

3、各種建筑物材料。目 前中國(guó)已有 62.3%的城市，二氧化硫的過(guò)量排放己成為中國(guó)酸雨污染的最主要的原因。天然 降水的本底 pH值為 5.65 ，一般將 pH值小于 5.6 的降水稱為酸雨，形成酸雨的主要物質(zhì)是二氧 化硫和氮氧化物，而我國(guó)酸雨以硫酸為主，當(dāng)二氧化硫經(jīng)液相氧化或者氣相氧化反應(yīng)生成， 被降水洗脫降到地面后形成酸雨。酸雨對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)、 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、建 筑物和材料以及人體健康等方面均有危害， 并己造成了較大的損失。 80年代， 中國(guó)的酸雨主 要發(fā)生在西南地區(qū)，面積約為 170萬(wàn)平方公里，到了 90年代，酸雨污染擴(kuò)展到華中、華南、 華東、華北和東北等地區(qū)，面積已占全國(guó)面積的

4、40%。二氧化硫及其所形成的酸雨已成為制約我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。 因此， 對(duì)周圍環(huán)境中二氧化硫進(jìn)行監(jiān)測(cè)是斷定 二氧化硫污染程度、進(jìn)行二氧化硫污染治理的必要工作。空氣中二氧化硫的濃度經(jīng)常以每立方米空氣中的二氧化硫含量來(lái)表示， 可以用質(zhì)量體積3 3 6 9 比( mg/m 、ug/m )或者氣態(tài)時(shí)的體積比 ( l ppm = l/10 ；l ppb = l/10 )表示。它們之間 的換算公式為：mg 氣體摩 爾體摩1ppm 1 m3氣體分子量(1.1)3所以對(duì)于二氧化硫， 1ppm = 0.35 mg/m 3 。由于環(huán)境條件復(fù)雜， 隨機(jī)變化明顯， 濃度圍較寬， 二氧化硫的濃度值具有

5、極強(qiáng)的時(shí)間性 和空間性，受人為和空間環(huán)境影響特別大，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、精密性和可比性， 以及使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更具權(quán)威性和法律性。 加強(qiáng)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的質(zhì)量保證尤為重要。 在國(guó)家環(huán)保 部的指導(dǎo)下， 環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證工作逐步地走向規(guī)， 并陸續(xù)出臺(tái)了一系列各種環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn) 方法與文件，以及管理規(guī)定和制度。如水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法、 環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)質(zhì)量保 證手冊(cè) 。這在制度和方法上對(duì)空氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了統(tǒng)一， 體現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)的科學(xué)性和嚴(yán) 肅性， 同時(shí)對(duì)空氣環(huán)境的質(zhì)量保證也有了明確的規(guī)定。 特別是近期 環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證管理 規(guī)定、 環(huán)境監(jiān)測(cè)人員上崗證管理規(guī)定等制度的出臺(tái)，在很大程度上，一方面規(guī)了環(huán)境 監(jiān)測(cè)的

6、科學(xué)方法， 另一方面又對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)人員提出了更高的要求。 逐步實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量保 證工作的系統(tǒng)。1.2 二氧化硫監(jiān)測(cè)儀器的現(xiàn)狀目前對(duì)二氧化硫的監(jiān)測(cè)手段有很多種， 常用的方法有分光光度法， 碘量法， 熒光光度法， 紫外熒光法，離子檢譜法，電化學(xué) SO2 傳感器法。生物(苔蘚，薔薇)法等用于 SO2 測(cè)量的 新技術(shù)也在研發(fā)過(guò)程中。 這幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下：分光度法主要基本原理是利用空氣中的SO2 被四氯汞鉀溶液吸收后， 與甲醛和鹽酸副玫瑰苯胺 (PRA)反應(yīng)生成紫紅色化合物，其顏色深淺與SO2 含量成正比，用分光光度法測(cè)定其顏色成分。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，選擇性好，易于操作，設(shè)備簡(jiǎn)單等。缺點(diǎn)是使用毒性極

7、大的 四氯汞鉀作吸收液 ，不僅對(duì)操作人員健康產(chǎn)生影響，而且分析后大量含汞廢液往入會(huì)造成 環(huán)境污染。碘量法的基本原理是利用氨基磺酸銨 - 硫酸銨混合溶液吸收 SO2 是固定污染源排氣的 SO2 濃度和 SO2 排放速率測(cè)定的經(jīng)典方法。其優(yōu)點(diǎn)是具有測(cè)定濃度圍寬，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，易 操作等特點(diǎn)。熒光光度法是根據(jù)奎寧與 SO2 反應(yīng)能夠生成熒光物質(zhì)， 利用熒光光度計(jì)在 365nm處激發(fā) 和 450nm 處測(cè)定熒光強(qiáng)度即可計(jì)算出 SO2 的濃度。優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高。缺點(diǎn)是易受氧氣的干 擾。紫外熒光法的基本原理為由光源發(fā)射出的紫外光， 通過(guò)光源濾光片進(jìn)入反應(yīng)室， 樣氣中 的 SO2 分子吸收紫外光生成激發(fā)態(tài) S

8、O2, 當(dāng)它回到基態(tài)時(shí)放射出熒光紫外線 , 其放射熒光強(qiáng)度 與 SO2 濃度成正比 , 通過(guò)第二個(gè)濾光片 , 用光電倍增管接受熒光紫外線并轉(zhuǎn)化為電信號(hào) , 經(jīng)過(guò) 放大器輸出 , 即可知道 SO2 濃度。離子監(jiān)測(cè)法工作原理為待測(cè)空氣被連續(xù)地抽入儀器， 經(jīng)過(guò)選擇性過(guò)濾器，除去干擾物 后進(jìn)入庫(kù)侖池，庫(kù)侖池中有三個(gè)電極鉑絲陽(yáng)極，鉑網(wǎng)陰極和活性炭參比電極，電解液為 0.3mol/L 堿性碘化鉀溶液， 若將一恒流電源加于庫(kù)侖池陰陽(yáng)極之間， 則電流將從陽(yáng)極流入， 經(jīng)陰極和參比電極流出。 因參比電極通過(guò)負(fù)載電阻和陰極連接故陰極電位是參比電極電位和 負(fù)載上電壓降之和。缺點(diǎn)是不易便攜，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電化學(xué)氣體傳感器是

9、利用電解池原理， 將空氣中某種化學(xué)氣體通過(guò)氧化或還原反應(yīng)將濃 度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電信號(hào)的大小得到相應(yīng)氣體的濃度。二氧化硫傳感器其優(yōu)點(diǎn)是 : 對(duì)二氧化硫氣體有很高的靈敏度， 具有良好的重復(fù)性， 對(duì)二氧化硫氣體有很好的選擇性， 體 積小集成化高，易便攜。缺點(diǎn)是易受干擾?？捎糜诠I(yè)、民用對(duì)SO2 氣體的監(jiān)測(cè)。例如： SO2監(jiān)測(cè)儀 ,SO2 報(bào)警儀及實(shí)驗(yàn)室用監(jiān)測(cè)報(bào)警器等監(jiān)測(cè)含有SO2 類氣體的場(chǎng)所或需要 SO2氣體濃度數(shù)值的產(chǎn)品。生物法主要是利用苔蘚等一些對(duì)空氣二氧化硫敏感的植物， 利用其對(duì)不同的二氧化硫濃 度的變色和變形等特點(diǎn)， 對(duì)大氣的二氧化硫濃度進(jìn)行大概的監(jiān)測(cè)， 其優(yōu)點(diǎn)是綠色環(huán)保， 缺點(diǎn)

10、是精度較低，具體標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施方法尚在試驗(yàn)階段。1.3 二氧化硫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)的二氧化硫監(jiān)測(cè)儀是采用 3SF C.T 傳感器， 傳感器與二氧化硫氣體反應(yīng)輸出電流 信號(hào)，經(jīng)串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)， 在經(jīng)過(guò)儀用放大器放大后，傳給 TLC2543AD轉(zhuǎn)換器， 經(jīng) 過(guò) AD 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，輸出濃度值有1602液晶顯示屏輸出。 并由 RS232串口經(jīng)過(guò)串口線交給上位機(jī) （電腦），電路還有濃度報(bào)警裝置， 上位機(jī)也可以通過(guò)串口來(lái)設(shè)定報(bào)警值。二氧化硫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框圖如圖 1.1 所示。圖 1.1 二氧化硫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖在進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作的過(guò)程中， 以各模塊為單位，

11、 來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和程序的編寫， 將各個(gè) 模塊有機(jī)的連接在一起，在與上位機(jī)連接，形成一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。第二章 硬件部分設(shè)計(jì)方案硬件設(shè)計(jì)概述硬件電路的設(shè)計(jì)是本課題的一個(gè)重點(diǎn)， 硬件電路的設(shè)計(jì)要考慮到傳感器的特性， 放大電 路的放大倍數(shù)，共模干擾， AD 轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)的穩(wěn)定性，電源電路的穩(wěn)定性，單片機(jī)端口的特 性等問(wèn)題。本次電路設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)，點(diǎn)偏激系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， AD 轉(zhuǎn)換器的 電路的設(shè)計(jì)，串口電路的設(shè)計(jì)， LCD顯示器的電路設(shè)計(jì)，報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及電源電路 的設(shè)計(jì)。并考慮到其中的一些有關(guān)穩(wěn)定性的問(wèn)題。2.1 空氣質(zhì)量檢測(cè)儀系統(tǒng)簡(jiǎn)介基于 STC90C51的智能空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀是以空氣中有

12、毒有害氣體二氧化硫的監(jiān)測(cè)監(jiān)控為 背景， 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空氣中二氧化硫氣體的實(shí)時(shí)采集處理、顯示、報(bào)警等功能。 儀器采用鋰電池供電， 具有良好的便攜性和通用性， 并且使用 LCD點(diǎn)陣式液晶屏顯示菜單， 有良好的人機(jī) 對(duì)話界面。同時(shí)設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在參數(shù)超標(biāo)時(shí)及時(shí)的報(bào)警。本文研究的智能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀是以STC工公司的一款 8 位超低功耗單片機(jī) STC90C51為控制核心。空氣中有害氣體通過(guò)傳感器輸出一個(gè)與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào) , 該信號(hào)經(jīng) 過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換電路按一定得采樣頻率將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以 便進(jìn)行顯示處理， 溫濕傳感器直接與單片機(jī)相連。 單片機(jī)對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)

13、字處理后驅(qū)動(dòng)液晶 顯示器分別顯示出被測(cè)空氣中二氧化硫氣體濃度值。 若被測(cè)空氣有害氣體氣體的濃度有超過(guò) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)定的危險(xiǎn)值超出設(shè)定圍時(shí)報(bào)警電路對(duì)應(yīng)的發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。2.2 STC90C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 單片機(jī)因具有集成度高、 體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在 許多領(lǐng)域如過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、 家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面 得到廣泛應(yīng)用， 從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、 自動(dòng)化程度大大提高。 根據(jù)上述幾方面及本課 題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮 :一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。 由于一般室電子電器產(chǎn)品比較多， 這對(duì)單片機(jī)的干擾較大， 所以應(yīng)

14、采用抗干擾性能較好的單片機(jī)機(jī)型。二是要有較高的性價(jià)比。 單片作為整個(gè)系統(tǒng)的中央處理器， 承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理 和過(guò)程控制， 以及通信等功能。 由于高度的通用性和出色的穩(wěn)定性， 本系統(tǒng)采用宏晶公司產(chǎn) 的低功耗，高性能 CMOS 8位單片機(jī)的 STC90C51作為控制器。片含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程 的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器， 器件采用 ATMEL公司的高密度、 非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)， 兼容標(biāo) 準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。 它集 Flash 程序存儲(chǔ)器既可在線編程 (ISP) 也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編 程及通用 8 位微處理器于單片芯片中， 可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合， 可靈活應(yīng)

15、用于各種 控制領(lǐng)域。2.2.1. 輸入輸出引腳(1) P0 端口 P0.0-P0.7 P0 是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 端口，端口置 1(對(duì)端口 寫 1)時(shí)作高阻抗輸入端。作為輸出口時(shí)能驅(qū)動(dòng)8 個(gè) TTL。對(duì)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收指令字節(jié) ; 校驗(yàn)程序時(shí)輸出指令字節(jié)，要求外接上拉電阻。在訪問(wèn)外部程序和外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器時(shí)， P0口是分時(shí)轉(zhuǎn)換的地址 (低8位)/ 數(shù)據(jù)總線，訪問(wèn)期間部的上拉電阻起作用。(2) P1端口P1.0 P1.7 P1是一個(gè)帶有部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時(shí)可驅(qū) 動(dòng) 4 個(gè) TTL。端口置 1 時(shí)，部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用

16、。對(duì)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收低 8 位地址信息。(3) P2端口P2.0 P2.7 P2是一個(gè)帶有部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時(shí)可驅(qū) 動(dòng) 4 個(gè) TTL。端口置 1 時(shí)，部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對(duì)部Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收到高 8 位地址和控制信息。在訪問(wèn)外部程序和 16 位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2口送出高 8 位地址。而在訪問(wèn) 8 位地址 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)其引腳上的容在此期間不會(huì)改變。(4) P3端口P3.0 P3.7 是一個(gè)帶有部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL。端口置 1 時(shí)，部上拉電阻將端口拉到高

17、電平，作輸入用。對(duì)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)， 接到控制信息。 除此之外 P3 端口還用于一些專門功能， p3 端口的引腳功能如表 2.2 所示。表 2.2 P3 端口引腳兼用功能表P3引腳兼用功能P3.0串行通訊輸入( RXD)P3.1串行通訊輸出( TXD)P3.2外部中斷 0( INT0 )P3.3外部中斷 1( INT1)P3.4定時(shí)器 0 輸入 (T0)P3.5定時(shí)器 1 輸入 (T1)P3.6外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 WRP3.7外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 RD2.2.2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由電源、 復(fù)位、晶振、 /EA=1 組成，下面介紹一下每一個(gè)組成部分。Vcc電源

18、端,GND 接地端。工作電壓為 5V，另有 AT89C51工作電壓則是 2.7-6V, 引腳功能樣。 XTAL1 是片振蕩器的反相放大器輸入端， XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部 振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到 XTAL1，而 XTAL2懸空。部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期( 24 個(gè)振蕩周期)以上的高電平出現(xiàn)在此引腿時(shí)， 將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個(gè)腳保持高電平， 51 芯片便循環(huán)復(fù)位。經(jīng)過(guò)上述介紹，結(jié)合一般用的比較多的情況，單片機(jī)的外圍電路如圖 2.5 所示。2.2.3STC90C51主要性能參數(shù)1、與 MCS.51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容2、4k字節(jié)在系統(tǒng)編

19、程 (ISP)Flash 閃速存儲(chǔ)器3、1000次擦寫周期4、4.0-5.5V 的工作電壓圍5、全境態(tài)工作模式： 0Hz-33MHz6、三級(jí)程序加密鎖7、128 8字節(jié)部RAM8、32個(gè)可編程 I O口線9、2個(gè) 16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器10、6個(gè)中斷源11、全雙工串行 UART通道12、低功耗空閑和掉電模式13、中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)14、看門狗 (wDT) 及雙數(shù)據(jù)指針15、掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性16、靈活的在線系統(tǒng)編程STC90C51芯片管腳如圖 2-1 。圖 2-1 STC90C51 引腳布置圖 2.5 單片機(jī)外圍電路2.2.4 時(shí)鐘電路模塊時(shí)鐘電路由一個(gè)晶體振蕩器 12MHZ和兩個(gè) 30p

20、F 的瓷片電容組成。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單 片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)， 而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。 單片機(jī) 本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路， 為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)， 電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信 號(hào)控制下嚴(yán)格地工作。其電路如圖 2-2 所示：2.2.5 復(fù)位電路模塊 復(fù)位電路是使單片機(jī)的 CPU或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)， 并從這狀態(tài) 開(kāi)始工作， 除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外， 當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死 鎖狀態(tài)時(shí)， 為擺脫困境， 也需按復(fù)位電路以重新啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用的是按鍵復(fù)位電路。 其電 路如圖 2-3 所示：圖 2-3 復(fù)位電路模塊2.3 傳感

21、器的選用現(xiàn)在傳感器的種類有很多種的， 大致的分為電阻傳感器、 電容傳感器、 電感傳感器以及半導(dǎo) 體傳感器等。2. 3.1 氣體傳感器1氣體傳感器基礎(chǔ)知識(shí)按照氣敏特性來(lái)分，氣體傳感器主要分為：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。(1) 半導(dǎo)體型氣體傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 半導(dǎo)體氣體傳感器具有成本低廉、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)。 不足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。(2) 半導(dǎo)體傳感器需要加熱的原因 半導(dǎo)體傳感器是利用一種金屬氧化物薄膜制成的阻

22、抗器件， 其電阻隨著氣體含量不同而 變化。氣體分子在薄膜表面進(jìn)行還原反應(yīng)以引起傳感器電導(dǎo)率的變化。 為了消除氣體分子達(dá) 到初始狀態(tài)就必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。 傳感器的加熱器可以加速氧化過(guò)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(méi)有加熱或加熱電壓過(guò)低導(dǎo)致溫度太低反應(yīng)不充分。(3) 電化學(xué)氣體傳感器的工作原理 電化學(xué)氣體傳感器是通過(guò)監(jiān)測(cè)電流來(lái)監(jiān)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， 目前可以監(jiān)測(cè)許多有毒氣體和氧氣， 后者還能監(jiān)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。 不足之處是有壽命的限 制一般為兩年。(4) 半導(dǎo)體

23、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。(5) 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， 不足之處就是響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。(6) 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在表面或者在催化劑作用下燃燒，

24、 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。(7) 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(guò)測(cè)量紅外吸收波長(zhǎng)來(lái)監(jiān)測(cè)氣體。 目前因?yàn)?它的結(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價(jià)頗高。 基于本文的實(shí)時(shí)要求和性價(jià)比等方面的原因， 本系統(tǒng)選用電化 學(xué)傳感器中的定電位電解式氣體傳感器。本設(shè)計(jì)選用 3SF CT 傳感器，具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性，體積小巧。實(shí)物如圖 2-4 ， 使用時(shí)的連接電路如圖 2-5 。圖 2-4 二氧化硫傳感器實(shí)物圖 圖 2-5 傳感器接線圖2.4

25、二氧化硫傳感器對(duì)幾種二氧化硫監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)的比較， 考慮到工作量和可操作性的問(wèn)題。 本次設(shè)計(jì) 所采用的方法是二氧化硫電化學(xué)傳感器的方法。2.4.1 電化學(xué)氣體傳感器檢測(cè)原理電化學(xué)氣體傳感器是一種新型的傳感器技術(shù)， 它是利用電解池原理， 將空氣中某種化學(xué) 氣體通過(guò)氧化或還原反應(yīng)將濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電信號(hào)的大小得到相應(yīng)氣體的濃 度，常用于測(cè)量二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等氣體濃度。2.4.2 3SF CT 傳感器在本課題中， 目前用來(lái)測(cè)量二氧化硫的電化學(xué)傳感器有很多種， 其中最為著名的是美國(guó) 的AGE和英國(guó)的 CITY兩家公司，他們的原理基本相同，只是輸出信號(hào)的大小有所不同，測(cè)量 圍有所

26、差異，所以我們選用英國(guó) City Technology 公司生產(chǎn)的 3SF CT電化學(xué)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)二 氧化硫的濃度，該傳感器是三電極的電化學(xué)傳感器。3SF CT傳感器是一種新型的定電位電解化學(xué)氣體傳感器，它基于伽伐尼電池基本原理， 具有體積較小、 重量輕、 線性度好、 性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。它由浸沒(méi)在液體電解液中的三個(gè)電極 構(gòu)成，傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 2.l 所示。圖2.1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖3SF CT傳感器是由三個(gè)電極構(gòu)成，三個(gè)電極分別為：T作電極 (Sensing Electrode) 、參比電極 (Reference Electrode) 、對(duì)電極 (Counter Electrode) City

27、 Technology 公司的 電化學(xué)毒氣傳感器 (包括 3SF CT傳感器 )是微燃料元件， 不必保養(yǎng)而可以保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。 傳感器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是氣體擴(kuò)散通過(guò)障它限制了氣體迸入工作電極。 電極能對(duì)到達(dá)它表面的所 有目標(biāo)氣體進(jìn)行反應(yīng)，并且仍然有儲(chǔ)備的電化學(xué)活動(dòng)。這種高活動(dòng)儲(chǔ)備保證 CT 產(chǎn)品的長(zhǎng)使 用壽命和溫度穩(wěn)定性。在 設(shè)計(jì)任何電化學(xué)氣體傳感器時(shí)，很重要的一點(diǎn)是，通過(guò)氣體擴(kuò)散 通過(guò)障礙限制速率， 而其它各階段速率應(yīng)該有顯著的增加。 所以， 為保證傳感器電化學(xué)反應(yīng) 的速度，必須使用具有高催化作用的電極材料。所有CT產(chǎn)品具有高度活躍電極，并且給傳感器非常高的能量?jī)?chǔ)備，這就保證了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

28、 。2.4.3 SF CT 傳感器的技術(shù)說(shuō)明3SF CT傳感器是專門的煙道二氧化硫氣體監(jiān)測(cè)用的傳感器，傳感器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2.1 所示。表 2.1 傳感器參數(shù)正常監(jiān)測(cè)圍0-200ppm最大過(guò)載濃度5000ppm使用壽命空氣中 2年輸出信號(hào)0.10 0.02 Appm精度lppm溫度圍-20 。C 50。C壓力圍：空氣壓力 10響應(yīng)時(shí)間 (t90)30秒相對(duì)濕度圍15to 90 非結(jié)露標(biāo)準(zhǔn)基線圍( 純空氣中 )相當(dāng)于 0 2ppm最大的零點(diǎn)移動(dòng) (+20 +40)相當(dāng)于 5ppm長(zhǎng)時(shí)間的輸出漂移2信號(hào)失真月建議的負(fù)載電阻3k輸出線性度線性為了使傳感器處于“準(zhǔn)備工作”的狀態(tài)， 3SF CT傳感

29、器供電時(shí)，在工作電極與參比電極 之間有一短連接 ( 用一導(dǎo)線直接連接起來(lái) ) 。傳感器在儲(chǔ)藏過(guò)程中必須保留此短連接， 而且只 有當(dāng)準(zhǔn)備使用傳感器的時(shí)候， 才能去掉這個(gè)短連接。 在儀器不供電時(shí)， 如果工作電極和參比 電極不再短連接，一旦再次使用，傳感器就需要很長(zhǎng)的一段“啟動(dòng)時(shí)間” 。在傳感器電路設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)實(shí)現(xiàn)短連接和斷開(kāi)的功能 （ 繼電器功 Og），當(dāng)電路不供電 時(shí)，這個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管可以保持工作電極和參比電極短路。為使傳感器正確的工作，3SF CT傳感器的對(duì)電極和參比電極需要很少量的氧氣供應(yīng)。這些氧氣經(jīng)常是由采樣來(lái)的氣流供應(yīng) 的，通過(guò)空氣擴(kuò)散到傳感器的前端，或者通過(guò)傳感器

30、的周圍和后端擴(kuò)散到傳感器的前端 （ 通 常幾千 ppm的氧氣就足夠了 ） 。如果傳感器沒(méi)有后端氧氣供應(yīng)通路， 持續(xù)暴露在厭氧性的采樣 氣體中，則傳感器就會(huì)失靈。 3SF CT傳感器一定不能被完全地放入到樹脂中或整個(gè)地浸入到 厭氧性的氣體混合物中。最初校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的時(shí)間間隔長(zhǎng)短取決于許多因素， 通常包括傳感器的使用溫度、 濕度、 壓力，被暴露于何種氣體，及被暴露于氣體的時(shí)間長(zhǎng)短。但3SFCT傳感器能在較長(zhǎng)時(shí)間提供非常穩(wěn)定的信號(hào)，使用 3SFCT傳感器只需要定期校準(zhǔn)，如每年一次。如對(duì)傳感器使用要求極 高或用于安全應(yīng)用，則校準(zhǔn)工作可能相對(duì)頻繁些。2.4.4 3SF CT 傳感器的檢測(cè)原理 所以本文主

31、要介紹如何利用 3SF傳感器監(jiān)測(cè)二氧化硫氣體含量 3SF傳感器采用的是電化 學(xué)傳感器，該傳感器的總反應(yīng)公式。2SO2 O2 2H 2O 2H 2SO4（2.1 ）反應(yīng)中有電流流動(dòng)， 電流的大小由氣體的擴(kuò)散決定， 由菲克斯擴(kuò)散定律碰綴出極限擴(kuò)散 電流與氣體濃度的關(guān)系為：iL （Z F S D）/ C（2.2 ）其中：i L為極限擴(kuò)散電流； Z為電子轉(zhuǎn)移數(shù)； F 為法拉第常數(shù)； S為氣體擴(kuò)散面積； D為氣體 擴(kuò)散系數(shù)； 為氣體擴(kuò)散層厚度； C 為被測(cè)氣體濃度在一定工作條 件下 Z 、 F 、S、 D 均為常數(shù)。則可令：K （Z F S D）/ （2.3 ）于是有：iL K C（2.4 ）即極限擴(kuò)散

32、電流與被測(cè)氣體濃度之間成正比 因此，通過(guò)被測(cè)氣體電解時(shí)所產(chǎn)生的電流 可推知被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度。 3SF三電極傳感器用的是無(wú)偏操作的外接電路，對(duì) 于二氧化硫氣體在工作電極發(fā)生氧化反應(yīng)的， 該電路輸出為正 對(duì)于在工作電極發(fā)生還原反 應(yīng)的氣體輸出為負(fù)三電極設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)在于催化了電化學(xué)反應(yīng)較弱氣體的氧化還原反 應(yīng)。接口說(shuō)明3、電源引腳傳感器的的供電電壓為3 5.5V 。傳感器上電后，要等待 1s 以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。電源引腳（ VDD，GND）之間可增加一個(gè) 100nF 的電容，用以去耦 濾波。4、串行接口 （ 單線雙向 ）DATA 用于微處理器與 傳感器之間的通訊和

33、同步， 采用單總線數(shù)據(jù)格式， 一次通訊時(shí)間 4ms左右， 數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分， 具體格式在下面說(shuō)明， 當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展， 現(xiàn)讀出為零 . 操作流程如下：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為 40bit ，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bi 溫度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“ 8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bi 溫度整數(shù) 數(shù)據(jù) +8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末 8位。用戶 MCU發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，傳感器從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信 號(hào)結(jié)束后， 傳感器發(fā)送響

34、應(yīng)信號(hào)， 送出40bit 的數(shù)據(jù) ,并觸發(fā)一次信號(hào)采集， 用戶可選擇讀取 部分?jǐn)?shù)據(jù)。 從模式下， 傳感器接收到開(kāi)始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集， 如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā) 送開(kāi)始信號(hào)，傳感器不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。總線空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線拉低等待傳感器響應(yīng), 主機(jī)把總線拉低必須大于 18毫秒， 保證傳感器能檢測(cè)到起始信號(hào)。 傳感器接收到主機(jī)的開(kāi)始信號(hào)后， 等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào) 結(jié)束，然后發(fā)送 80us 低電平響應(yīng)信號(hào)。主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待20-40us 后，讀取傳感器的響應(yīng)信號(hào)，主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可， 總線由上拉電阻拉高?？?/p>

35、線為低電平， 說(shuō)明傳感器發(fā)送響應(yīng)信號(hào)， 傳感器發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后， 再把總線拉高 80us ， 準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)， 每一 bit 數(shù)據(jù)都以 50us低電平時(shí)隙開(kāi)始， 高電平的長(zhǎng)短定了數(shù)據(jù)位是 0還是 1。 格式見(jiàn)下面圖示， 如果讀取響應(yīng)信號(hào)為高電平， 則傳感器沒(méi)有響應(yīng)， 請(qǐng)檢查線路是否連接正 常。當(dāng)最后一 bit 數(shù)據(jù)傳送完畢后，傳感器拉低總線 50us ，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空 閑狀態(tài)。5、測(cè)量分辨率測(cè)量分辨率分別為 8bit 。6、電氣特性如表 2-3表2-3 電氣特性參數(shù)條件mintypmax單位供電DC355.5V測(cè)量0.52.5mA供電電流平均0.21mA待機(jī)100150uA采樣周期秒

36、1次注: 采樣周期間隔不得低于 1秒鐘。7、應(yīng)用信息7.1 工作與貯存條件超出建議的工作圍可能導(dǎo)致高達(dá) 3%RH的臨時(shí)性漂移信號(hào)。 返回正常工作條后， 傳感器會(huì) 緩慢地向校準(zhǔn)狀態(tài)恢復(fù)。要加速恢復(fù)進(jìn)程 / 可參閱 7.3 小節(jié)的“恢復(fù)處理” 。在非正常工作條 件下長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)加速產(chǎn)品的老化過(guò)程。7.2 暴露在化學(xué)物質(zhì)中 電阻式濕度傳感器的感應(yīng)層會(huì)受到化學(xué)蒸汽的干擾， 化學(xué)物質(zhì)在感應(yīng)層中的擴(kuò)散可能導(dǎo) 致測(cè)量值漂移和靈敏度下降。 在一個(gè)純凈的環(huán)境中， 污染物質(zhì)會(huì)緩慢地釋放出去。 下文所述 的恢復(fù)處理將加速實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。高濃度的化學(xué)污染會(huì)導(dǎo)致傳感器感應(yīng)層的徹底損壞。7.3 恢復(fù)處理 置于極限工作條件下

37、或化學(xué)蒸汽中的傳感器， 通過(guò)如下處理程序， 可使其恢復(fù)到校準(zhǔn)時(shí) 的狀態(tài)。在 50- 60和 10%RH的濕度條件下保持 2小時(shí)（烘干） ；隨后在 20- 30和70%RH的 濕度條件下保持 5小時(shí)以上。7.4 溫度影響 氣體的相對(duì)濕度， 在很大程度上依賴于溫度。 因此在測(cè)量濕度時(shí)， 應(yīng)盡可能保證濕度傳 感器在同一溫度下工作。 如果與釋放熱量的電子元件共用一個(gè)印刷線路板， 在安裝時(shí)應(yīng)盡可 能將傳感器遠(yuǎn)離電子元件，并安裝在熱源下方，同時(shí)保持外殼的良好通風(fēng)。為降低熱傳導(dǎo)， 傳感器與印刷電路板其它部分的銅鍍層應(yīng)盡可能最小，并在兩者之間留出一道縫隙。7.5 光線 長(zhǎng)時(shí)間暴露在太下或強(qiáng)烈的紫外線輻射中，會(huì)

38、使性能降低。7.6 配線注意事項(xiàng) DATA信號(hào)線材質(zhì)量會(huì)影響通訊距離和通訊質(zhì)量 , 推薦使用高質(zhì)量屏蔽線。8、封裝信息如圖 2-12 ，圖 2-12 傳感器封裝圖9、傳感器引腳說(shuō)明見(jiàn)表 2-4 。表2-4 引腳說(shuō)明Pin1234名稱VDDDATANCGND注釋供電 3 5.5VDC 串行數(shù)據(jù)，單總線 空腳，請(qǐng)懸空 接地，電源負(fù)極本設(shè)計(jì)采用的為傳感器模塊，原理圖為圖 2-13 ：圖 2-13 傳感器模塊接線圖2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)氣體傳感器出來(lái)的信號(hào)是模擬信號(hào)，而微處理器STC90C51只能處理數(shù)字信號(hào)，故需要對(duì)模擬信號(hào)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 將其轉(zhuǎn)換為處理器能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)， 由于測(cè)試電路出來(lái)的模擬

39、 電壓變化圍在 05V，故選擇性價(jià)比比較合適的 ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 其管腳定義如圖 2-14 所示。圖2-14 ADC0809管腳示意圖ADC0809各腳功能如表 2-5表 2-5 ADC0809 各腳功能引腳功能介紹D7-D08 位數(shù)字量輸出引腳IN0-IN78 位模擬量輸入引腳VCC+5V 工作電壓REF（+）參考電壓正端REF（ - ）參考電壓負(fù)端STARTA/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端ALE地址鎖存允許信號(hào)輸入端EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳， 開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平， 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束 時(shí)為高電平OE輸出允許控制端，用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為 500KHz）。A

40、、B、C地址輸入線ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓圍是0 5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變， 如若模擬量變化太快， 則需在輸入前增加采 樣保持電路。 ADC0809的時(shí)序接口為 51 系列單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，操作方便，如同對(duì)存 儲(chǔ)器或 I/O 操作一樣， A/D 轉(zhuǎn)換精度為 8 比特，滿足本課題要求。輸入的模擬電壓為05V，一次 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100S。ADC0809與單片機(jī)及 VOC傳感器的接線方式如圖 2-15 ：圖2-15 ADC0809接線原理圖2.6 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)為了使本系統(tǒng)對(duì)室空氣品質(zhì)的監(jiān)測(cè)更為直觀，采用了如圖2-16

41、 由 2 個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成的聲光報(bào)警電路。 其中 VOC氣體含量超標(biāo)時(shí)雙燈閃爍蜂鳴器報(bào)警， 溫度超標(biāo)時(shí) D1 燈亮蜂鳴器報(bào)警，濕度超標(biāo)時(shí) D2燈亮蜂鳴器報(bào)警。圖 2-16 聲光報(bào)警電路2.7 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)本課題所要顯示的數(shù)據(jù)選用 2 行 16 個(gè)字符的 LCD1602作為顯示模塊，滿足顯示要求。 液晶顯示模塊具有體積小、 功耗低、 顯示容豐富等特點(diǎn)， 現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單 片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件了。字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16*1 ，16*2 ，20*2 和 40*2 行等的模塊。下面以太陽(yáng)人電子的 16

42、02字符型液晶顯示器為例， 介紹其用法。一般 1602字符型液晶顯示器實(shí)物如圖 2-17 ：圖2-17 1602 字符型液晶顯示器實(shí)物圖2.7.1 LCD1602 的基本參數(shù)及引腳功能1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無(wú)差別，兩者尺寸差別如下圖2-18 所示：圖2-18 1602LCD 尺寸圖1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量： 16x2 個(gè)字符芯片工作電壓： 4.5V 5.5V工作電流： 2.0Ma（ 5V）模塊兒最佳工作電壓： 5.0V字符尺寸： 2.95 4.35（WH）mm引腳功能說(shuō)明：1602LCD采

43、用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無(wú)背光）或 16 腳（有背光）接口，各引腳說(shuō)明如表 2-6 所示：表 2-6 1602 引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/ 命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀 / 寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極第 1 腳： VSS為地電源。第 2 腳： VDD接 +5V 正電源。第 3 腳： VL 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì) 比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K 的電位

44、器調(diào)整對(duì)比度。第 4 腳： PS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第 5 腳： R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和 R/W 共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平 R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng) RS 為高電平 R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第 6 腳： E端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，夜景模塊執(zhí)行命令。第 714 腳： D0D7為八位雙向數(shù)據(jù)線。第 15 腳：背光源正極。第 16 腳：背光源負(fù)極。2.7.2 LCD1602 的指令說(shuō)明及時(shí)序1602 液晶模塊部的控制器共有 11 條控制指令，如表

45、 2-7 所示：表 2-7 控制命令表序號(hào)指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回0000000013置輸入模式00000001I/DS4顯示開(kāi) / 關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L6置功能00001DLNF7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址1011讀忙標(biāo)志或地址寫數(shù)到 CGRAM或 DDRAM從 CGRAM或 DDRAM讀數(shù)1 BF計(jì)數(shù)器地址要寫的數(shù)據(jù)容讀出的數(shù)據(jù)容1602 液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。(說(shuō)明： 1 為高電平、

46、 0 為低電平)指令 1：清顯示，指令碼 01H, 光標(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置。指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H。指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D ：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 S: 屏幕上所 有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無(wú)效。指令 4：顯示開(kāi)關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開(kāi)與關(guān)，高電平表示開(kāi)顯示，低電平表示關(guān)顯 示 C ：控制光標(biāo)的開(kāi)與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無(wú)光標(biāo)B ：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C ：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。指令 6：功能設(shè)置命令 DL ：高電平時(shí)為 4位總

47、線，低電平時(shí)為 8 位總線 N：低電平時(shí)為單 行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 F: 低電平時(shí)顯示 5x7 的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示 5x10 的點(diǎn)陣 字符。指令 7：字符發(fā)生器 RAM地址設(shè)置。指令 8： DDRAM地址設(shè)置。指令 9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址 BF ：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或 者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令 10：寫數(shù)據(jù)。指令 11：讀數(shù)據(jù)。2.7.3 1602LCD 的 RAM地址映射及標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)表液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件， 所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙， 否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模 塊

48、在哪里顯示字符，圖 2-21 是 1602 的部顯示地址。圖2-21 1602LCD 部顯示地址 第二行第一個(gè)字符的地址是 40H，寫入顯示地址時(shí)要求最高位D7恒定為高電平 1 所以實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是：01000000B( 40H) +10000000B(80H)=11000000B(C0H) 。在對(duì)液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式， 在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動(dòng)右移 的，無(wú)需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。1602液晶模塊部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（ CGRO）M已經(jīng)存儲(chǔ)了 160 個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形， 這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文

49、假名等，每一個(gè)字符都 有一個(gè)固定的代碼。2.7.4LCD1602 的一般初始化過(guò)程延時(shí) 15mS寫指令 38H（不檢測(cè)忙信號(hào)）延時(shí) 5mS寫指令 38H（不檢測(cè)忙信號(hào)）延時(shí) 5mS寫指令 38H（不檢測(cè)忙信號(hào)）以后每次寫指令、讀 / 寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測(cè)忙信號(hào)寫指令 38H：顯示模式設(shè)置寫指令 08H：顯示關(guān)閉寫指令 01H：顯示清屏寫指令 06H：顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置寫指令 0CH：顯示開(kāi)及光標(biāo)設(shè)置LCD1602的具體接線路圖如圖 2-22 所示。圖2-22 LCD1602 接線電路圖2.8 按鍵電路設(shè)計(jì)考慮到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中不同環(huán)境對(duì)氣體濃度及溫濕度圍要求不同，故設(shè)置了按鍵功能， 用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量圍

50、的調(diào)整，參考單片機(jī)引腳使用情況，共設(shè)置五個(gè)獨(dú)立按鍵如圖 2-23 ，實(shí)現(xiàn) 功能為設(shè)定鍵可進(jìn)行設(shè)定的進(jìn)入與退出， 同時(shí)可實(shí)現(xiàn)三種圍的切換， 另設(shè)左右移位鍵、 上下 調(diào)值鍵各兩個(gè)， 與此同時(shí)考慮到用戶可能需要在一定時(shí)間連續(xù)測(cè)量一種量，故設(shè)計(jì)了上調(diào)鍵的第二功能：當(dāng)只有上調(diào)鍵按下時(shí)完成顯示的自動(dòng)與手動(dòng)的切換以實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)對(duì)話。圖 2-23 按鍵電路2.9 電路電源設(shè)計(jì)D1為續(xù)圖 2-24 電源電路第三章 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路3.1.1 編程語(yǔ)言的選擇在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實(shí)現(xiàn)將依賴于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)同一硬件電路， 配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能也就不同，其設(shè)計(jì)軟件基本

51、要求 :1. 可靠性?？煽啃允擒浖O(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。2. 易理解性、易維護(hù)性。編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。3. 實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時(shí)做出處理結(jié)果。4. 準(zhǔn)確性。保證系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的精度。目前存在有 4 種編程語(yǔ)言支持單片機(jī)， 即匯編語(yǔ)言、 PL/M51語(yǔ)言、 C語(yǔ)言和 BASI 語(yǔ)言。 其中匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言應(yīng)用的較多， 匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率高， 控制性好， 但就是移 植性不高。結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，這里選用了功能強(qiáng)、效率高的C語(yǔ)言。 C 語(yǔ)言主要有以下特點(diǎn)：用 C 語(yǔ)言編制的程序效率高， 占用存儲(chǔ)空間小， 運(yùn)行

52、速度快。 C 語(yǔ)言能寫出最優(yōu)化程序， 且能反映出計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況。 C語(yǔ)言能直接與存儲(chǔ)器、接口電路打交道，也能申請(qǐng)中 斷。具有良好的模塊化、容易閱讀、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且編寫的模塊程序易于移植?；贑語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用 C 語(yǔ)言編寫方法。AD轉(zhuǎn)3.1.2 軟件功能需求空氣品質(zhì)檢測(cè)儀功能需求框圖如圖 6.1 所示，系統(tǒng)軟件主要由傳感器采集模塊、換模塊、人機(jī)接口模塊、 聲光報(bào)警模塊、 核心控制器模塊等模塊構(gòu)成， 各模塊功能概述如表3.1 所示。表 3.1 各功能模塊功能描述功能模塊功能描述傳感器采集模塊對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)AD轉(zhuǎn)換模塊1. 完成多路信號(hào)循環(huán)采樣2. 完成與核心處理器

53、間的數(shù)據(jù)傳輸核心控制器模塊1. 系統(tǒng)時(shí)基分配2. 中斷事件相應(yīng)3. 人機(jī)接口控制4. 各模塊協(xié)調(diào)工作人機(jī)接口模塊1. 按鍵控制2. 動(dòng)態(tài)信息顯示無(wú)線通訊模塊1. 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸2. 空氣質(zhì)量測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的基本要求 , 采取了如下的措施 :1. 程序模塊化。軟件設(shè)計(jì)中包含有：主程序模塊、顯示模塊、 A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊、聲光報(bào) 警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、中斷處理模塊等。2. 軟件設(shè)計(jì)采用 C語(yǔ)言， C支持浮點(diǎn)運(yùn)算，可以保證數(shù)據(jù)計(jì)算的精度。3. 中斷響應(yīng)外部事件，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理事件能力。4. 軟、硬件抗干擾。軟件抗干擾措施提高了系統(tǒng)的可靠性。 以下就對(duì)一些主要模塊進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

54、3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)3.2.1 主程序模塊主程序運(yùn)行流程圖如圖 2.2 所示。 由主程序流程圖可以看出， 軟件要實(shí)現(xiàn)的主要功能是 實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集， 然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、 分析、 送液晶進(jìn)行顯示。 程序開(kāi)始時(shí)， 先關(guān)閉中斷，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的各寄存器、 RAM、定時(shí)器裝載初值、中斷設(shè) 置及各模塊初始化等。完成初始化后，液晶顯示各個(gè)參數(shù)為零， CPU等待傳感器傳入信號(hào)及 AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，從而完成當(dāng)前監(jiān)測(cè)參數(shù)的正確顯示。圖 3.2 系統(tǒng)程序框圖上電復(fù)位系統(tǒng)初始化采樣子程序鍵盤掃描按鍵是否按下顯示當(dāng)前參數(shù)參數(shù)是否超標(biāo)聲光報(bào)警結(jié)束圖 3.3 主程序流程圖3.3 主程序的設(shè)計(jì)主程序主要控制單片機(jī)的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程， 決定了各個(gè)子程序的運(yùn)行先后順序。 本課題 的程序時(shí)機(jī)包括，端口的初始化，串口中斷的初始化及控制，LCD1602顯示器的初始化和程序控制，報(bào)警電路的控制， AD轉(zhuǎn)化的程