基于單片機氣體濃度檢測系統(tǒng)的設計

1引言1.1工程的研究背景隨著人民生活水平的提高和對環(huán)境問題及健康問題的日益重視，室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況受到越來越多的關注。由于現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，人們在起居室、辦公室等室內(nèi)環(huán)境的滯留時間越來越長。如果把工作、居住和休閑的時間都加在一起，在西方工業(yè)興旺國家人們在室內(nèi)停留的時間己達全天的93%左右，而我國也超過了全天的85%室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況直接影響人們的身體健康。惡劣的室內(nèi)空氣是不良建筑物綜合癥的主要原因。美國環(huán)境保護局(EPA)與世界衛(wèi)生組織(WHO)進行的聯(lián)合調(diào)查說明，有大約20%的美國建筑存在嚴重的室內(nèi)空氣污染，40%有一定程度的室內(nèi)空氣污染，另40%存在輕微或沒有室內(nèi)空氣污染[1]。根據(jù)美國環(huán)境健康總署的調(diào)查，室內(nèi)主內(nèi)空氣污染常常是室外空氣污染濃度的2-3倍，在冬季缺乏通風，使用燃料取暖爐等情況下甚至高達100倍。一般家庭室內(nèi)可檢測到的污染物多達300種，而有68%的人體疾病與室內(nèi)空氣污染有關。美國職業(yè)平安及健康局的報告認為，在美國，企業(yè)因室內(nèi)空氣惡劣而造成的工時損失平均約每人每日14-15分鐘[2]。氣體危害現(xiàn)狀僅以人類自身來說，其日常生活和生產(chǎn)活動都與周圍的大氣環(huán)境密切相關，大氣的變化對人類有極大的影響?？諝庵羞€有有毒氣體，會給人類帶來災難?？扇細怏w的泄露會引起爆炸和火災使人類的生命和財產(chǎn)遭受損失。隨著工業(yè)規(guī)模逐漸擴大，產(chǎn)品的種類不斷增多，氣體原料和生產(chǎn)過程中的產(chǎn)生的氣體種類和數(shù)量不斷增多，尤其是石油﹑化工﹑煤炭和汽車等工業(yè)開展，致使大氣污染日益嚴重。酸雨﹑溫室效應和臭氧層破壞成為嚴重的環(huán)境問題。環(huán)境污染已逐漸影響到人類的生存。因此，對人類生存和生產(chǎn)環(huán)境中的各種氣體，氣味進行準確的檢測和分析是必要的。近幾年的研究注意到，居室的室內(nèi)污染問題也越來越為突出，嚴重威脅人體健康。長期生活和工作在有污染的室內(nèi)環(huán)境中，易出現(xiàn)不適感，病癥多為頭痛﹑流鼻涕﹑眩暈﹑行動緩慢和記憶力衰退等，世界衛(wèi)生組織將此種現(xiàn)象稱為“致病建筑物綜合癥〞。有資料顯示新裝修的家庭居室中常見的有害物質(zhì)大約300多種，其中易對人體造成傷害，甚至致癌的有20多種，主要包括苯﹑甲苯﹑二甲苯﹑乙苯等揮發(fā)性有機氣。易燃易爆氣體也是不容無視的有害氣體[3]。如果此方面未得到有效控制與管理的話，為其后果所付出的代價是極為巨大的。由以上可以看到易燃﹑易爆﹑有毒氣體等問題已經(jīng)嚴重危害人民的生命和財產(chǎn)平安以及全社會的開展和平安。解決這些問題的關鍵是迅速準確的檢測到這些相關有毒﹑有害氣體，這便是氣敏傳感器開展的客觀依據(jù)。氣體檢測現(xiàn)狀氣體種類繁多，有些有毒有害，有些易燃易爆。人類生存和活動的環(huán)境無一可以撇開氣體對象。現(xiàn)代化生活的飛速開展，導致了城市氣體越來越復雜，對人類的影響也越來越大。液化石油氣的開發(fā)利用大大造福于家庭生活，同時也帶來了更多的爆炸或火災隱患。為了確保大氣環(huán)境的“質(zhì)量〞和家庭用氣的平安，就離不開準確有效的氣味檢測與報警手段:許多作業(yè)過程(如煉鋼、發(fā)酵、冶金、礦井以及汽車)都需要對相關氣體進行嚴格監(jiān)控或快速調(diào)節(jié)，否那么將招致重大事故與損失[4]。正因為氣體與人類的生存和活動如此密切相關，人類很早就開始了對氣體的檢測及控制方法的研究。目前，酒類、煙草、茶葉等食品的質(zhì)量主要是靠人的感官來進行判斷，感官評定主要依賴人的生理和心理條件，其本身是一門精巧的技術。這類工作通常需要訓練有素、經(jīng)驗豐富的專家進行。人工鑒別帶有很大的主觀因素。從某種意義上講，由于受經(jīng)驗、情緒等主觀因素的影響，感官評定方法的評判結果隨鑒別人員的不同而存在相當大的個體差異，即使同一人員也隨其身體狀態(tài)、情緒變化等的不同而產(chǎn)生不同結果[5]。由此可見，人的感覺器官的缺點包括主觀性，重復性差(即，結果隨測試時間，健康情況，先前分析的氣味，疲勞程度，等等因素波動)，耗時長和花費人力巨大。另外，人的感覺器官不能用于檢測有毒氣味、連續(xù)工作和遠程操作。另外，工程師和化學家利用一般比擬廉價和簡便的化學或生化傳感器，或利用昂貴復雜的分析化學儀器，如氣相色譜儀(GC)和質(zhì)譜儀(MS)，對有毒和無毒氣味進行分析。這兩種方法的共同缺點是其試驗結果并不是直接與一個氣味的鑒別相關聯(lián)。例如，單個化學傳感器不能直接用來鑒別具體的咖啡香味。分析化學家們用氣相色譜儀和質(zhì)譜儀(GC/MS)檢測的結果也是如此。而且，GC和GC/MS系統(tǒng)結構復雜，操作繁瑣，造價昂貴，測試周期長，需要人進行大量的干預以進行分析，不能進行連續(xù)檢測[6]，等等。1.2工程的研究意義和應用背景從上面可以看出有許多種氣體檢測技術可幫助今天的工業(yè)來保護人類和生產(chǎn)，當然，每一種技術都有優(yōu)點和缺點。從實際生活中可以了解沒有單一最好的方法，而只有根據(jù)具體的實際情況由多種技術組合成的最好的氣體檢測系統(tǒng)。當氣體傳感器技術開展的如火如荼之時，氣體傳感器測試家屬的開展并未跟上氣體傳感器技術開展的速度。目前我國氣體傳感器行業(yè)已有十幾家中小規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)，氣體傳感器生產(chǎn)線已經(jīng)很大，具備很強的生產(chǎn)能力，但是對于研究探索氣體傳感器應用的科研人員來說,有個很大的困難就是實現(xiàn)氣體傳感器的檢測和選擇[7]?；跉怏w檢測系統(tǒng)在現(xiàn)實生活中的重要作用和測試系統(tǒng)的開展價值，國內(nèi)外的科研人員對氣體檢測系統(tǒng)的測試做了深入研究。1.3本課題主要研究內(nèi)容本課題主要內(nèi)容包括室內(nèi)空氣主要污染物及危害，半導體氣體傳感器的工作原理，以及檢測系統(tǒng)的軟硬件組成。第一章主要介紹了國內(nèi)及國外的氣體檢測的要求，現(xiàn)狀及開展。了解氣體濃度檢測系統(tǒng)在現(xiàn)實生活中的重要作用和測試系統(tǒng)的開展價值。第二章主要介紹室內(nèi)空氣主要污染物及危害。室內(nèi)主要污染物包括酒精、甲烷、一氧化碳等，當濃度超過一定的限度，會對人的身體健康造成不利影響。第三章主要介紹半導體氣體傳感器工作原理。為了對甲醛、甲烷、一氧化碳檢測，分別采用了MQ-138、MQ-7、MQ-4三種傳感器，本局部詳細介紹了傳感器的工作原理，及測量信號與濃度值得對應關系。第四章主要介紹系統(tǒng)硬件設計。硬件電路由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、結果顯示和報警等局部組成，本設計所用到的芯片有AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、AT89C51單片機還有一些氣體傳感器、復位電路、驅(qū)動電路、LED顯示模塊。第五章主要介紹系統(tǒng)軟件設計。軟件局部包括數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報警等局部。第六章主要介紹畢業(yè)設計總結，主要講述本人在做畢業(yè)設計的過程中的一些心得體會。2室內(nèi)有毒氣體介紹2.1室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)室內(nèi)空氣品質(zhì)(IndoorAirQuality,IAQ)是上世紀80年代末在環(huán)境科學、衛(wèi)生學、暖通空調(diào)(HVAC)等學科根底上開展起來的一個科學分支，在90年代以來得到了廣泛的重視與研究。在89室內(nèi)空氣品質(zhì)討論會上，丹麥哥本哈根大學教授P.O.Fang提出:品質(zhì)反映人們要求的程度，如果人們對空氣滿意，就是高品質(zhì);反之，就是低品質(zhì)。英國的CIBSE(CharteredInstituteofBuildingServicesEngineers)認為:如果室內(nèi)少于50%的人能發(fā)覺到任何氣味，少于20%的人感覺不舒服，少于10%的人感覺到刺激，并且少于5%的人在缺乏2%的時間內(nèi)感到煩躁，那么可認為此時的室內(nèi)空氣品質(zhì)是可接受的。這兩種定義的共同點是都將室內(nèi)空氣品質(zhì)完全變成了人們的主觀感受。在ASHRAE標準G2-1989R中，首次提出了可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)(acceptableindoorairquality)和感受到的可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)(acceptableperceivedindoorairquality)等概念[8]。其中，可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)定義如下:空調(diào)房間中絕大多數(shù)人沒有對室內(nèi)空氣表示不滿意，并且空氣中沒有的污染物到達了可能對人體健康產(chǎn)生嚴重威脅的濃度。感受到的可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)定義如下:空調(diào)房間中絕大多數(shù)人沒有因為氣味或刺激性而表示不滿。它是到達可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)的必要而非充分條件。由于有些氣體，如氨、CO等沒有氣味，對人也沒有刺激作用，不會被人感受至，但卻對人危害很大，因而僅用感受到的室內(nèi)空氣品質(zhì)是不夠的，必須同時引入可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)。因此，空氣品質(zhì)的評價實際上是人為感受與客觀有害污染物濃度的綜合評價。“室內(nèi)空氣品質(zhì)評價一般采用量化監(jiān)測和主觀調(diào)查結合的手段進行。其中的量化監(jiān)測是指直接測量室內(nèi)污染物濃度來客觀了解、評價室內(nèi)空氣品質(zhì)，主觀評價是指利用人的感覺器官進行描述與評判工作〞[9]。2.2主要污染源室內(nèi)空氣品質(zhì)受到多方面的影響和污染，從其性質(zhì)來講，可分三大類:第一大類是化學的，勝要來自房屋裝修、家具、玩具、煤氣熱水器、殺蟲噴霧劑、化裝品、吸煙、廚房的油煙等等，其成分主要是揮發(fā)性的有機物如甲醛、甲苯、醋酸乙酷、甲苯二異氰酸等等和無機化合物如氨、CO,C02等;第二大類是物理的，包括不適的溫度、濕度環(huán)境、懸浮顆粒(灰塵)、煙霧、核輻射、電磁輻射等等。第三大類是來自于生物的，毛絨來自使用地毯不當，毛絨玩具、被褥等，主要有螨蟲及其它細菌等[10]。本課題主要針對第一類室內(nèi)空氣污染進行檢測。下面討論主要的化學的來源、性質(zhì)和危害。一氧化碳一氧化碳是一種無色、無味氣體，極易與血紅蛋白結合生成碳氧血紅蛋白。是一種有毒氣體。一氧化碳是最主要、最常見的室內(nèi)污染物之一。它通常來源于含碳物質(zhì)的不完全燃燒。爐火、廚房燃氣、家用煤氣(非天然氣或液化石油氣)的泄露等都是室內(nèi)一氧化碳產(chǎn)生的原因。同時，吸煙也是一個重要的一氧化碳產(chǎn)生源，尤其是在沒有燃燒爐具等的辦公室等室內(nèi)場合。一氧化碳對健康的影響直接表現(xiàn)在其與血紅蛋白結合生成的產(chǎn)物COHb在血液中的濃度上。一氧化碳通過呼吸與血紅蛋白結合，其結合的能力比氧氣高200倍。這將造成血液中氧氣傳輸量的下降，超過一定濃度時造成人體組織的缺氧窒息。一般來講，通常的新陳代謝產(chǎn)生的COHb的濃度在0.5%-1.0%，而在非吸煙人群中血液平均COHb濃度為1.2%-1.5%。吸煙者體內(nèi)的平均COHb濃度在3%-4%，吸煙較多者甚至到達10%(數(shù)據(jù)發(fā)表自世界衛(wèi)生組織，1987)連續(xù)處在30ppm濃度的一氧化碳環(huán)境下，人體血液中的COHb濃度將平衡于5%;在20ppm環(huán)境下平衡于3.7%)10ppm環(huán)境下為2%。一般來說，大于10%的COHb含量將對心血管和神經(jīng)系統(tǒng)造成影響，2.5%的COHb會使肺心病患者病癥加重，低于2%的濃度下尚無對人體產(chǎn)生影響的報道。一般認為2%-3%的濃度不會對健康人產(chǎn)生影響。因此大局部國家的空氣質(zhì)量標準中，將CO的濃度定于小于10ppm(見附表:各國室內(nèi)空氣品質(zhì)標準)。我國現(xiàn)有的CO報警器，一般將10Oppm-200ppm作為報警濃度。因為這種濃度的CO在短時間內(nèi)尚不會對健康人產(chǎn)生明顯的影響[11]。2甲醛甲醛CHCHO)是一種無色易溶的刺激性氣體，易揮發(fā)，所以在室內(nèi)空氣品質(zhì)研究中，將其歸為VOC，即揮發(fā)性有機化合物(VolatileOrganicCompounds)。其水溶液即“福爾馬林〞甲醛具有強烈刺激性氣味，其毒性主要表現(xiàn)在神經(jīng)系統(tǒng)及呼吸系統(tǒng)病癥。當室內(nèi)甲醛含量為0.1mg/m3，時就有異味和不適感;0.5mg/m3m3時引起咽喉不適或疼痛;濃度再高可引起惡心、嘔吐、咳嗽、胸悶、氣喘甚到市氣腫;當空氣中到達30mg/m3時可當即導致死亡。甲醛是室內(nèi)揮發(fā)性有機物中最主要和最具危害的污染源，其廣泛存在于室內(nèi)裝修材料如壁紙、地板、油漆、膠水等。例如，因為人造板是造成室內(nèi)空氣中甲醛超標的主要因素，世界上不少國家對人造板的甲醛的散發(fā)值作了嚴格的規(guī)定。國際標準是穿孔測試值必須小于1Omg甲醛/100g板[12]。但市場上大量建材實際上遠遠超過了這一指標，成為室內(nèi)空氣品質(zhì)惡化的主要原因之一。大量的使用不符合標準的建筑材料也是新裝修的房屋常常造成居住者明顯不適的主要原因。中國消費者協(xié)會提請國家人造板質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心于1999年初對北京市場銷售的21種牌號的裝飾板進行了比擬試驗。我國目前還沒有對裝飾單板貼面膠合板甲醛釋放量進行規(guī)定，采用的是日本的JASNO.516-1992標準，該標準對甲醛釋放量指標明確分為3級，最高級為≤1Omg甲醛/100g板。對21種樣品的試驗，有15種樣品的甲醛釋放量超過指標，占71.4%，使用這樣的產(chǎn)品勢必會給居室環(huán)境造成污染，直接危害消費者的健康。我國于1996年公布了《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標準》，明確規(guī)定居室空氣中甲醛的最高允許濃度為ppm即0.08mg/m3。2甲烷甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分。健康危害：甲烷對人根本無毒，但濃度過高時，使空氣中氧含量明顯降低，使人窒息。當空氣中甲烷達25%-30%時，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟失調(diào)。假設不及時遠離，可致窒息死亡。皮膚接觸液化的甲烷，可致凍傷。2物理污染物理污染指塵埃、放射性、電磁輻射等物理因素造成的污染。其中，放射性污染造成的危害最為嚴重。放射性污染主要來自建筑石材、土壤等含有的氡，鐳等放射性元素。其中氡的污染最為普遍，不容無視。氡是由放射性元素鐳衰變產(chǎn)生的，是自然界中唯一的天然放射性氣體。氡是一種無色無味氣體，容易被無視。氡原子在空氣中的衰變產(chǎn)物被稱為氡子體，為金屬粒子。在常溫下，氡及氡子體在空氣中能夠形成放射性氣溶膠而污染空氣環(huán)境。人類在高濃度氡的作用下，機體會出現(xiàn)紅細胞的變化。氡對人體脂肪有很高的親合力，特別是氡與神經(jīng)系統(tǒng)結合后，對人體的危害更大。當人們將氡吸入體內(nèi)后，氡衰變產(chǎn)生的a粒子可以在人的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷，誘發(fā)肺癌。室內(nèi)氡的危害直到20世紀60年代才被發(fā)現(xiàn)，研究說明，氡對人體的輻射的傷害占人體一生中所受到的輻射傷害的55%以上，其誘發(fā)肺癌的潛伏期大多在15年以上。世界上有1/5的肺癌患者的發(fā)病原因與氡有關。氡是導致人類引發(fā)肺癌的第二大“殺手〞，是除吸咽以外引起肺癌的第三大因素。世界衛(wèi)生組織(WHO)的國際癌癥研究中心(CARC)以動物實驗證實了氡是當前認識到的19種主要環(huán)境物質(zhì)之一。氡主要源于房屋地基土壤、以及花崗巖、磚砂、水泥及石膏之類建筑材料之中。在室外空氣中氧的輻射劑量是很低的，可是，一旦進入室內(nèi)，就會在室內(nèi)大量積聚。室內(nèi)氡還具有明顯的季節(jié)變化，通過試驗說明，冬季最高，夏季最低。室內(nèi)通風狀況直接決定了室內(nèi)氡氣對人體危害性的大小。另外，廚房使用的天然氣也可能釋放出氡[13]。室內(nèi)空氣標準目前我國專門針對家庭、寫字樓的室內(nèi)空氣品質(zhì)的標準尚未出臺，有關方面稱正在制定中，有望在2002年公布。如表是一些國家和地區(qū)的室內(nèi)空氣標準和建議值。表2.1當今先進國家和地區(qū)的環(huán)境參數(shù)標準及建議值臺灣美國英國日本瑞典荷蘭俄國建議值溫度23-2820-2218-2818-2018-2118-28相對濕度〔％〕40-7020-6020-8040-7050-5530-70平均風速〔m/s〕懸浮顆粒(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舊房500400-700本章小結本章主要介紹室內(nèi)空氣主要污染物及危害。室內(nèi)主要污染物包括酒精、甲烷、一氧化碳等，當濃度超過一定的限度，會對人的身體健康造成不利影響。并分析了此次設計所能監(jiān)察的氣體，為下一章具體設計氣體濃度做出了具體要求。3半導體氣體傳感器工作原理3.1各種氣體傳感器分析目前按照氣敏特性來分，主要分為：半導體型、電化學型、固體電解質(zhì)型、接觸燃燒型、光化學型等氣體傳感器，又以前兩種最為普遍。3半導體型氣體傳感器原理及其優(yōu)缺點半導體傳感器是利用一種金屬氧化物薄膜制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。氣體分子在薄膜外表進行復原反響以引起傳感器電導率的變化。為了消除氣體分子到達初始狀態(tài)就必須發(fā)生一次氧化反響。傳感器內(nèi)的加熱器可以加速氧化過程，這也是為什么有些低端傳感器總是不穩(wěn)定，其原因就是沒有加熱或加熱電壓過低導致溫度太低反響不充分。自從1962年半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導體氣體傳感器已經(jīng)成為當今應用最普遍、最實用的一類氣體傳感器。它具有本錢低廉、制造簡單、靈敏度高、響應速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點。缺乏之處是必須在高溫下工作、對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[14]。3電化學氣體傳感器電化學氣體傳感器是通過檢測電流來檢測氣體的濃度，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，目前可以檢測許多有毒氣體和氧氣，后者還能檢測血液中的氧濃度。電化學傳感器的主要優(yōu)點是氣體的高靈敏度以及良好的選擇性。缺乏之處是有壽命的限制一般為兩年[15]。3半導體傳感器和電化學傳感器的區(qū)別半導體傳感器因其簡單低價已經(jīng)得到廣泛應用，但是又因為它的選擇性差和穩(wěn)定性不理想目前還只是在民用級別使用。而電化學傳感器因其良好的選擇性和高靈敏度被廣泛應用在幾乎所有工業(yè)場合。3固態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器顧名思義，固態(tài)電解質(zhì)就是以固體離子導電為電解質(zhì)的化學電池。它介于半導體和電化學之間。選擇性，靈敏度高于半導體而壽命又長于電化學，所以也得到了很多的應用，缺乏之處就是響應時間過長[16]。3接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器只能測量可燃氣體。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，可燃氣體在外表或者在催化劑作用下燃燒，由于燃燒使氣敏材料溫度升高從而電阻發(fā)生變化。后者因為催化劑的關系具有廣普特性應用更廣。3光學式氣體傳感器光學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。由于不同氣體對紅外波吸收程度不同，通過測量紅外吸收波長來檢測氣體。目前因為它的結構關系一般造價頗高。本工程綜合考慮了各種情況，最終選擇了半導體氣體傳感器，作為檢測器件。氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來，并將其轉(zhuǎn)化為電信號的器件，是氣體傳感器陣列的核心元件。而氣體傳感器陣列是電子嗅覺系統(tǒng)的關鍵組成單元，由對不同氣味有不同靈敏度的氣敏元件組成，這些氣敏元件具有廣譜響應特性、交叉靈敏度大的特性[17]。一般，氣體傳感器陣列可采用數(shù)個單獨的氣體傳感器組合而成，并采用集成工藝制作，體積小，功耗低，便于信號的集中采集與處理。單個氣體傳感器與氣敏陣列在特性上有質(zhì)的區(qū)別，單個氣體傳感器對氣體的響應可用強度來表示，而氣敏傳感器陣列除了各個傳感器的響應外，在全部傳感器組成的多位空間中形成的響應模式，在環(huán)境條件一定的情況下，陣列上的響應模式與其鼓勵是一一對應的，而這是該系統(tǒng)能對多種氣味和氣體進行辨識的關鍵所在。器件的選擇本設計要求實現(xiàn)對甲醛、一氧化碳、甲烷氣體的定性和定量分析，首先最重要的工作是選擇適宜的傳感器，通過對性能、可實現(xiàn)性、價格等的比照。針對酒精氣體，選擇的是MQ-138A甲醛傳感器，針對一氧化碳氣體，選擇的是MQ-7一氧化碳傳感器，針對甲烷氣體，采用的是MQ-4半導體氣體傳感器，由這三種傳感器組成傳感器陣列。MQ-138甲醛傳感器MQ-138是一種二氧化錫半導體型甲醛氣體傳感器，對甲醛具有高的靈敏度和快速的響應性，適于便攜式甲醛探測器和汽車燃火系統(tǒng)等。半導體氣體敏感局部是一個微型珠狀小球，內(nèi)嵌加熱絲和金屬電極，這種敏感元件安裝在有防爆功能的雙層100目不銹鋼網(wǎng)的金屬殼內(nèi)[18]?！?.2V的高電壓，使傳感器盡快穩(wěn)定并進入工作狀態(tài)。MQ-138的靈敏度特性曲線圖。靈敏度特性圖反映了元件電阻和氣體濃度之間的關系。元件的電阻與氣體的濃度呈對數(shù)關系，隨氣體濃度的增加而減小。如圖3.1所示。圖3.1靈敏度特性曲線靈敏度特性型號MQ-303A符號參數(shù)名稱技術條件備注Rs元件電阻(4kto400k)在潔凈空氣中電阻比/0.15)Rs(300ppm酒精)/Rs(100ppm酒精)標準測試條件：溫度:20oC—2oCVC:3.0V—1VDC濕度:65%—5%VH:0.9V—1VDCRL:可調(diào)預熱時間：大于48小時表3.2標準工作條件符號參數(shù)技術條件備注VH加熱電壓ACorDCVC回路電壓≤6VDCRL負載電阻可調(diào)PS<10mWRH加熱電阻—室溫IH加熱電流≤130mAPH加熱功率≤130mWPS元件功率≤10mW表3.3技術條件符號參數(shù)技術條件備注Tao使用溫度-20oC—50oC推薦使用范圍20ppm-1000ppm甲醛Tas儲存溫度-20oC—70oCRH相對濕度≤95%RH(O2)氧氣濃度21%±1%(標準條件)氧氣濃度影響靈敏度不得小于18%MQ-7一氧化碳傳感器MQ-7氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。采用上下溫循環(huán)檢測方式低溫檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-7氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應用的低本錢傳感器[19]。外形結構如圖3.2所示。圖3.2一氧化碳傳感器外形結構傳感器的根本測試電路需要施加2個電壓：加熱器電壓VH和測試電壓VC。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC那么是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻RL上的電壓VRL。這種傳感器具有輕微的極性，VC需要直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當?shù)腞L值。根本測試回路如3.3圖所示。圖3.3根本測試回路靈敏度特性曲線，圖中縱坐標為傳感器的電阻比(RS/RO)，橫坐標為氣體濃度。RS表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值RO表示傳感器在1000ppm氫氣中的電阻值。如圖3.4所示。圖3.4靈敏度特性曲線表3.4靈敏度特性型號MQ-7符號參數(shù)名稱技術條件備注Rs敏感體電阻2kto20k在100ppmCO電阻比Rs(300ppm)/Rs(100ppm)標準工作條件：溫度:20oC—2oCVC:5.0V—1V濕度:65%—5%VH〔H〕:V—1VVH〔L〕:V—1V預熱時間：大于48小時探測范圍:10ppm-1000ppm一氧化碳表3.5標準工作條件符號參數(shù)技術條件備注VC回路電壓≤10VACorDCVH〔H〕加熱電壓〔高〕V±0.2VACorDCVH〔L〕加熱電壓〔低〕V±0.1VACorDCRL負載電阻可調(diào)RH加熱電阻313室溫TH〔H〕加熱時間〔高〕60secondsTH〔L〕加熱時間〔低〕90secondsPH加熱功率約350mW表3.6技術條件符號參數(shù)技術條件備注Tao使用溫度-10oC—50oC建議使用范圍Tas儲存溫度-20oC—70oCRH相對濕度小于95%RHO2氧氣濃度21%±1%(標準條件)氧氣濃度影響靈敏度最小值大于2%MQ-4半導體氣體傳感器MQ-4氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫〔Sn02〕。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

MQ-4氣體傳感器對甲烷的靈敏度高，對丙烷、丁烷也有較好的靈敏度。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，特別是天然氣，是一款適合多種應用的低本錢傳感器[20]。外形結構如圖3.5所示。圖3.5半導體氣體傳感器外形結構傳感器的根本測試電路是需要施加2個電壓：加熱器電壓〔VH〕和測試電壓〔VC〕。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC那么是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻〔RL〕上的電壓〔VRL〕。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當?shù)腞L值。如圖3.6所示。圖3.6根本測試電路靈敏度特性曲線，圖中縱坐標為傳感器的電阻比(RS/RO)，橫坐標為氣體濃度。RS表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值RO表示傳感器在1000ppm甲烷中的電阻值。如圖3.7所示。圖3.7靈敏度特性曲線表3.7技術指標產(chǎn)品型號MQ4產(chǎn)品類型半導體氣敏元件標準封裝膠木〔黑膠木〕檢測氣體天然氣、甲烷檢測濃度300-10000ppm〔甲烷、天然氣〕標準電路條件回路電壓VC≤24VDC加熱電壓VHV±0.2VACorDC負載電阻RL可調(diào)標準測試條件下氣敏元件特性加熱電阻RH313〔室溫〕加熱功耗PH≤900mW敏感體外表電阻RS2k-20k在5000ppmCH4靈敏度SRs(在空氣中)/Rs(5000ppm甲烷)≥5濃度斜率≤標準測試條件溫度、濕度20oC-2oC；65%RH標準測試電路VC：V±0.1VVH：V±0.1V預熱時間不少于48小時3.3本章小結本章介紹半導體氣體傳感器工作原理。為了對甲醛、甲烷、一氧化碳檢測，分別采用了MQ-138、MQ-7、MQ-4三種傳感器，本局部詳細介紹了傳感器的工作原理，及測量信號與濃度值得對應關系。為后面硬件局部的選材提供根底來更好的實現(xiàn)本設計的意義與目的。4系統(tǒng)硬件設計4.1系統(tǒng)總體方案的設計4.1.1設計思路本設計采用甲醛傳感器、甲烷傳感器、一氧化碳傳感器等多種傳感器組成傳感器陣列，通過傳感器陣列能把氣體中的特定成分檢測出來，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，然后采用ADC0809轉(zhuǎn)換器將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，運用AT89C51單片機進行數(shù)據(jù)處理和計算，并通過LED顯示氣體種類和濃度信息，這樣就實現(xiàn)了對多種氣體的定性識別和檢測。4.1.2系統(tǒng)功能框圖如圖4.1所示氣體檢測系統(tǒng)主要由采集局部，轉(zhuǎn)換局部，顯示局部，報警局部構成。圖4.1氣體檢測系統(tǒng)功能框圖4.2硬件電路設計本設計硬件電路由信號放大、數(shù)據(jù)采集、單片機最小系統(tǒng)、結果顯示和報警等局部組成，本設計所用到的芯片有LM358運算放大器，AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AT89C51單片機還有一些氣體傳感器、復位電路、驅(qū)動電路、LED顯示模塊。4LM358運算放大電路設計由于氣體傳感器輸出的電壓值過低，無法直接使用A/D讀取，必須要參加放大電路，對電壓放大然后再經(jīng)過A/D讀取。在此，選擇LM358作為運算放大器。LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合[21]。LM358具備以下特性：內(nèi)部頻率補償；直流電壓增益高(約100dB)；單位增益頻帶寬(約1MHz)；電源電壓范圍寬：單電源(3-30V)、-±15V)；低功耗電流，適合于電池供電；低輸入偏流，低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；共模輸入電壓范圍寬，包括接地；差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；輸出電壓擺幅大〔〕[22]。圖4.2LM358內(nèi)部結構圖圖4.3運放電路圖4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的設計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作主要由AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成。由氣體傳感器陣列輸出的微弱電信號，經(jīng)各自信號放大電路對信號進行預處理，使其轉(zhuǎn)換為0-5V范圍內(nèi)變化的直流信號，送到A/D轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字信號，對其進行數(shù)據(jù)采集處理[23]。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。ADC0809的內(nèi)部結構框圖見圖。由圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)[24]。圖4.4ADC0809的內(nèi)部結構框圖圖4.5ADC0809的引腳結構IN0－IN7：8條模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，假設信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如假設模擬量變化太快，那么需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進入轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。表4.1通道選擇SELECTEDANALOGCHANNELADDRESSLINECBAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7LLLLHHHHLLHHLLHHLHLHLHLH數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當ST上跳沿時，所有內(nèi)部存放器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結束信號。當EOC為高電平時，說明轉(zhuǎn)換結束；否那么，說明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF〔＋〕，VREF〔－〕為參考電壓輸入[25]。圖4.6時序圖4數(shù)據(jù)處理的設計數(shù)據(jù)處理過程是主要由AT89C51單片機等芯片完成的。AT89C51是一種帶4K字節(jié)的閃爍可編程可擦除只讀存儲器〔FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。其中包括128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，2個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選的節(jié)電工作模式[26]?？臻e方式體制CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器體制工作并禁止其他所有不見工作直到下一個硬件復位。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價的方案[27]。AT89C51單片機管腳圖如下圖。圖4.7AT89C51單片機管腳圖引腳功能說明如下：·VCC：電源電壓·GND：地·P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1〞可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址〔低8位〕和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接受指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻?！1口:P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動〔吸收或輸出電流〕4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1〞，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流〔IIL〕。Flash編程和程序校驗期間，P1接受低8位地址?！2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動〔吸收或輸出電流〕4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1〞，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流〔IIL〕。在訪問外部程序存儲器或16位四肢的外部數(shù)據(jù)存儲器〔例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令〕時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)，在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器〔例如執(zhí)行MOVX@RI指令〕時，P2口線上的內(nèi)容〔也即特殊功能存放器〔SFR〕區(qū)中R2存放器的內(nèi)容〕，在整個訪問期間不改變。Flash編程和程序校驗時，P2也接收高位地址和其他控制信號。·P3口：P3是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3的輸出緩沖級可驅(qū)動〔吸收或輸出電流〕4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1〞，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流〔IIL〕。P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號?！ST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位?！LE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE〔地址鎖存允許〕輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖〔PROG〕。如有必要，可通過對特殊功能存放器〔SFR〕區(qū)中的8EH單元D0位置位，可禁止ALE操作。該位置，只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。·PSEN：程序存儲允許輸出是外部程序存儲器的讀選通型號，當89C51由外部存儲器取指令〔或數(shù)據(jù)〕時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)?！A/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器〔地址為0000H—FFFFH〕，EA端必須保持低電平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平〔接VCC端〕，CPU那么執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12v的編程允許電源VPP，當然這必須是該器件使用12v編程電壓VPP。·XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端?！TAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。89C51中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反響元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖5。外接石英晶體或陶瓷諧振器及電容C1、C2接在放大器的反響回路中構成并聯(lián)振蕩電路。對電容C1、C2雖沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的上下、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30Pf±10Pf，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40Pf±10Pf。用戶也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端XTAL那么懸空[28]。4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為了方便與AT89C5單片機的鏈接，本系統(tǒng)采用AD080模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對采集到的氣體信息進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。其分辨率為8位，不必進行零點和滿度調(diào)整，且具有高阻抗斬波穩(wěn)定比擬器，8個通道的多路開關可直接存取8個單端模擬信號中的一個。利用單片機啟動AD0809轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結束后再由AD0809向AT89C51發(fā)出中斷請求信號，CPU響應中斷請求[29]。通過對譯碼器的讀操作，讀取轉(zhuǎn)換結果并送到被測量的響應存儲區(qū)。再重新選擇被測量，并再次啟動AD0809轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后中斷返回。AD0809與單片機AT89C51連線線路如下圖。圖4.8AD0809與單片機AT89C51連線線路4聲光報警電路的設計系統(tǒng)的聲，光報警電路由發(fā)光二極管和低電壓蜂鳴器構成，分別由PIC單片機的2個端口控制[30]。發(fā)光二極管LED具有體積小，抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長，工作電壓低，功耗小，響應速度快等優(yōu)點，常用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，有益于控制系統(tǒng)的設計和維護。當該局部工作時，整機的工作電流將增加為未報警狀態(tài)時的電流的數(shù)倍，消耗的功率會比擬大，因此采用了分時供電的方法，通過單片機控制該局部電源的通斷，即質(zhì)量濃度到達報警時才給其供電；另外，用單片機輸出的周期脈沖報警信號控制振蕩器的啟停，用振蕩器輸出信號控制蜂鳴器和發(fā)光二極管，振蕩器可以用TTL門電路構成的多諧振蕩器[31]。采用這2種方法可降低該局部的電路的功耗。設計中，LED發(fā)光二極管的工作電流為5-20mA，最大不超過50mA，否那么會燒壞器件。為了獲得良好的發(fā)光效果，LED工作電流控制在10-15mA較為合理。在圖中所示硬件電路中，D口得RD4,RD5，RD6，RD7，接聲，光報警電路，其中D口的RD5-RD7分別接質(zhì)量濃度過高，相等，過低的LED。當氣體檢測儀檢測質(zhì)量濃度低于設定值時，綠燈亮；當氣體質(zhì)量濃度到達某一定值時，黃燈亮；當高于設定值時，紅燈亮并發(fā)出警報信號。圖4.9聲光報警電路4.2.6顯示電路的設計在該設計中，LED顯示器的顯示方法采用動態(tài)顯示。LED動態(tài)顯示的根本做法在于分時輪流選通數(shù)碼管的公共端，使得各數(shù)碼管輪流導通，在選通相應的LED后，即在顯示字段上得到顯示字形碼。這種方式不但能提高數(shù)碼管的發(fā)光效率，并且由于各個數(shù)碼管的字段線是并聯(lián)使用的，從而大大簡化了硬件線路。本設計中處理結果采用4位LED顯示，首次顯示氣體類別，后3位顯示氣體濃度。逐位輪流點亮各個LED，每一位保持1ms，在10-20ms之內(nèi)再一次點亮，重復不止。這樣利用人的視覺停留，好似4位LED同時點亮一樣。圖4.10顯示電路4.3生成PCB圖見附錄B4.4本章小結本章主要介紹系統(tǒng)硬件設計。硬件電路由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、結果顯示和報警等局部組成，本設計所用到的芯片有AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、AT89C51單片機還有一些氣體傳感器、復位電路、驅(qū)動電路、LED顯示模塊。并實際的聯(lián)系在一起，能繪畫出具體可操作的電路圖，詳盡的介紹了本設計硬件局部的構造及可實現(xiàn)性。5軟件局部設計5.1主程序流程圖設計如下圖的系統(tǒng)流程圖，是用來描述整個系統(tǒng)的工作過程。首先，初始化中包括I/O口初始化與外部中斷初始化。本設計I/O口初始化包括使按鍵，蜂鳴器，數(shù)碼管等調(diào)整為初始化狀態(tài)。系統(tǒng)定義I/O口初始化接高電平，按鍵啟動接低電平，且數(shù)碼管界面定義8888為初始化狀態(tài)。外部中斷初始化是以中斷方式判斷按鍵是否按下。假設按鍵被按下，那么按鍵所接的低電平被觸發(fā)，且按鍵按一次采集數(shù)據(jù)，不按不采集，以便選擇結果。假設為Y，會進行下一步操作，進入中斷來讀取傳感器值，顯示氣體濃度值和氣體類別。執(zhí)行完畢后，回到主函數(shù)，繼續(xù)等待按鍵按下。假設為N，會返回等待按鍵按下。圖5.1系統(tǒng)流程圖5.2AD0809局部程序流程圖設計如下圖，此程序流程圖反映了中斷函數(shù)工作的流程與讀取傳感器值所需要的步驟。開始是表示主函數(shù)等待，有鍵按下使AD0809數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片呈現(xiàn)初始化狀態(tài)。寫入通道號用來決定多種氣體的其中一種，由氣體傳感器所輸出的微弱電信號經(jīng)它們各自的信號放大電路對信號進行預處理，讓其轉(zhuǎn)裝換為0-5V內(nèi)變化的直流信號，傳送到AD0809數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進行數(shù)據(jù)采集處理。本設計定義：C為L，B為L，A為L，那么輸入IN0端口為酒精氣體模擬信號。C為L，B為L，A為H，那么輸入IN1端口為一氧化碳氣體模擬信號。C為L,B為H，A為L，那么輸入IN2端口為甲烷氣體模擬信號[32]。延時20us后等待EOC變高是AD0809轉(zhuǎn)換完成的標志信號，其中20us的時間是用來給AD0809將模擬信號轉(zhuǎn)換處理為數(shù)字信號所花費的時間。此時，單片機讀取EOC，表示AD0809轉(zhuǎn)換完成。所讀取的8位數(shù)據(jù)將會由單片機進行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為具體的氣體濃度值，進而由數(shù)碼管進行顯示。假設完成那么返回等待按鍵按下。圖5.2AD0809局部程序流程圖設計5.3數(shù)據(jù)處理模擬量輸入模塊可能采集到緩慢變化的模擬量信號中的干擾噪聲，這些噪聲往往以窄脈沖的方式出現(xiàn)。為了減輕噪聲信號的影響，可以對連續(xù)假設干次采集到的值取平均值〔即平均值濾波〕，用平均值來代替當前采集到的數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)中，現(xiàn)場如果強電設備較多，不可防止的會產(chǎn)生尖脈沖干擾，這種干擾一般持續(xù)時間短，峰值大，對于這樣的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理時，僅僅采用算數(shù)平均值濾波時，盡管對脈沖干擾進行了1/n的處理，但其剩余值仍然較大。這種場合最好的策略是：將被認為是受干擾的信號數(shù)據(jù)去掉，這就是防脈沖干擾平均值濾波法的原理。防脈沖干擾平均值濾波法的算法是：對連續(xù)的n個數(shù)據(jù)進行排序，去掉其中最大和最小的2個數(shù)據(jù)，將剩余數(shù)據(jù)示平均值。在一般8051單片機的應用中為了加快數(shù)據(jù)處理速度，n可以取值6。而對于具有較快速度的處理器，可以加快處理速度[33]。以下為局部核心代碼：#defineLEN6//移動算術平均的個數(shù)+2=SHIFT<<2+2

#defineSHIFT2//2^SHIFTuint8pdata;//移動指針

uint8pmax,pmin;//記錄數(shù)據(jù)表中最大值和最小值的位置,

//在一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)的長度>=8,

//因此用指針記錄而不是直接記錄最大值和最小值

dtypedatas[LEN];dtypeszlb(dtype_data)

{

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

/*在調(diào)用此子程序前必須對*/

/*pdata,datas[]數(shù)組,*/

/*pmax,pmin進行初始化*/

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

dtypeaverage=0;//清零，用來計算平均值

pdata=(pdata+1)%LEN;//指針下標在0到LEN-1上滑動

datas[pdata]=_data;//采樣所得數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)表中

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

average+=datas[i];//求所有數(shù)據(jù)總和/*******去除被認為是脈沖的數(shù)據(jù)******/

if(_data>datas[pmax])

pmax=pdata;//得到最大值的指針

elseif(_data<datas[pmin])

pmin=pdata;//得到最小值的指針

if(pdata==pmax)//如果當前輸入值將存入當前最大值的位置時

{//由以上方法將不可行，必須從其他位置中查找極值

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

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

pmax=i;

}

elseif(pdata==pmin)//如果當前輸入值將存入當前最大值的位置時

{//由以上方法將不可行，必須從其他位置中查找極值

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

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

pmin=i;

}

average=average-datas[pmax]-datas[pmin];//減去脈沖return(average>>SHIFT);//求算術平均值

}經(jīng)過平均值濾波后，數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠較準確的反映采集到的物理量，然后在軟件中根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)手冊規(guī)律列表，修正，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為對應的濃度信息，存儲，以備顯示[34]。5.4顯示子程序流程圖設計如下圖，顯示子程序流程特為控制數(shù)碼管以及顯示數(shù)據(jù)的整個過程介紹。圖5.3顯示子程序流程圖設計5.5本章小結本章介紹系統(tǒng)軟件設計。軟件局部包括數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報警等局部。并附有詳細的程序流程圖，全面介紹了本設計軟件局部的思路。6結論本論文設計了一個基于AT89C51單片機的氣體濃度檢測系統(tǒng)。它由氣體傳感器、復位電路、驅(qū)動電路、LED顯示等模塊組成，繪畫出了具體可操作的電路圖，并詳盡的介紹了本設計硬件局部的構造及可實現(xiàn)性。主要用于一氧化碳、液化氣、甲烷、丙烷等室內(nèi)有毒氣體的濃度檢測。當空氣中有毒氣體到達一定濃度時，將危及人的健康和平安，而及時發(fā)現(xiàn)有毒氣體是所有預防危害的關鍵。因此，氣體濃度檢測系統(tǒng)的研究有重要的現(xiàn)實意義。經(jīng)過幾周的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設計終于完成了。在沒有做畢業(yè)設計以前覺得畢業(yè)設計只是對這幾年來所學知識的簡單總結，但是通過這次做畢業(yè)設計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點片面。畢業(yè)設計不僅是對大學四年所學知識的檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設計使我明白了自己所學的知識還比擬欠缺。自己要學習的東西還很多。通過這次畢業(yè)設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。下面我對整個畢業(yè)設計的過程做一下簡單的總結：第一：接到任務以后進行選題。選題是畢業(yè)設計的開端，選擇恰當?shù)?、感興趣的題目，這對于整個畢業(yè)設計是否能夠順利進行關系極大。我選擇的題目是氣體濃度檢測系統(tǒng)設計，因為我對這個方面比擬感興趣，而且這方面的技術也在不斷的更新之中，有很好的前景。第二：題目確定后就是找資料了，查資料是做畢業(yè)設計