基于單片機的室內空氣質量檢測系統(tǒng)設計畢業(yè)論文.doc

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1、華北科技學院畢業(yè)設計（論文）目錄設計總說明3Instruction51緒論81.1 設計背景及意義81.2 國內外現(xiàn)狀91.3 設計內容及要求92 室內空氣質量標準及改善方式102.1 室內空氣質量標準參數(shù)102.2室內空氣品質監(jiān)測方法112.3改善空氣品質方法113.1 各模塊電路的方案選擇和討論證明123.1.1 單片機模塊的選取和討論123.1.2 氣體傳感器選用123.1.2天然氣濃度監(jiān)測部分的選擇和論證133.2 總體電路設計概述134 系統(tǒng)硬件設計154.1硬件總體結構154.2 單片機控制部分154.2.1復位電路174.2.2 時鐘電路174.2.3 P0口上拉電阻電路184.

2、3 甲醛氣體監(jiān)測模塊設計184.3.1 RCV420電流電壓轉換器194.3.2 ADC0832性能描述204.3.3 換氣扇控制設計214.4 天然氣氣體監(jiān)測模塊設計224.6顯示模塊部分234.7 電源電路模塊255軟件設計265.1編程語言的選擇265.2子程序模塊265.3 AD轉換模塊285.4顯示模塊295.5聲光報警模塊30參考文獻34附錄36致謝46第 1 頁 共 46 頁基于單片機的室內空氣質量檢測系統(tǒng)設計設計總說明隨著生活質量的提高，人們開始不斷改善自己的居住環(huán)境，各種室內裝飾、裝修材料被大量的使用。而這些材料中有大量的甲醛，直接影響著人們的健康。甲醛也叫蟻醛，是一種有刺激

3、性氣味的易溶的無色氣體，是一種潛在的致癌物質。低濃度的甲醛會導致鼻炎、咽炎、結膜炎等，隨著甲醛濃度的增高，甚至會導致人類的死亡。甲醛是人們日常生活和工作環(huán)境中嚴重危害人體健康的氣體，它主要存在于人們室內裝修材料中，并且會持續(xù)揮發(fā)很長時間。 在人們入住新裝修好的房子后，由于室內裝修木材以及油漆還有涂料中含有的以甲醛為主的有害人體健康的氣體在不斷的揮發(fā)到室內，如果揮發(fā)濃度達到一定值時就會對人的健康產生一定的損害。生活在一個甲醛濃度超標的環(huán)境中，人們會出現(xiàn)不同程度的惡心，頭暈，失眠等癥狀影響人們的健康。甲醛它對人們的神經干擾使人們產生一系列的病狀反應。在這種環(huán)境下，室內甲醛濃度測定儀對我們的生活就顯

4、得格外有重要和必要。室內甲醛濃度測定儀它能夠對室內甲醛濃度進行檢測并且驅動相應的改善控制質量的設備來達到改善室內環(huán)境的要求。在人們對生活品質要求提高，更加注重身體健康的今天，人們對家具建材以及各種裝修室內材料的要求也提高了很多，人們一是到了甲醛對身體的影響是多么的大。所以人們去找出甲醛的主要來源，首先從根源上盡量減少甲醛在室內環(huán)境中出現(xiàn)的可能，然后再通過在室內安裝甲醛濃度測量儀和通風設備來改善環(huán)境，增加人們的健康指數(shù)。人們這種不止追求舒適和視覺上的享受而且注重內在品質的生活態(tài)度為甲醛測定系統(tǒng)的發(fā)展提供了主要動力?？諝庵醒b修材料含有的甲醛等有害氣體危害人的健康，癌癥的高發(fā)可以說很多都和空氣質量有

5、關?，F(xiàn)代人們重視裝修，但是卻很少有人在裝修之后對自己的室內進行檢測，所以要求學生設計一個室內空氣質量的檢測系統(tǒng)，為及時了解和改善室內空氣質量提供依據(jù)和可能性。也使人們?yōu)橹匾暿覂瓤諝赓|量而做出自己的努力。以空氣中裝修材料甲醛等有害氣體為被測對象。采用單片機為控制中心，完成對空氣濃度的實時采集處理、報警和顯示等功能。設計的報警系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)在濃度超標時及時的報警。 本文提出一種通用的室內甲醛氣體實時檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實時檢測、操作簡單、實用等特點。本文設計了一種基于單片機的甲醛濃度實時檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 AT89C52 單片機為核心，選用專用的 CH20S10 甲醛傳感器檢測甲醛濃度。甲醛氣體經

6、甲醛傳感器后，得到相應的電壓信號，再經電路放大轉換成標準電壓信號，輸入模/數(shù)轉換器 ADC0832，經單片機進行相應的數(shù)據(jù)處理，得到的數(shù)字信號送入 LED 顯示器，把相應的氣體濃度值顯示出來。該系統(tǒng)可以達到實時檢測甲醛氣體濃度的目的。 該系統(tǒng)以AT89C52單片機為核心，由甲醛傳感器CH20S10檢測甲醛氣體的濃度，室內微量的甲醛氣體經甲醛傳感器檢測后得到與甲醛濃度相對應的電流信號，通過I/U轉換器得到相應的電壓信號，送到模/數(shù)轉換器ADC0832轉換器的輸入端，將模擬信號轉換成數(shù)字信號，再將數(shù)字信號送到AT89C52的輸入端。由AT89C52控制數(shù)據(jù)的采集處理，轉換得到的數(shù)字信號送入LED顯

7、示器，把相應的甲醛濃度值顯示出來。該系統(tǒng)包括甲醛傳感器、模/數(shù)轉換器、單片機、LED顯示器，具體實現(xiàn)功能如下：（1） 甲醛傳感器模塊：傳感器檢測性能的好壞影響整個系統(tǒng)的精確度與可靠性。（2） 模/數(shù)轉換器模塊：在設計中模數(shù)轉換模塊起到橋梁的作用，連接著模擬信號與數(shù)字信號之間的轉換。（3） 單片機模塊：本系統(tǒng)采用單片機為控制核心。（4） 顯示模塊：由于該設計中顯示的甲醛含量屬于較簡單的字符，可以考慮使用數(shù)碼管，數(shù)碼管具有功耗低、體積小、顯示內容齊全等特點，在顯示內容簡單且需要考慮經濟因素時，大多采用數(shù)碼管。這正好符合我們這次設計的要求。本次設計以空氣中裝修材料甲醛等有害氣體為被測對象。采用單片機

8、為控制中心，完成對空氣濃度的實時采集處理、報警和顯示等功能。設計的報警系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)在濃度超標時及時的報警。關鍵詞：AT89C52；空氣質量；LED顯示；報警系統(tǒng)Design of indoor air quality inspection system based on single chip microcomputerInstruction With the improvement of quality of life, people began to constantly improve their own living environment, all kinds of interio

9、r decoration, decoration materials is widely used. And there are large amounts of formaldehyde in these materials, a direct impact on peoples health. Also called formaldehyde, formaldehyde is a colorless, stimulating odour of soluble gas, is a kind of potential carcinogens. Low concentration of form

10、aldehyde can cause rhinitis, pharyngitis, conjunctivitis, such as increased as the concentration of formaldehyde, even lead to the death of human beings. Formaldehyde is the Peoples Daily life and cause serious damage to human body health of gas in the working environment, it mainly exists in people

11、 in interior decoration materials, and will continue to volatilize for a long time. After people in new decorated house, because indoor decorate wood and paint and coatings contain mainly formaldehyde gas harmful to human health is constantly to evaporate into the indoor, if volatile concentration r

12、eaches a certain value will produce certain harm to the health of people. Living in a formaldehyde chroma of environment, people will have different degrees of nausea, dizziness, the symptom such as insomnia affects peoples health. Formaldehyde it on peoples nerve interference has a series of sympto

13、ms. In this environment, the indoor formaldehyde concentration meter is especially to our life is important and necessary. The indoor formaldehyde concentration meter it can carry on the detection of indoor formaldehyde concentration and drive the improvement of the corresponding control equipment t

14、o meet the needs of improving indoor environment quality. In peoples life quality requirements improve, pay more attention to body health today, the furniture building materials as well as a variety of indoor decorate material requirements also increased a lot, one is to the influence of formaldehyd

15、e on the body how big it is. So people to find out the main source of formaldehyde, first of all, from the source to minimize the possibility of formaldehyde in the indoor environment, and then through the indoor formaldehyde concentration measuring instrument and ventilation equipment installed to

16、improve the environment, to increase peoples health index. People this more than the pursuit of comfort and the enjoyment on the vision and focus on quality of inner life attitude to the development of formaldehyde determination system provides the main engine. Decoration materials in the air contai

17、ning the harmful gas such as formaldehyde harm peoples health and cancer incidence may say many are related to air quality. Modern people attach importance to decorate, but rarely after decorating for your indoor testing, so students are required to design an indoor air quality testing system, provi

18、de the basis for timely understand and improve indoor air quality and possibility. Also make people to pay attention to indoor air quality and make their own efforts. To decorate material such as formaldehyde harmful gas in the air for the object to be tested. Completed by single chip microcomputer

19、as the control center, the concentration of air, real-time acquisition and processing, display and alarm function. Design of the alarm system, can realize at higher concentration and timely report to the police.This paper presents a general indoor formaldehyde gas real-time detection system, the sys

20、tem has the characteristics of real-time detection, the operation is simple, practical. This paper designed a kind of formaldehyde concentration in the real-time detection system based on MCU. The system with AT89C52 single-chip computer as the core, choose special CH20 / S - 10 formaldehyde sensor

21、detect formaldehyde concentration. Formaldehyde gas after formaldehyde sensor, get the corresponding voltage signal, then through convert standard voltage signal amplification circuit, a/d converter input ADC0832, the corresponding data processing, single-chip get digital signal into the LED, the co

22、rresponding gas density display. The system can achieve the goal of real-time detection of formaldehyde gas concentration.The system with AT89C52 single chip microcomputer as the core, by formaldehyde sensor CH20 / S - 10 testing the concentration of formaldehyde gas, gas after formaldehyde sensor t

23、o detect the trace of indoor formaldehyde with formaldehyde concentration that corresponds to the current signal, the corresponding voltage signal is obtained by I/U converter, a/d converter to ADC0832 converter input, converts analog signals into digital signals, then the digital signal to the inpu

24、t end of AT89C52. Controlled by AT89C52 data collection and processing, digital signal by converting into the LED display, the corresponding formaldehyde level was displayed.Sensor a/d converter, the system includes formaldehyde, single-chip microcomputer, LED display, concrete realization function

25、is as follows:Formaldehyde sensor modules: (1) sensor detection performance is good or bad influence the accuracy and reliability of the whole system.(2) modules: the a/d converter adc module in the design have the effect of bridge, connects the conversion between analog signals and digital signals.

26、(3) the MCU module: the system adopts the single chip processor as the core.(4) the display module: due to the design shown in the formaldehyde content belongs to a simple character, can consider to use LED, LED has low power consumption, small volume, abundant content, etc, in the pocket instrument

27、ation and low-power were widely used in the system.This design to decorate material such as formaldehyde harmful gas in the air for the object to be tested. Completed by single chip microcomputer as the control center, the concentration of air, real-time acquisition and processing, display and alarm

28、 function. Design of the alarm system, can realize at higher concentration and timely report to the police.Keywords: AT89C52 devices; Air quality; LED display; Alarm system第 7 頁 共 46 頁1緒論1.1 設計背景及意義 科技是推動經濟發(fā)展的主要動力，特別是在21世紀，隨著科學技術的迅速發(fā)展，我國的經濟的得到了大幅度的提升，人民的生活水平也相對提高了不少。人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，各種各樣的新型居住空間開始被人們設

29、計出來，房屋的裝修隨著材料開發(fā)的進步也越來越奢華漂亮。雖然人們的居住環(huán)境在視覺上和感覺上得到了很大的滿足，但是，隨著這種視覺和感覺上的需求所帶來的安全隱患也伴隨而來。我國目前的狀況是人口眾多，科技創(chuàng)新處于發(fā)展階段，在材料的應用和房屋設計技術方面還是比較欠缺的。人們想要居住一個舒適，安心的房子就得考慮房子的構造以及房子的裝修隱患。近年來，隨著科學技術、生產條件、生活水平的改善和提高，為了節(jié)約土地，人們開始建設高層樓房，樓房的結構比較密閉，在一定的空間內人口密度較大，現(xiàn)在的大多數(shù)企業(yè)或者人們在辦公以及生活中為了節(jié)約經濟往往適用少量的空間來容納盡量多的人來完成辦公和生活所需，達到經濟利用最大化，但是

30、由于這樣情況導致人們在工作以及生活中出現(xiàn)了一些病態(tài)癥狀，例如：長時間在密閉的室內工作或者在剛裝修不久的室內居住的人們常常會出現(xiàn)頭暈、惡心、神經衰弱等癥狀。這一問題在當今這個土地日益經濟化的時代顯得格外突出，再還有部分黑心商人的存在使得劣質的裝修材料進入居民的居住環(huán)境中對人們的身體造成極大的傷害。在人們對生活品質的要求不斷提高的同時，人們開始對居住環(huán)境帶來的身體傷害重視起來，所以設計一個室內的有害氣體檢測和報價那個系統(tǒng)顯得格外重要和必要。室內對人體有害的氣體主要是裝修材料中含有的甲醛，人們適用的天然氣中的主要成分甲烷，一氧化碳等，二氧化碳含量較高無法即使通風也會是人體產生不適。在這些有害氣體中甲

31、醛是對人體傷害最大，甲醛是一種有毒物質，它能夠損壞生物蛋白質從而使人的皮膚還有呼吸道收到較嚴重的傷害，如果人長時間處在一種甲醛含量比較高的環(huán)境，嚴重時可能會被麻痹神經，使人出現(xiàn)水腫，患癌等嚴重后果。除此之外，甲醛還可能造成孕婦肚中胎兒的基因突變，從而出現(xiàn)新生兒畸形等嚴重不良后果。甲醛主要存在于我們裝修房子適用的地板，油漆，涂料中，我們要想避免這些嚴重的后果就得重視這一嚴重問題，就得積極的去做出相應的應對之策，這是我們生活的現(xiàn)實需求，我國環(huán)保以及衛(wèi)生、質量檢測部門在2003年制訂了一部標準的室內空氣質量值，并明確的指出室內污染氣體對人的危害是極大的，針對這一現(xiàn)狀設計出一款室內甲醛濃度檢測報警系統(tǒng)

32、顯得極其重要和必要。1.2 國內外現(xiàn)狀在上世紀80年代人們就設計出了關于甲醛測量的壓電類傳感器。這個傳感器的功能在當時還是比較先進的，它能夠直接接觸氣體測量，不用對測量氣體進行相關處理，在理論上那個是很符合我們生活所需的，但是它有一個致命的缺點就是很容易在水分含量較高的環(huán)境中出現(xiàn)測量不穩(wěn)定的情況，這一致命缺點導致它在應用中很受限制，適用價值很小。從人們著手研究甲醛并且認識到它的危害開始，針對甲醛的測量研究就始終沒有停止過，為了能夠有效而且精準的測量出室內甲醛濃度的數(shù)值，各國科學家利用各種方法和原理設計出了很多種甲烷快速測量儀器，這些儀器被安裝在所需的室內環(huán)境中，能直接的檢測出當前的室內甲醛濃度

33、，測量速度比較快而且操作簡單。隨著現(xiàn)代科技的更近一步的發(fā)展，單片機的問世以及強大功能同時也使得甲醛測定系統(tǒng)的性能和功能得到了質的飛躍，市場上開始出現(xiàn)了各種數(shù)字式的甲醛測量系統(tǒng)，甲醛測定系統(tǒng)也向智能化，多功能化方向發(fā)展。在國外，在甲醛檢測儀器領域技術比較成熟的美國ESC公司還有英國ppm公司，他們生產的甲醛測量儀器Z一300和PPM-400在功能以及性能方面在同領域都比較先進，技術也比較成熟，就我國目前的現(xiàn)狀而言，技術相對比較前沿的有江蘇安普電子工程有限公司以及北京賓達綠創(chuàng)科技有限公司，他們分別生產的400型甲醛測量儀器和甲醛測定儀308等比較實用，并且測量功能齊全，精度較高?，F(xiàn)在我國的甲醛測定

34、系統(tǒng)和國外相比較，主要的差異是在氣體傳感器以及控制器的選用上，因為我國的控制技術等各方面還沒有達到國外的成熟地步，所以生產的產品在性能和功能上還是和國外產品有一些差異，相比而言，國外的產品更容易操作，壽命等性能較完善，適合大眾長期使用。1.3 設計內容及要求 設計內容：空氣中裝修材料含有的甲醛等有害氣體危害人的健康，癌癥的高發(fā)可以說很多都和空氣質量有關?，F(xiàn)代人們重視裝修，但是卻很少有人在裝修之后對自己的室內進行檢測，所以要求學生設計一個室內空氣質量的檢測系統(tǒng)，為及時了解和改善室內空氣質量提供依據(jù)和可能性。也使人們?yōu)橹匾暿覂瓤諝赓|量而做出自己的努力。 設計要求：以空氣中裝修材料甲醛等有害氣體為被

35、測對象。采用單片機為控制中心，完成對空氣濃度的實時采集處理、報警和顯示等功能。設計的報警系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)在濃度超標時及時的報警。2 室內空氣質量標準及改善方式2.1 室內空氣質量標準參數(shù)室內有很多種污染氣體，主要來源于室內裝修所用的地板和油漆以及粉刷材料，但是，由于裝修材料的不同也導致不同室內的污染氣體和氣體濃度不同，因為各個材料中所含有的污染氣體太多我們不能夠逐個測量，所以我們就針對于室內的主要污染氣體進行測量，主要氣體為裝修材料中主要成分甲醛以及與人們日常生活息息相關但有危險的天然氣氣體。測量的標準見表2.1：表2-1 室內空氣監(jiān)測指標限度檢測指標單位 濃度 備注溫度 1828 平均甲醛（H

36、CHO） Mg/m3 0.08甲烷（CH4） Mg/m3 250甲醛是世界公認對人體有巨大傷害的有害氣體，但在我們的生活中卻和它有很多的交集，甲醛是一種能夠揮發(fā)的氣體，人們裝修的器材中含有脲醛樹脂，它的主要成分是甲醛，在房屋裝修完成后脲醛樹脂中的甲醛揮發(fā)出來混在空氣當中，對人的鼻子有很強烈的刺激性。當我們在含有甲醛濃度超標的室內進行日?；顒訒r，甲醛對我們的身體產生刺激作用使我們出現(xiàn)不適，據(jù)權威部門研究表明，當甲醛含量在0.1 mg/m3時，我們的身體就會出現(xiàn)不適并且可以聞到氣味。如果甲醛含量再上升到0.5mg/m3時，人們的眼睛就會被刺激流淚，如果甲醛含量再上升到0.1 mg/m3或者更多時，

37、我們的身體就會受到更大更嚴重的傷害，人們就會開始出現(xiàn)惡心、胸悶等病態(tài)反應，如果甲醛含量超過30 mg/m3，那么這將有可能直接使人死亡。我國相關部門規(guī)定室內甲醛含量必須低于0.08mg/m3才能保證人們的生活工作不受影響。 （2）苯也是我們室內除了甲醛以外的一種有毒揮發(fā)氣體。苯以液態(tài)的形式存在于裝修材料中，經過一段時間揮發(fā)成氣體混入室內空氣中對人體造成危害，到目前位置還沒有對空氣中苯的揮發(fā)氣體濃度標準做出具體的規(guī)范，但是在實際中我們吸入超標的苯氣體后會出現(xiàn)和甲醛中毒相同的癥狀，人們出現(xiàn)頭暈、惡心等不良癥狀，嚴重時可直接導致死亡。我國相關部門現(xiàn)規(guī)定在揮發(fā)氣體濃度低于0.09mg/m3時，就認為苯

38、含量在正常范圍內，不會對人體造成影響。 （3）天然氣氣體，在我們的日常生活中很多的地方都會用到天然氣，天然氣的主要成份是甲烷，當人們吸入后不會對人體產生直接傷害，但是當其濃度達到一定范圍時就會很容易引起爆炸等災害，所以在我們的居住環(huán)境中天然氣氣體濃度也是我們應該實時監(jiān)測的指標之一。 目前我國相關部門規(guī)定當空氣中甲烷濃度低于250mg/m3時不會對人們造成不良影響。2.2室內空氣品質監(jiān)測方法(1)化學分析方法利用一些能夠與被測氣體反應的化學物質經過一些化學方法得到被測污染氣體的濃度。由于這種方法有外界因素的干擾往往誤差較大。 (2)傳感器監(jiān)測方法選擇針對性的傳感儀器在被測氣體的環(huán)境中通過儀器工作

39、能夠直觀的看到被測污染氣體的濃度。我們根據(jù)被測氣體和環(huán)境的不同可以選擇不同的傳感器來測量，傳感器的測量精度往往相對較高。2.3改善空氣品質方法(1)開窗通風換氣改善空氣質量最通俗的方法就是打開密閉空間讓室內空氣與室外空氣對流進行交換，將有害氣體排除室外減小空氣濃度，同時也就減小其危害。大量的調查表明，經常開窗通風可大大減少室內有害氣體對身體造成的傷害，這也是一種簡單有效的方法。（2）購買一些有加濕或者空氣過濾功能的機器發(fā)明放置在室內。加濕器可以通過噴出的水霧將有害氣體吸收從而達到改善空氣的目的，過濾器材也是通過一些化學和物理方法將氣體中的一部分有害氣體過濾掉從而凈化空氣減少對人體的傷害。 （3

40、）選用有保障的裝修材料在房子裝修過程中裝修材料的選擇是很重要的一個環(huán)節(jié)，我們在選擇和購買裝修材料時一定要去正規(guī)的且有保障的材料出售地去購買，切勿貪圖便宜購買劣質的裝修材料，由于有一部分黑心商人為了追求利益出售的裝修材料中的甲醛含量嚴重超標從而對人體造成很嚴重的傷害。3系統(tǒng)基本方案選擇及論證3.1 各模塊電路的方案選擇和討論證明3.1.1 單片機模塊的選取和討論 方案一：AT89c51是一種性能比較好的小型處理器，它是8位的的處理器，它里面包含有1288位的隨機存取存儲器，用來編程的I/O線口32個。16位定時器和計數(shù)器有兩個，中斷源有5個。在性能上能滿足一般的控制系統(tǒng)所需，應用廣泛。 方案二：

41、AT89C52單片機內部有8位的CPU，同時也內部也包含可編程的Flash與256字節(jié)的存儲器。數(shù)據(jù)指針和I/O接線端口的數(shù)量分別是2和32，16的定時/計數(shù)器有3個，它的內部還有一個2級的中斷模塊，還具有先進的看門狗系統(tǒng)模塊。在單片機工作時如果發(fā)生意外的斷電時，單片機就會不工作了，數(shù)據(jù)存儲模塊中的信息也會被保存下來。 我們在對以上兩種單片機進行對比分析后得出：AT89c52相對AT89C51而言，在功能上占據(jù)優(yōu)勢，就看門狗計時器而言，52單片及內部就包含了它，而51單片機要用外部電路擴充，在工作電壓的要求上，52單片機適用的工作電壓為4-5V，相對51單片機的工作電壓要下很多。還有就是工作頻

42、率，52單片機的工作頻率相對51單片機而言要大很多，這個原因也同時導致51單片機的處理速度較52單片機慢了許多。根據(jù)上面的論述，我們最后決定選用52單片機來做系統(tǒng)的控制部分。3.1.2 氣體傳感器選用1氣體傳感器基礎知識按照氣敏特性來分，氣體傳感器主要分為：半導體型、電化學型、固體電解質型、接觸燃燒型、光化學型等氣體傳感器，又以前兩種最為普遍。 (1)半導體型氣體傳感器的優(yōu)缺點半導體氣體傳感器具有成本低廉、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。不足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。(2)半導體傳感器需要加熱

43、的原因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。氣體分子在薄膜表面進行還原反應以引起傳感器電導率的變化。為了消除氣體分子達到初始狀態(tài)就必須發(fā)生一次氧化反應。傳感器內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應不充分。(3)電化學氣體傳感器的工作原理電化學氣體傳感器是通過監(jiān)測電流來監(jiān)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，目前可以監(jiān)測許多有毒氣體和氧氣，后者還能監(jiān)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。不足之處是有壽命的限制一般為

44、兩年。(4)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。 目前在檢測甲醛檢測領域主要有電化學、光學以及光生化等這樣的傳感器。這幾大類的傳感器的各自特點如下：電化學的組成相對比較簡單，經濟適用，在性能上基本能夠滿足用戶的檢測需求。光學傳感器的體積大，價格也比較貴，故不適合進行我們的測定系統(tǒng)。光生化傳感器由于內部結構中的某些組成部分容易受干擾所以導致測量不穩(wěn)定，實際應用性不強。綜合以上敘述，我們決定選用甲醛電化學傳感器作為測量模塊。3.1

45、.2天然氣濃度監(jiān)測部分的選擇和論證 方案一：使用催化燃燒式氣體傳感器，它主要依據(jù)熱效應的原理，利用電橋在確定的溫度前提下，天然氣氣體在主要器件內部在相關屋子的作用下燃燒，使得載體溫度增高，同時內部的鉑絲溫度升高使得電橋的平衡被破壞，出來一個電信號它與天然氣氣體的濃度成正比。然后我們依據(jù)輸出的電信號來判斷天然氣氣體的濃度。從而達到測量的目的，這種測量方式性價比比較高。 方案二：使用MQ-5傳感器，它內部用來檢測的主要成份是SNO2，這種氣體傳感器處在有天然氣氣體濃度較高的空氣中時，如果空氣中天然氣濃度增大那么傳感器中的點到信號就會發(fā)生變化，并且將變化的數(shù)值轉變成電信號輸出出來，這是一種適合家庭適

46、用，并且性價比高的傳感器。 經過比較，我們選擇方案二來做傳感器部分。3.2 總體電路設計概述根據(jù)我們上面的分析，還有電路的性質以及控制目的，確定下面的方案：本系統(tǒng)以89C52單片機為核心，擴展外圍控制電路，檢測變送電路，顯示電路，復位電路，時鐘電路，電源電路，報警電路；本系統(tǒng)的整體運行過程為：通過軟件來設定室內甲醛及其它有害氣體的標準濃度，實時有害氣體通過檢測變送電路模檢測，并將檢測到的物理量轉化成電信號，然后放大電信號并將模擬量通過A/D轉換為單片機識別的數(shù)字量發(fā)送給單片機。單片機系統(tǒng)將實時有害氣體濃度與設定值進行對比，并通過顯示電路將實時室內有害氣體濃度顯示出來，如果室內實際有害氣體濃度超

47、出標準濃度，系統(tǒng)將自動亮燈和報警。同時觸發(fā)控制電路將對室內的通風環(huán)節(jié)控制環(huán)節(jié)做出適當?shù)恼{整，以確保室內實際的有害氣體濃度保持在標準濃度值之下。 4 系統(tǒng)硬件設計4.1硬件總體結構硬件電路主要分為電源電路、復位電路、時鐘電路、LCD顯示電路和甲醛等有害氣體濃度檢測電路六部分。選擇集成的52單片機成為主要的控制器，在系統(tǒng)中甲醛傳感器傳感器獲得并將其轉換為電信號送給A/D轉換器轉換信號為單片機能夠讀懂的數(shù)字信號，然后通過單片機內部的程序來將各種信息處理并輸出指令信號通過顯示和控制電路表現(xiàn)出來。然后通過控制模塊做出調整，達到控制要求。系統(tǒng)整體結構如圖4-1所示：閥門換氣扇報警電路晶閘管控制電路燃氣體傳

48、感器A/D甲醛傳感器接口電路單片機數(shù)碼管顯示 圖4-1 系統(tǒng)整體結構圖4.2 單片機控制部分通俗來講，單片機就是一個小型的計算機，試想一下一個計算機的功能全部濃縮在一個小小的芯片上，充分解釋了什么叫濃縮的是精華。因此在很多控制領域中我們用到的最廣泛的芯片就是單片機，單片機雖然體積小、但是其功能卻十分驚人，其高可靠性、高性能的特點一直是人們熱衷于單片機開發(fā)的主要原因。而且功能全但造價并不高，并且在能耗方面也有出色的表現(xiàn)。在系統(tǒng)中應用單片機，可以使系統(tǒng)快速的檢測到大量的數(shù)據(jù)，在經過飛速的運算處理和邏輯分析之后，可以做出快速的、實時的動態(tài)響應。發(fā)展到現(xiàn)代社會，工業(yè)中我們應用的主流單片機還是以8位機為

49、主，但其16位、32位的同胞兄弟正在以極快的速度崛起中。而本次磁懸浮小球控制系統(tǒng)，其需要處理的數(shù)據(jù)量并不是太大，所以本著考慮到系統(tǒng)的運算性能和成本的問題，本次設計選用的是ATMEL公司生產的AT89C52型號的單片機。圖4-2為本次設計中所應用的單片機的最小系統(tǒng)。圖4-2 52單片機最小系統(tǒng)由圖可以看出，此單片機一共有40個管腳，其中可以用做輸入輸出的管腳是P0口、P1口、P2口、P3口，除此只外P0口還可以用作地址、數(shù)據(jù)總線，而P3口也有自己的第二功能，P3.0-P3.1用作第二功能的時候，每個管腳都需要單獨定義。需要注意的是，要是用P0口的輸入輸出功能的時候一定要在外面接上拉電阻。(1)X

50、1、X2管腳用于接外接晶振，為單片機提供脈沖信號。(2)ALE管腳用于選擇地址的鎖存信號，當脈沖信號為下降沿的時候，此管腳輸出工作信號。(3)RESET管腳外接復位電路，用于單片機的復位操作。(4)PSEN管腳用于單片機是否在外部的儲存器提取指令，在低電平到達的時候，單片機才會從外部的儲存器提取所用的指令信號。(5)EA管腳負責管理單片機的內外程序存儲器，當EA為高電平的時候，單片機可以反問片內的ROM存儲器；反之則訪問片外的。本次設計中也只是應用了PO口作為輸入功能，與其相連的是ADC0809模數(shù)轉換芯片。而輸出口則是應用的P2口，用于輸出產生的PWM波。由此可以看出，本次設計并沒有將單片機

51、的全部引腳充分利用，但現(xiàn)在也可以滿足此次的設計要求。在設計總控制器的時候我也有考慮過使用其他的控制芯片，甚至也考慮過比52單片機功能更強大的種類。但是介于所學到的知識和對整個系統(tǒng)的功能分析，并最終決定整個控制系統(tǒng)的核心采用52單片機。單片機正因為其多功能的管腳、較小的身軀、強大的功能、出色的運算速度等，確定了其廣泛的應用領域，生活中我們的各種家電、各種智能設備，工業(yè)中所應用的生產流水線，高端智能儀器等等。單片機發(fā)展到現(xiàn)在，已經成為了我們社會進步的不可缺少的重要工具。4.2.1復位電路復位電路是單片機系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，只有在復位電路的可靠運行下系統(tǒng)才能可靠的運行。復位電路在單片機中的形

52、式的只能就是使單片機重置至初始狀態(tài)，并從這個工作店開始工作。我們可以通過很多種方法來實現(xiàn)復位電路，由于功能的不同我們可將其分為兩大類：一種是電源復位，另一種是按鍵復位。電源復位就是說通過給電源直接給單片機通電的方法來達到復位的目的；而按鍵復位就是在系統(tǒng)的復位電路中裝上復位開關，通過按鍵開關的通斷來觸發(fā)復位電平信號，通過上述對比，我們選用電源復位，電路設計如圖4-3所示： 圖4-3 單片機復位電路4.2.2 時鐘電路時鐘是單片機內部電路工作的基礎，也是CPU工作時序的時間基準。時鐘電路的作用是產生單片機穩(wěn)定工作需要的時鐘信號。振蕩器是單片機工作所需的必要部分。它是由單片機內部的高增益反相放大器構

53、成的。振蕩器有輸入和輸出段兩個端口，它的輸入端接單片機內部的其輸入端接至單片機內部的XTAL1引腳，輸出端接單片機的外部的XTAL2引腳。通過在兩個端口的兩端介入一個合適的晶振還有兩個電容就組成了一個可以單片機運行所需的自激式振蕩電路。電容C1、C2的作用是穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振，容量的選擇范圍為530PF,通常選擇30pF。振蕩頻率的選擇范圍為1.212MHz，本設計選擇12MHZ，時鐘周期為(1/12)。如圖3所示是單片機內部時鐘方式的振蕩電路。單片機所需的時鐘脈沖信號是需要將時鐘電路產生的振蕩脈沖通過觸發(fā)器進行二分頻之后產生的脈沖。單片機內部的時鐘電路結構如圖4-4所示：圖4-4 片機內

54、部時鐘電路4.2.3 P0口上拉電阻電路STC89C51 單片機P0口里面沒有上拉電阻，通過對單片機內部場效應管的控制來實現(xiàn)端口的輸出。假如不設上拉電阻，單片機無法在端口得到高電平，即使單片機通過鎖存器結合單片機輸出的高電平場效應管截止。所以P0口必需加上拉電阻。如圖4-5。圖4-5 P0口上拉電阻電路4.3 甲醛氣體監(jiān)測模塊設計甲醛傳感器的組成部分是甲醛探頭和CH20傳感器。如果室內空氣被采樣系統(tǒng)感受吸收之后，生成一個和甲醛濃度成正比的電流信號，這個電流信號被電流電壓轉化器RCA420轉變成電壓信號，把這個電壓信號傳送給數(shù)模轉換器ADC0832，并把模擬信號轉變成數(shù)字信號傳輸給單片機，經過單

55、片機的軟件處理將控制信號發(fā)送給顯示模塊把實時濃度顯示出來，如果超標發(fā)出報警指令。甲醛傳感器的參數(shù)如下表4-1所示：表4-1甲醛傳感器的技術參數(shù)參數(shù)名稱技術條件參數(shù)名稱技術條件測量范圍0-10ppm參數(shù)范圍-20至45最大負荷50ppm相應時間（T90）50sec工作壽命空氣中2年濕度范圍15%至90%輸出信號1200300nA/ppm800200nA/ppm推薦加載電阻10ohm分辨率0.05ppm典型信號飄移2%signal loss/months基準線-2ppmto0ppm4.3.1 RCV420電流電壓轉換器RCV420是一個精密的電流接收芯片，它的作用是是將4-20mA的電流信號變化成

56、0-5V的電壓信號，這個電流接收芯片是美國RURR-BROWN公司設計生產的。它的價格比較低廉但是性能較好。它的內部有一個運算放大器和一個電阻網(wǎng)絡以及一個電壓基準。它的一般轉換誤差較低為0.1%，它的管腳連接如下：他的管腳10-12連接在一起，管腳2、5、13連在一起并接入地線。電壓信號的輸出端口是14-15管腳連接在一起。能夠通過在14-15中間連接一個電位器來實現(xiàn)增益的調整作用。 這樣的做法會使共模抑制比降低，估計將減少6db,所以我們在應用時可將14與15管腳連接在一起，7-8管腳空置，4和16管腳連接一個接地電容，它的大小為1uF。在正負輸入端口輸入電流信號來轉化電流。它的主要參數(shù)如下

57、表4-2：表4-2 RCV420的主要參數(shù)主要參數(shù)最小值典型值最大值單位輸出額定電壓1012V輸出額定電流10， -5mA輸入檢測電阻74.257575.75輸入共模阻抗200輸入共模電壓-4040V電源額定值15V電源電壓范圍-1818V4.3.2 ADC0832性能描述集成A/D轉換器根據(jù)應用場合的不同可分為很多種，我們在選用時也通過考察各方面的因素滯后再選取適合的集成芯片。一般ADC0832這種類型的A/D轉換器在實際中應用的比較多，它是逐次比較型的。ADC0832是一個8位并且單通道的轉換器。它有很多的特點，分別是：模數(shù)變化的時間一般為100us；容易與TTL或CMOS接口接入；不僅能

58、夠實現(xiàn)差分電壓輸入，而且還能夠實現(xiàn)參考電壓輸入的功能。它的內部設有時鐘發(fā)生器；它不需要調零操作，并且輸出的電壓范圍是零到5V，當一個電源工作的時候。ADC0832設計的比較早，所以應用范圍也比較廣泛。（1）芯片參數(shù)如下：工作電壓：+5V，即VCC=+5V；模擬轉換電壓范圍：0+5V，即0V+5V；分辨率是1/256，它的轉化值是在0255之間；轉化時間：100us；轉換誤差：1LSB；參考電壓：2.5V；（2）.各個引腳名稱及作用：V（+）和V（-）管腳：模擬信號的接入端口，單極性以及雙極性還有差模輸入信號都可以被識別。DB0-DB7的管腳：是一個數(shù)字信號輸出段，它輸出的是八位的二進制三態(tài)特性

59、數(shù)字信號。CLKIN管腳：時鐘信號輸入端。CLKR管腳:外部連接電阻端口，它和內部的時鐘發(fā)生器相連以及CLK端配合可以讓芯片內部的時鐘脈沖發(fā)出信號，脈沖的頻率可以通過公式：f=1/(1.1RC）計算得到。CS管腳：是一個信號輸入端，它的特點是在低電平觸發(fā)。WR管腳：是寫的電平輸入端，它通過低電平來開啟AD轉換過程。RD管腳： 是讀的電平輸入端。INTR管腳：中斷端口，當數(shù)模轉換完成后，它的端口輸出低電平，并且表示這次轉換結束。VREF/2：參考電平輸入。VCC：芯片電源5V輸入。AGND:模擬電源地線。DGND:數(shù)字電源地線。 甲醛采樣檢測模塊電路如圖4-6所示：圖4-6 甲醛采樣檢測模塊電路

60、4.3.3 換氣扇控制設計我們設計的控制電路的主要組成部分是：光電耦合器以及晶閘管還有電磁閥等組成。我們選用適合我們需求的電磁閥來做主要器件，在我們選取電磁閥的時候本著低電壓、低功耗的特點去選取合適的電磁閥。選好電磁閥后在電路圖中我們可以清楚的看到如果給電磁閥供給一個正向脈沖，那么電磁閥將開啟而且一直保持這種狀態(tài)，如果電磁閥被供給一個反向的脈沖時電磁閥就會關閉?？刂齐娐啡鐖D4-7所示：圖4-7甲醛通風改善系統(tǒng)電路4.4 天然氣氣體監(jiān)測模塊設計 MQ-5傳感器的應用很廣泛，主要是針對普通家庭和生產過程中對天然氣氣體濃度的檢測作用。它在檢測過程中對甲烷以及乙烷的檢測靈敏度極高，而且它的適用壽命比較

61、長，成本不高。MQ-5傳感器在檢測過程中對甲烷的檢測濃度在300-10000ppm，加熱的需要的電壓是5V左右，回路電壓為小于等于24V的直流電壓。MQ-5傳感器的組策劃年過部分如下圖所示，他的主要組成部分是陶瓷管、SNO2接觸層。除此之外還有敏感元件放置在內部，這個檢測過程中，加熱器給氣體供給了工作需要的平臺。傳感器的工作條件如下圖表4-3所示；靈敏度特性如下圖表4-4所示。表4-3傳感器的工作條件符號參數(shù)名稱技術條件備注回路電壓15AC or DC加熱電壓5.00.2AC or DC負載電阻可調加熱電阻室溫加熱功耗900表4-4靈敏度特性符號參數(shù)名稱技術參數(shù)備注Rs敏感體電阻探測范圍：30

62、0-5000ppm液化氣，天然氣，煤氣1000ppm/5000ppmCH4濃度斜率準備工作條件溫度：202 Vc:5.0V0.1V相對濕度：65%5% Vh:5.0V0.1V預熱時間不小于24小時 MQ-5將空氣中的天然氣氣體濃度通過一些方式測得并將它轉變成電信號的形式，具體電路如下圖4-8所示：圖4-8天然氣氣體采樣模塊電路4.6顯示模塊部分 目前為止，我們在實際應用中對數(shù)碼的適用是相當廣泛的，因為數(shù)碼管的顯示功能比較完備，并且它的適用成本比較低，這好似它應用廣泛的一個重要因素。實際應用中它是一個在目前為止應用比較普遍的顯示器，它的管腳接口有10個，8個管腳是顯示數(shù)字的端口，其余兩個是數(shù)據(jù)接

63、收端口，數(shù)碼管在應用中是沒有辦法被單片機直接驅動顯示，它需要和單片機之間外界驅動電路來實現(xiàn)驅動顯示功能。在我們的這個設計中顯示器的主要作用是顯示我們設定的溫度值還有測量的實時溫度值。但是針對我們這個設計，我們本著低成本以及顯示數(shù)值較多，并且需要直觀的獨處，所以還是選用數(shù)碼管了實現(xiàn)。我們選用2個數(shù)碼管來顯示甲醛濃度以及天然氣氣體濃度，顯示數(shù)值為當前環(huán)境下的污染氣體實際值，電路設計如下圖4-9所示：圖4-9 顯示模塊報警電路：聲光報警裝置是一種應用在危險的場所，通過光和聲音來發(fā)出示警信號的一種報警裝置。防暴聲光報警裝置適用在含有C級T6溫度的組別的爆炸性氣體的環(huán)境，還可以在化工、石油等行業(yè)有防爆要求的防爆場所里使用，同樣還可以在室外使用。防暴的產品需要符