基于单片机气体浓度检测系统的设计 - 图文

1 引言

1.1 项目的研究背景

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，在西方工业发达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)进行的联合调查表明，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。美国职业安全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]。 1.1.1 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﹑煤炭和汽车等工业发展，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，症状多为头痛﹑流鼻涕﹑眩晕﹑行动迟缓和记忆力衰退等，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忽视的有害气体[3]。如果此方面未得到有效控

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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安全以及全社会的发展和安全。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，这便是气敏传感器发展的客观依据。 1.1.2 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。现代化生活的飞速发展，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”和家庭用气的安全，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，否则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较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。

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1.2 项目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。当气体传感器技术发展的如火如荼之时，气体传感器测试家属的发展并未跟上气体传感器技术发展的速度。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发展价值，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，现状及发展。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发展价值。

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，本部分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、结果显示和报警等部分组成，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。软件部分包括数据采集、处理、显示、报警等部分。

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。

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2 室内有毒气体介绍

2.1 室内空气品质(IAQ)

室内空气品质(Indoor Air Quality, IAQ)是上世纪80年代末在环境科学、卫生学、暖通空调(HVAC )等学科基础上发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(Chartered Institute of Building Services Engineers)认为:如果室内少于50%的人能察觉到任何气味，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%的人在不足2%的时间内感到烦躁，则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(acceptable indoor air quality)和感受到的可接受的室内空气品质(acceptable perceived indoor air quality )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，并且空气中没有已知的污染物达到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。它是达到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”。 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、化妆品、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、

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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。 2.2.1 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%，吸烟较多者甚至达到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会使肺心病患者症状加重，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。因此大部分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。

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2.2.2 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(Volatile Organic Compounds)。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症状。当室内甲醛含量为0.1 mg/m3，时就有异味和不适感;0.5 mg/m3可刺激眼睛引起流泪;0.6mg/m3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;当空气中达到30 mg/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较试验。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年颁布了《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0.6ppm即0.08 mg/m3。 2.2.3 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：甲烷对人基本无毒，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。若不及时远离，可致窒息死亡。皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。

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2.2.4 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，不容忽视。

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，容易被忽视。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，研究表明，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，通过试验表明，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]。

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2.3 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2.1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

温度 相对湿度（％） 台湾 23-28 40-70 美国 20-22 英国 日本 18-28 40-70 0.5 150 1000 10 100 400-700 瑞典 18-20 80 100 荷兰 140 35 俄国 18-21 50-55 建议值 18-28 30-70 0.1-0.25 150 1000 10 50 25 100 20-60 20-80 0.2 2500 9 50 100 3500 25 50 120 平均风速（m/s） 0.15-0.5 悬浮颗粒(g/m3) 二氧化碳（ppm） 一氧化碳（ppm） 二氧化氮（ppb） 臭氧（ppb） 二氧化硫（ppb） 甲醛 新房 150 1000 10 200 500 80-100 133 25（日平均） 100 （ppb） 旧房 2.4 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。

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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。 3.1.1 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。气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。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应不充分。

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。它具有成本低廉、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。不足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]。

3.1.2 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。不足之处是有寿命的限制一般为两年[15]。 3.1.3 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。 3.1.4 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，不足之处就是响应时间过长[16]。

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3.1.5 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，可燃气体在表面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。

3.1.6 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。

本项目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激励是一一对应的，而这是该系统能对多种气味和气体进行辨识的关键所在。 3.2 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合适的传感器，通过对性能、可实现性、价格等的对比。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。

3.2.1 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。半导体气体敏感部分是一

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图3.6 基本测试电路

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

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产品型号 产品类型 标准封装 检测气体 检测浓度 标准电路条件 标准测试条件下气敏元件特性 标准测试条件 浓度斜率 ? ≤0.6 20 o C-2 o C；65% RH VC：5.0V ± 0.1V VH：5.0V ± 0.1V 不少于48小时 回路电压 加热电压 负载电阻 加热电阻 加热功耗 敏感体表面RS 电阻 灵敏度 S Rs (在空气中) / Rs (5000 ppm甲烷) ≥5 2k-20 k在5000ppmCH4 VC VH RL RH PH MQ4 半导体气敏元件 胶木（黑胶木） 天然气、甲烷 300-10000ppm （甲烷、天然气） ≤24V DC 5.0V ± 0.2V AC or DC 可调 313（室温） ≤900mW 温度、湿度 标准测试电路 预热时间 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，本部分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。为后面硬件部分的选材提供基础来更好的实现本设计的意义与目的。

4 系统硬件设计

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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部分，转换部分，显示部分，报警部分构成。

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、结果显示和报警等部分组成，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。 4.2.1 LM358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，必须要加入放大电路，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

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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)、双电源(±1.5-±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（0 至Vcc-1.5V）

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图4.2 LM358内部结构图

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图4.3 运放电路图

4.2.2 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4.4。由图4.4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4.4 ADC0809的内部结构框图

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图4.5 ADC0809的引脚结构

如图4.5所示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，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则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4.1所示。

表4.1 通道选择

SELECTED ANALOG CHANNEL IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 L L L L H H H H 21

ADDRESS LINE C B A L L H H L L H H L H L H L H L H

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，所有内部寄存器清零；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，表明转换结束；否则，表明正在进行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

4.2.3 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-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）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

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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单片机管脚图如图4.7所示。

图4.7 AT89C51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。

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·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（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2 寄存器的内容），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，可通过对特殊功能寄存器（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

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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则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馈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接在放大器的反馈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高低、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 则悬空[28]。 4.2.4 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较器，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连线线路如图4.8所示。

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图4.8 AD0809与单片机AT89C51连线线路

4.2.5 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。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。当该部分工作时，整机的工作电流将增加为未报警状态时的电流的数倍，消耗的功率会比较大，因此采用了分时供电的方法，通过单片机控制该部分电源的通断，即质量浓度达到报警时才给其供电；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。采用这2种方法可降低该部分的电路的功耗。设计中，LED发光二极管的工作电流为5-20mA，最大不超过50mA，否则会烧坏器件。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4.9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；当气体质量浓度达到某一定值时，黄灯亮；当高于设定值时，红灯亮并发出警报信号。

[31]

[30]

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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动态显示的基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，好像4位LED同时点亮一样。

图4.10 显示电路

4.3 生成PCB图

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见附录B 4.4 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、结果显示和报警等部分组成，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部分的构造及可实现性。

5 软件部分设计

5.1 主程序流程图设计

如图5.1所示的系统流程图，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。若按键被按下，则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。若为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。若为N，会返回等待按键按下。

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图5.1 系统流程图

5.2 AD0809部分程序流程图设计

如图5.2所示，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，则输入IN0端口为酒精气体模拟信号。C为L，B为L，A为H，则输入IN1端口为一氧化碳气体模拟信号。C为L,B为H，A为L，则输入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

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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。若完成则返回等待按键按下。

图5.2 AD0809部分程序流程图设计

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，可以对连续若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，不可避免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

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附录B PCB图

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参 考 文 献

[1] 孙福生,张丽君,等.环境监测实验.化学工业出版社.2007.

[2] 曲建翘,薛丰松.室内空气质量检验方法指南.中国标准出版社.2002. [3] K. Persuade and G.H. Dodd. Nature(London),299(1982). [4] 蔡宏道.现代环境卫生学.人民卫生出版社.1995.

[5] 吴忠标，赵伟荣.室内空气污染净化技术.北京环境科学与工程出版中心.2005. [6] 王胜娥.甲烷海量的检测以及甲烷传感器的研究.湖南大学出版社.2005. [7] 刘广玉，陈明，吴志鹤等.新型传感器技术及应用.北京航空航天大学.2004. [8] 刘崇进，郑大昉.气体传感器的发展概况和发展方向.计算机测量与控制.1999. [9] 杨宝善.一种特长传感器电路.电子技术应用.2001. [10] 王洪业.传感器技术.湖北科学技术出版社.2002.

[11] 郭振华.半导体气体传感器及其阵列的检测技术研究.中国科学技术大学.2007.

[12] W.F. Wakens et al. An electronic analog for the olfactory process.1964. [13] 马黎君.气体传感器的发展现状及前景研究.中国科技信息.2005. [14] 赵玉琴,周新光,韩松等.可燃气体检测报警器测量结果的不确定度评定.2003.

[15] 杨振江，孙占彪，王曙梅等.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用.西安电子科技大学.2002.

[16] 李朝青.单片机原理与接口技术.北京航空航天大学出版社.2005. [17] 刘君华.智能传感器系统.西安电子科技大学出版社.1999. [18] 何友,王国宏.多传感器信息融合及应用.电子工业出版社.2000. [19] 侯华,叶云.金属工艺学实习教程[M].北京国防工业出版社，2008.

[20] Li Fenglian,Ren Qinglian Application of microcontroller in the Elevator Control System of Intelligence Building[J].1998.49，29,334-451 [21] Duan cheng xian，Huang Huaming. The Application of microcontroller in Modern Community[J].1997，35，175-372.

[22] Les Smiths. ELECTROTECHNOLOGY DEVELOPMENTS FOR THE FOUNDRY SECTOR.61st

37

World Foundry Congress.1995，28，254-165.

[23] K. Kovalevsky，High 0utput Power Reluctance Electric Motors With Bulk HTSE laments[J]．superconductivity and its Applications，v，Apr，2003：386，15，419-423.

[24] Karine Brand，Effect of Electrode Configuration on Electro hydrodynamic Induction Pumping of a Stratified Liquid／Vapor Medium[J]．2002，38(3)：389-400.

[25] Ando，Tsutomu，Induction pump for high—temperature molten metals using rotatingtwisted magnetic field：Thrust measurement experiment with solid conductors[J]，IEEE Transactions on Magnetics，v，n 4 II，2002，38(7)：1789-1796.

[26] 陈长庆，胡明，吴霞宛．气敏传感器的发展，材料导报，2003年1月第17卷第1期：33～35.

[27] 郭振华，陈星，刘锦淮．基于MSP430的CO报警器的设计．工业仪表与自动化置，2006，6：7l～73.

[28] 张伟等．LK-4有害气体检测仪的研制．解放军预防医学杂志，2006年8月第24卷第4期：258～261.

[29] 吴兴惠，王彩君．传感器与信号处理．电子工业出版社，1998.

[30] 张正勇等．半导体氧化物气体传感器测试新原理与方法．传感器技术学报，2000，(6)：106～l 10.

[31] Larry F．Graford．Novel Method of Generation of chlorine dioxide. [Ph. D. Thesis].Miami University, Oxford,1995.

[32］Arietta E M，Roberts P V, Hernandez M．Determination of Chlorite and Chlorate J.AWWA，1984，76(1)：64～71.

[33] Barry Chris well, Kelvin R．O．Halloran． Analyst(London), 1991, 116(6): 657～661.

[34] Andrea M.Dietrich Tracey D．Ladder Daniel L．et al ．Analytical Chemistry,1992,64:496～502.

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致 谢

本人在这次的毕业设计中，要真诚的感谢老师给予我的指导和诚挚的关切。在设计过程中，老师时刻提醒我的设计进度和严格督促我的设计速度，及时地帮我解决我在设计过程中遇到的各种问题和困难。在设计一开始就正确的指导我怎样找到正确的设计思路，使我的进度快、准、稳；在整个毕业设计过程中，当我遇到不懂的问题时，她都耐心的给我指导和讲解，在老师的帮助和指导下，我顺利地完成了本次的毕业设计，也让我在这次毕业设计中受益匪浅。在此，我谨向老师致以深切的谢意！再次感谢老师！

感谢评阅和阅读我的毕业论文的老师为此付出了辛勤劳动！

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