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安徽三联学院信息与通信技术系学年论文

安徽三联学院信息与通信技术系学年论文


安徽三联学院 学年论文
室内有害气体监测系统设计
Indoor harmful gas monitoring system design

专 姓 学

业:电子科学与技术 名:刘 振 号:1002268

指导老师:杨 静

2013 年 1 月 6 日 信息与通信技术系

摘要

安徽三联学院学年论文
随着环境污染形势越来越严峻,对经济的发展和个人健康有着严重的威胁, 其中空气污染占很大比例。空气污染是指大气污染,室内空气污染等。其原因是 由于空气中有害气体的含量超过最小容许浓度所致。有害气体泛指对人体健康或 生命安全构成威胁的各种气体,比如能使人中毒的有毒气体、无毒但会使人窒息 的气体、 可引发爆炸或易燃的气体以及那些破坏生态、 危及人类生存环境的气体, 如温室气体等。本设计主要包括红外线气体传感器、单片机 AT89C52 等器件,硬 件电路包括有害气体监测电路、 报警电路和 A/D 转换电路等辅助电路, 软件设计 主要包括数码管显示电路、信号处理程序、报警程序等模块。 With more and more severe environmental pollution situation, the economic development and personal health has a serious threat, which make up a large proportion of air pollution. Air pollution is refers to the atmospheric pollution, indoor air pollution and so on. The reason for this is due to the air harmful gas content more than the minimum allowable concentration caused by. Harmful gas refers to human health or life safety threat all kinds of gas, such as can make the person poisoned poisonous gas, non-toxic but suffocating gas, can cause explosion or flammable gas and the damage to the ecosystem, endanger human survival environment of the gas, such as greenhouse gas, etc. This design mainly includes infrared gas sensor, microcontroller AT89C52 devices such as, hardware circuit including harmful gas monitoring circuit, alarm circuit and A/D conversion circuit and other auxiliary circuit, software design includes digital tube display circuit, signal processing program, alarm module, such as program.

关键词:AT89C52 单片机:传感器;有害气体;监测

目录

第一章 前言…………………………………………………………………………………… 第二章 课题背景及目的……………………………………………………………………
1.1 论文构成及研究内容…………………………………………………………………… 1.2 室内有害气体监测系统的原理框图……………………………………………………
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第三章 核心器件的选择………………………………………………………………………
2.1 单片机的选择…………………………………………………………………………… 2.1.1 AT89C52 简介…………………………………………………………………… 2.1.2 AT89C52 引脚功能……………………………………………………………… 2.2 气体传感器的选择……………………………………………………………………… 2.2.1 红外线气体传感器简介………………………………………………………… 2.2.2 红外线气体传感的性能特点……………………………………………………

第三章

硬件设计电路………………………………………………………………………

3.1 主控制流程……………………………………………………………………………… 3.2 浓度显示子程序流程图及设计………………………………………………………… 3.3 报警电路…………………………………………………………………………………

第四章

软件设计……………………………………………………………………………

4.1 概述……………………………………………………………………………………… 4.2 有害气体监测流程及程序实现………………………………………………………… 4.3 报警模块流程……………………………………………………………………………

第五章 结论………………………………………………………………………………… 参考文献………………………………………………………………………………………… 致谢…………………………………………………………………………………………………

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第一章 前言
1.1 课题背景及目的 当前我国环境保护的形势越来越严峻,环境污染和生态破坏己经在一定程度上严重制约 了经济的发展并日益威胁副现代人的健康安全,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。 有害气体对人们的身体伤害非常严 重,有害气体泛指对人体健康或生命安全构成威胁的各种气体,为了准确有效地对排放的有 害气体进行连续自动的检测,并用计算机进行多点的在线监测,让企业和环保部门能对有害 气体排放进行实时的监测和控制,使其达到国家排放标准,需要相关的检测装置。 1.2 论文构成及研究内容 系统的设计目的是为了实现对有害气体浓度的在线检测,通过测定有害气体对红外光的 吸收度来计算被测气体浓度的实时分析仪器。 整个系统按功能划分为: (1)单色红外光发射系 统;(2)数据采集系统;(3)单片机控制系统三大部分。单色光发射系统包括中红外发光二极 管阵列及其驱动电路。数据采集系统包括红外探测器及其偏置电路、信号放大电路及模/数 转换电路。单片机控制电路包括逻辑控制电路及显示、报警电路等。本文所设计的有害气体 检测系统是以光的红外吸收原理为理论基础,单色光源所采用的中红外发光二极管是一种非 常适合进行气体分析检测的红外光源,保证了在中红外区既能获得很好的单色性又能得到较 大的发射功率。 1.3 室内有害气体监测系统的原理框图

图 1 是系统的整体框图。整个系统尽管按照功能划分为几个模块,但在外部时钟及单片 机控制下步调统一地工作,实现了有害气体的实时测量。

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第二章 核心器件的选择
2.1 单片机的选择 由于本系统是以单片机为核心的自动化检测仪器, 对于小规模的信号检测, 其数据处理 任务并不十分繁重,所以这里选用了 ATMEL 公司的 AT89C52,相对于 89C51,AT89C52 有更 丰富的片内资源。例如有 8 k 字节的片内 EEP-ROM,以及 256 字节的片内 RAM,对于本系统 的控制程序来说,已经足够,因此可以省去片外程序存储器和片外 RAM,降低了成本和简化 了控制电路。AT89C52 有 3 个 16 位的时钟(计数器),而且 32 个 I/O 线全部可编程,时钟 可高达 24 M,和 89C51 相比,它的使用更加灵活。 2.1.1 AT89C52 简介

AT89C52 为 8 位通用微处理器,采用工业标准的 C51 内核,在内部功能及管脚排布 上与通用的 8xc52 相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试 图控制,红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。 2.1.2 AT89C52 引脚功能

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图 1 AT89C52 引脚

图 1 中主要管脚有:XTAL1(19 脚)和 XTAL2(18 脚)为振荡器输入输出端 口,外接 12MHz 晶振。RST/Vpd(9 脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复 位电路。VCC(40 脚)和 VSS(20 脚)为供电端口,分别接+5V 电源的正负端。P0~P3 为可编程通用 I/O 脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0 端口(32~39 脚) 被定义为 N1 功能控制端口,分别与 N1 的相应功能管脚相连接,13 脚定义为 IR 输 入端, 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口, 10 分别连接 N1 的 SDAS (18 脚) SCLS 和 (19 脚)端口,12 脚、27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口,连接主板 CPU 的 相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

2.2 气体传感器的选择

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。 探测头 通过气体传感器对气体样品进行调理, 通常包括滤除杂质和干扰气体、 干燥或制 冷处理仪表显示部分。在这里我们选择的是红外线气体传感器。
2.2.1 红外线气体传感器简介

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现在很多用户认为,气体传感器的定义是以检测目标为分类基础的,也就 是说,凡是用于检测气体成份和浓度的传感器都称作气体传感器,不管它是用 物理方法,还是用化学方法。比如,检测气体流量的传感器不被看作气体传感 器,但是红外线气体分析仪与热导式气体分析仪却属于重要的气体传感器,尽 管它们有时使用大体一致的检测原理。本文主要为大家介绍的是红外线气体传 感器的特点及应用。
2.2.2 红外线气体传感的性能特点

大部分的气体在中红外区都有特征吸收峰, 检测特征吸收峰位置的吸收情 况,就可以确定某气体的浓度。红外线气体传感器过去都是大型的分析仪器, 但是近些年,随着以 MEMS 技术为基础的红外线气体传感器工业的发展,红外线 气体传感器的体积已经由 10 升,45 公斤的巨无霸,减小到 2 毫升(拇指大小) 左右。使用无需调制光源的红外探测器使得仪器完全没有机械运动部件,完全 实现免维护化。红外线气体传感器可以有效地分辨气体的种类,准确测定气体 浓度。 第三章 硬件设计电路
3.1 主控制流程

由装在室内的红外气体传感器获得被测量对象的原始信号,经过温度补偿和取样放大得 到矫正后的可匹配信号,采样保持后进入 A/D 转换,得到被测对象的数字量信号,再由单片 机进行数据处理,得到最终的室内有害气体的浓度值,将此数据通过数码管显示并保存到数 据缓冲区中,同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标。 主程序流程图如图 2 所示。

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图 2 主程序流程图

3.2 浓度显示子程序流程图及设计

移位寄存器 74LS164 仅有串入并出作用没有译码功能。因此, 在编写显示驱动程序之前, 首先需要计算列写出与本电路对应的 LED 段选码,然后由 80C52 的 P3.0 口送入 74LS164 的 串行输入端,再并行输出到 LED 的段选端。图 3 为浓度显示子程序流程图。

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图 3 浓度显示子程序流程图

3.3 报警电路

该报警器由检测电路、电压比较器、稳压电路、整流电路和报警电路等组成。 检测电路主要是由 Rc、 C、D、 R3、 等组成的惠斯登电桥,其中 D 外观呈黑褐色, R4 称为黑元件,C 外观呈白色,称为白元件,且二者一般成对使用,常称为黑白元 件,通常装在防爆气室中,通过隔爆罩与大气接触。电压比较器由 R5、R6、C1 和运放 IC1 等组成。稳压电路主要由集成稳压器 7806(IC3)、IC2、C7 等组成。报 警电路由扬声器 Y、发光二极管 LED1 组成,工作时二者能同步地发出间断的声光 报警信号。 当有气体泄漏时, 表面发生化学反应, D 阻值增加, 点电位上升, D 使 A 当 VA 升到高于 B 点电位 VB 时,IC1 输出高电平,相应 BG1 管导通,驱动报警电路 发出声光报警信号。当没有气体泄漏时,相应 A 点电位低于 B 点电位,IC1 输出
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低电平,BG1 管截止,报警电路不工作。 电路中 C、D 选用 LXK-1 型催化剂,Y 选用 Φ 35mm 蜂鸣器。当电路安装完后, 在无 C、D 时测得 IC3 输出电压为 6V,初调电位器 W2,使 IC2 输出 3V,接上 C、D 后重调 W2,使 C、D 的工作电压为 3±0.1V。调电位器 W1 使 VA 比 VB 低 5~10mV, 此时对于灵敏度不低于 25mV/1%CH4 的 LXK-1 型气敏器件,其报警起限不大于 0.2%~0.4%CH4。调节电位器 W3,可改变报警声节奏。

图 4 为报警电路图

第四章 软件设计
4.1 概述

软件设计主要包括数码管显示电路、数字新的处理、报警程序等。数字信号 的处理实质上是数字信号的变换,可计数的信号可直接用数字信号表示,人们感 官感觉到的信号都是模拟信号,这些信号在处理之前都必须转换为数字信号,由
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于数字信号不能在模拟世界中存在,所以最后还要转换成模拟信号。将处理后的 信号反馈到外部输入控制设备和输出执行机构 故障的自动检测与报警 ,是系统设计的重要环节。
4.2 有害气体监测流程及程序实现

监测流程为:由装在室内的红外气体传感器获得被测量对象的原始信号, 经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号,采样保持后进入 A/D 转 换,得到被测对象的数字量信号,再由单片机进行数据处理,得到最终的室内 有害气体的浓度值,将此数据通过数码管显示并保存到数据缓冲区中,同时根 据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标。
4.3 报警模块流程

当室内有害气体浓度超过报警设定值时, 报警器会发出鸣叫声, 为防止误报, 在程序设计上,对气体浓度进行快速重复检测和延时报警。图 5 为报警子程序流 程图。

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图 5 为报警子程序流程图

第五章 结论 在科技、经济的快速发展下,大量的开发新技术、新设备、设施,导致环境 受到了较为严重的破坏,室内污染更为严重,尤其是人们为了美观,在室内使用 了大量的化学物质,使得室内环境遭到破坏。所以气体监测措施就应运而生,气 体监测在环境保护和工业应用方面都有重要价值。由于红外区的特点,用红外吸 收法在这个波段探测气体是一种可行的、优点明显的测量方法,与传统的湿化学 法相比,它具有反应时间短、操作简单、精度高等特点。本文着重阐述了应用红 外吸收法设计一种新型便捷的气体检测仪的总体思路,并详细介绍了系统的整体 结构及工作原理。

参考文献
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致谢

本研究及学年论文是在我的指导老师杨静的亲切关怀和悉心指导下完成的。 她严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励 着我。从课题的选择到项目的最终完成,杨老师都始终给予我细心的指导和不懈

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的支持。杨老师不仅在学业上给我以精心指导,同时还在思想、生活上给我以无 微不至的关怀,在此谨向杨老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此,我还要感谢在一起愉快的度过三年的室友及同学,正是由于你们的帮助和 支持,我才能克服一个一个的困难和疑惑,直至本文的顺利完成。

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