基于单片机的室内环保测试系统设计毕业设计 精品.docx
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基于单片机的室内环保测试系统设计毕业设计精品
学士学位毕业设计（论文）
基于单片机的室内环保测试系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
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指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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摘要
为满足人们对居室环境的要求，本设计采用了一种以MCS51单片机为主控器，以有毒气体浓度等传感器为主要外围元件的室内环保智能测试系统。
该系统是以室内空气中有毒有害气体的检测为背景，是一种通用性很强的智能室内环保检测系统的设计与实现。
它的核心是AT89C51单片机，实现对室内空气中有毒有害气体苯、甲醛、氨气浓度参数的采集处理、存储、显示、报警等功能。
该系统具有显示直观、准确。
使用方便可靠等优点，代表了室内环保测试系统的最新发展趋势。
在系统设计过程中充分考虑了性价比。
选用价格低性能稳定的元器件。
关键词：
单片机室内空气智能测试
ABSTRACT
Inordertosatisfypeople’srequestoftheindoorcircumstance,anindoorcircumstance-protectintelligenttestingsystemwasintroducedinthispaper,whichwascomposedbysuchasvenomousness-gassenorsoon.,MCS-51Singlechiptooktheroleofmaincontroller,mostofperipheralcomponentsweresensorswhichwereusedtomeasuretemperature,humidity,carbondioxide,etc.Thissystemhasmanyadvantages,suchasdisplayintuifiomficly,accurate,stableandeasytouse.It’stherepresentationofthelatestdevelopmenttendencyofgreenhousetestingsystemCost-performancewastakenintoaccountseriouslyduringtheprocessofdesign.Bytesting,theresultwascoherentwiththedesignrequirement.
Keywords:
SCMIndoorairIntelligenttest
前言
随着生活质量的提高,人们对环境质量有越来越高的要求大气中粉尘、
的含量，燃煤烟气、机动车辆尾气排放，酸雨、光化学烟雾、水污染、土壤污染、城市垃圾、核污染等问题，受到高度关注，并投入了较多的研究。
相比之下，对室内环境污染与防治的研究要薄弱得多。
其实，居室、办公室、饭店、影剧院、歌舞厅等建筑物室内环境对人体健康的影响比大气环境的影响更大。
因为，成年人70％～80％的时间是在室内度过，老弱病残者在室内的时间更高，可达90％以上，而室内环境质量常劣于空旷室外。
室内环保测试系统是以室内空气中有毒有害气体的检测为背景，是一种通用性很强的智能室内环保检测系统的设计。
该系统具有显示直观、准确、使用方便可靠等优点，代表了室内环保测试系统的最新发展趋势。
在系统设计过程中充分考虑了性价比。
选用价格低性能稳定的元器件。
本设计主要是以AT89C51单片机作为控制核心，以有毒气体浓度等传感器为主要外围元件的室内环保智能测试系统，实现对室内空气中有毒有害气体苯、甲醛、氨气浓度参数的采集处理、存储、显示、报警等功能。
包括系统硬件设计过程，确定了机型及器件的选择，系统硬件电路设计、硬件设计结构框图并对所使用各种芯片的功能与特性进行详细介绍。
1绪论
1.1最常见的室内污染
中国正式实施的第一部《室内空气质量标准》中专家把室内环境污染按照污染物的性质分为三大类。
第一大类----化学污染：
主要来自装修、家具、玩具、煤气热水器、杀虫
喷剂化妆品、抽烟、厨房的油烟等等；
第二大类----物理污染：
主要来自室外及室内的电器设备产生的噪声、光和建筑装饰材料产生的放射性污染等；
第三大类----生物污染：
主要来自寄生于室内装饰装修材料、生活用品和空调中产生的螨虫及其它细菌等。
这些有害物质相互影响会加重室内污染对人们健康的危害，比如室内空气中的化学性污染会对人们的皮肤黏膜和眼结膜产生刺激和炎症，甚至会麻痹呼吸道纤毛和损害黏膜上皮组织，在这种情况下人体对疾病的抵抗力就会大大减弱，使病原微生物易于侵入并对人们健康造成危害。
所以，人们要注意室内的环境污染，特别是新房和新装修的家庭更要注意。
1.2室内有毒气体的主要来源
1.2.1室内环境中甲醛的来源及危害
1来源
甲醛是一种无色、具有刺激性且易溶于水的气体。
它有凝固蛋白质的作用，其35%～40%的水溶液通称为福尔马林，常作为浸渍标本的溶液。
甲醛为较高毒性的物质，在我国有毒化学品优先控制名单上甲醛高居第二位。
室内环境中的甲醛从其来源来看大致可分为两大类：
1）来自室外空气的污染
工业废气、汽车尾气、光化学烟雾等在一定程度上均可排放或产生一定量的甲醛，但是这一部分含量很少。
据有关报道显示城市空气中甲醛的年平均浓度大约是0.005～0.01mg/
，一般不超过0.03mg/
，这部分气体在一些时候可进入室内，是构成室内甲醛污染的一个来源。
2）来自室内本身的污染
主要以建筑材料、装修物品及生活用品等化工产品在室内的使用为主，同时也包括燃料及烟叶的不完全燃烧等一些次要因素。
甲醛具有较强的粘合性，同时可加强板材的硬度和防虫、防腐能力，因此目前市场上的各种刨花板、中密度纤维板、胶合板中均使用以甲醛为主要成分的脲醛树脂作为粘合剂，因而不可避免的会含有甲醛。
另外新式家具、墙面、地面的装修辅助设备中都要使用粘合剂，因此凡是有用到粘合剂的地方总会有甲醛气体的释放，对室内环境造成危害。
由于由脲醛树脂制成的脲－甲醛泡沫树脂隔热材料有很好的隔热作用，因此常被制成建筑物的围护结构使室内温度不受室外的影响。
此外甲醛还可来自化妆品、清洁剂、杀虫剂、消毒剂、防腐剂、印刷油墨、纸张等。
因此，从总体上说室内环境中甲醛的来源还是很广泛的，一般新装修的房子其甲醛的含量可达到0.40mg/
，个别则有可能达到1.50mg/
。
经研究表明甲醛在室内环境中的含量和房屋的使用时间、温度、湿度及房屋的通风状况有密切的关系。
在一般情况下，房屋的使用时间越长，室内环境中甲醛的残留量越少；温度越高，湿度越大，越有利于甲醛的释放；通风条件越好，建筑、装修材料中甲醛的释放也相应的越快，越有利于室内环境的清洁。
2危害
甲醛具有强烈的致癌和促癌作用。
大量文献记载，甲醛对人体健康的影响主要表现在嗅觉异常、刺激、过敏、肺功能异常、肝功能异常和免疫功能异常等方面。
其浓度在每立方米空气中达到0.06～0.07mg/
时，儿童就会发生轻微气喘。
当室内空气中甲醛含量为0.1mg/
时，就有异味和不适感；达到0.5mg/
时，可刺激眼睛，引起流泪；达到0.6mg/
，可引起咽喉不适或疼痛。
浓度更高时，可引起恶心呕吐，咳嗽胸闷，气喘甚至肺水肿；达到30mg/
时，会立即致人死亡。
长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病，引起鼻咽癌、结肠癌、脑瘤、月经紊乱、细胞核的基因突变，DNA单链内交连和DNA与蛋白质交连及抑制DNA损伤的修复、妊娠综合症、引起新生儿染色体异常、白血病，引起青少年记忆力和智力下降。
在所有接触者中，儿童和孕妇对甲醛尤为敏感，危害也就更大。
世界卫生组织（WHO）工作组曾对甲醛规定了它对嗅觉、眼睛刺激和呼吸道刺激潜在致癌力的阈值，并指出当甲醛的室内环境浓度超标10%时，就应引起足够的重视。
甲醛污染危害严重的场所有新装修的居室、办公室、会议室、宾馆、KTV包房和家具商场、建材商场等。
室内空气中甲醛污染状况：
人们的新居和办公室等场所都要进行室内装饰和购买家俱，由于装修和家具制造要使用大量人造板材（如胶合板、大芯板、中纤板、刨花板、强化地板和复合木地板等），而生产人造板需大量使用毒性高的甲醛为原料制造的胶粘剂，由于胶粘剂中的甲醛释放期很长，一般长达15年，导致甲醛成为室内空气中的主要污染物。
1.2.2室内环境中苯的来源及危害
室内环境中苯的来源主要是燃烧烟草的烟雾、溶剂、油漆、染色剂、图文传真机、电脑终端机和打印机、粘合剂、墙纸、地毯、合成纤维和清洁剂等。
工业上常把苯、甲苯、二甲苯统称为三苯，在这三种物质当中以苯的毒性最大。
一般认为苯毒性的产生是通过代谢产物所致，也就是说苯须先通过代谢才能对生命体产生危害。
苯可以在肝脏和骨髓中进行代谢，而骨髓是红细胞、白细胞和血小板的形成部位，故苯进入体内可在造血组织本身形成具有血液毒性的代谢产物。
长期接触苯可引起骨髓与遗传损害，血象检查可发现白细胞、血小板减少，全血细胞减少与再生障碍性贫血，甚至发生白血病。
曾经有人对低浓度苯接触工人健康状况进行调查，结果表明：
外周血白细胞数虽在正常值范围之内，但非常显著低于对照组；经常性苯接触工人淋巴细胞微核率分布高于非苯接触组，且制苯车间观察人群的淋巴细胞微核率与对照组比较差异有显著性；随作业环境苯浓度的增高，白细胞数有降低趋势，淋巴细胞微核率有增加的趋势。
这些均证明低浓度苯对作业人群的健康有损害，尤其要注意对人体遗传物质的损伤作用。
吸入4000ppm以上的苯短时间除有黏膜及肺刺激性外，中枢神经亦有抑制作用，同时会伴有头痛、欲呕、步态不稳、昏迷、抽痉及心律不整。
吸入14000ppm以上的苯会立即死亡。
1.2.3室内环境氨的来源及危害
在我国北方地区，建造住宅楼、写字楼、宾馆、饭店等的建筑施工中，常人为地在混凝土里添加高碱混凝土膨胀剂和含尿素的混凝土防冻剂等外加剂，以防止混凝土在冬季施工时被冻裂，大大提高了施工进度。
这些含有大量氨类物质的外加剂在墙体中随着湿度、温度等环境因素的变化而还原成氨气从墙体中缓慢释放出来，造成室内空气中氨浓度的大量增加。
同时室内空气中的氨也可来自室内装饰材料，比如家具涂饰时使用添加剂和增白剂大部分都用氨水。
烫发过程中氨水作为一种中和剂而被洗发店和美容院大量使用。
另外随着人们对氟氯昂类物质破坏臭氧层的认识加深，目前世界范围内已开始禁止使用氟氯昂做为制冷剂。
曾一度退出主导制冷剂地位的氨这种已经使用了一个半世纪的制冷剂，又被重新开始利用。
这也是一种潜在的污染源。
按毒理学分类，氨属于低毒类化合物。
氨是无色气体，当环境空气中氨达到一定浓度时，才有强烈的刺激气味。
人对氨的嗅阈值为0.5～1.0mg/
。
氨是一种碱性物质，进入人体后可以吸收组织中的水分，溶解度高，对人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，减弱人体对疾病的抵抗力。
氨进入肺泡后易和血红蛋白结合破坏运氧功能。
短期内吸入大量的氨可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、头晕、恶心等症状，严重者会出现肺水肿或呼吸窘迫综合症，同时发生呼吸道刺激症状。
美国制造化学师协会规定，允许工作人员在低于100ppm的氨浓度下工作8小时。
2设计方案
2.1系统组成及工作原理
本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换、各种信息的显示等；软件主要完成信号的处理及控制功能。
其工作原理是89C51单片机一次查询每个传感器的输出信号。
然后89C51对输入信号进行相应处理后通过显示模块128X64输出，同时还可输出各种报警信号。
2.2系统的主要功能
该系统主要包括:
89C51主控模块、传感器模块、模数转换模块AD574A、128X64显示模块等。
1.89C51主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能。
2.传感器完成信号的采样功能。
3.128X64显示模块完成字符、数字的显示功能。
2.3系统的抗干扰设计
在微机测控系统中，系统抗干扰性能的好坏直接影响到整个系统工作的可靠性与安全性。
因此，抗干扰设计是设计的一个主要内容，本系统采用的是由硬件和软件相结合的抗干扰措施。
2.3.1系统硬件抗干扰设计
1.滤波技术：
①将电源变压器的进线段加入滤波器,以消弱瞬变噪声干扰；②在直流电源线和地线之间接滤波电容,以控制电源噪声。
2.去耦电路：
在印刷电路板的各个集成电路的电源线端与地线端之间配置去耦电容。
3.屏蔽技术：
屏蔽技术主要由电场屏蔽，电磁场屏蔽和磁场屏蔽三类，本系统是电场和电磁场屏蔽的方法。
主要是使用低电阻材料作为屏蔽材料，把需要隔离的部分保卫起来。
磁场屏蔽则应采用高导磁率的材料。
4.光电隔离：
在I/O通道上采用光电隔离器，将单片机系统与各种传感器、开关从电器上隔离开来,很大一部分干扰可被阻挡。
2.3.2系统软件抗干扰设计
对于微机测控系统，仅仅考虑硬件的抗干扰是远远不够的,采取一定的软件抗干扰措施非常必要，它不仅能降低系统的硬件成本，又可以充分发挥软件的优势，使系统具有自我诊断,自我回复的能力。
本系统采用的软件抗干扰措施主要有以下几种：
1.数字滤波技术,采用数字滤波技术除去输入信号中所参杂的各种随机干扰。
2.软件陷阱技术，当系统受到干扰，PC值发生变化，程序“乱飞”等情况，可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态。
具体的讲,了以在RAM中埋一些标志，在每次程序复位时，通过这些标志，可以判断复位原因并根据不同的标志直接跳到相应的程序。
这样可以使程序运行有连续性，用户在使用时也不易察觉到程序被重新复位过。
3硬件设计
3.1主控模块
3.1.1单片机的选择
单片机的选择原则：
1.单片机的基本参数
2.抗干扰性能好
3.性价比高
4.和其他外设芯片放在一起的综合考虑
根据上述原则，本系统主控芯片采用AT89C51。
3.1.2AT89C51芯片介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
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，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1.主要特性：
1）与MCS-51兼容
2）4K字节可编程闪烁存储器
3）寿命：
1000写/擦循环,数据保留时间：
10年
4）全静态工作：
0Hz～24Hz
5）三级程序存储器锁定
6）128×8位内部RAM
7）32可编程I/O线
8）两个16位定时器/计数器
9）5个中断源
10）可编程串行通道
11）低功耗的闲置和掉电模式
12）片内振荡器和时钟电路
2.管脚说明
图1AT89C51引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/
：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
/VPP：
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，
将内部锁定为RESET；当
端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.2传感器
3.2.1传感器的选型
传感器元件是准确检测甲醛、苯、氨气气体浓度的关键。
定电位电解式传感器是一种湿式电化学气体传感器,它的结构：
在一个塑料制成的筒状池体内，安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。
前置放大器与传感器的电极连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。
气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。
3.2.2传感器的工作原理
定电位电解式传感器通过测定气体在某个确定电位电解时所产生的电流来测量气体浓度。
传感器共有三个电极（活性电极、参考电极、计数电极）,浸在液体电解液中,整体密封在一个防化学腐蚀的塑料壳体中,目标气体通过活性电极邻近的一个气体可渗透薄膜向传感器内部扩散。
传感器的工作过程为:
被测气体由进气孔扩散到工作电极表面,在工作电极、电解液、对电极之间进行氧化或还原反应。
其反应的性质依据工作电极的热力学电位和被分析气体的电化学性质而定。
传感器在氧化反应中,电化学反应中参加反应的电子流出工作电极;在还原反应中,电化学反应中参加反应的电子流向工作电极。
流出和流向工作电极的电流与被分析气体的浓度值成正比。
活性电极材料的选择原则是:
该材料应对目标气体具有最优敏感性,而交叉敏感度则应降至最低。
在活性电极和计数电极之间的电压要预先调整好,并由一个外部电压电路保持,其中参考电极作为电路的反馈控制。
相对于选择性而言,由于每一种目标气体都有其各自独特的电解电压,因而传感器的响应可以得到进一步优化。
传感器的输出是一个正比于气体浓度的线性电压差。
最后与前置放大器匹配使用转换为4mA～20mA的标准电流信号。
3.2.3传感器的基本性能
传感器的基本性能指的是传感器的基本考核指标,它反映传感器的质量和性能,但其大多数性能指标要与前置放大器经过较好的匹配才能体现出来。
其指标主要有:
输出信号、电极电位、响应时间、响应线形度、测量重复性、抗干扰性、传感器期待寿命。
可将上述特性指标分为静态和动态两大类。
静态特性是指传感器在被测量的各个值处于稳定状态时,输出量和输入量之间的关系,包括温度漂移、线性相关度、零点漂移、数据重现性、准确性、选择性等。
动态特性是传感器对时间变化的输入量的响应特性、通常指响应时间。
为了减小定电位电解传感器存在的交叉反应,提高抗干扰能力,可以采用主动和被动的方法。
1.主动方法
1）合理的电极电位可以使其减小到最低程度;
2）利用传感器矩阵;
3）用计算机软件。
2.被动方法
在传感器上安装过滤膜,或针对不同的传感器设计不同的过滤器。
3.3I/V转换电路
传感器输出的是标准的4mA～20mA的信号为了满足后需电路的需要采用运算放大器组成I/V转换电路。
采用RCV420集成芯片同时有效地抑制了输入信号间的共膜干扰和串模干扰。
RCV420精密I/V转换器能将4mA～20mA的环路电流转换成0～5V的电压输出，作为一种单片集成电路具有可靠的性能和很低的成本，除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电压源。
在不需要外部调整的情况下，可以获得86dB的共模抑制比和40V的共模电压输入。
在全量程范围内输入抗组仅有1.5V的压降，对于环路电流具有很好的转换能力。
当4～20mA电流输入对应0～5V电压输出时，要求电路的传输阻抗为：
VOUT/IIN=5V/16mA=0.3125V/mA
为了得到期望的输出（4mA时0V，20mA时5V），放大器的输出必须有一个偏置:
VOS=－4mA×（0.3125V/mA）=－1.25V
图2是RCV420与后继放大电路的原理图。
图2RCV420与后继放大电路
3.4多路转换电路
采用集成的CD4051芯片实现多选一的功能,即实现CPU对室内空气中有害气体甲醛、苯、氨的检测值进行分时采集数据。
4051是典型的八选一CMOS多路开关，他们用幅度为0～+VDD的数字信号控制幅度为+VDD～-VEE的正负极性的模拟信号。
4051的静态功耗最大为100
，最大静态电流为10
，开关延迟时间为720ns。
CD4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的3位地址码ABC来决定。
其真值表见表1。
“INH”是禁止端,当“INH”=1时,各通道均不接
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