室内有害气体监测系统设计学士学位论文.docx
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室内有害气体监测系统设计学士学位论文
分类号：
TB21UDC：
D10621-408-（2012）0719-0
密级：
公开编号：
2008023018
成都信息工程学院
学位论文
室内有害气体监测系统设计
论文作者姓名：
申请学位专业：
生物医学工程
申请学位类别：
工学学士
指导教师姓名（职称）：
论文提交日期：
2012年06月01日
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
签名：
日期：
2012年6月09日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权成都信息工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
签名：
日期：
2012年6月09日
室内有害气体监测系统设计
摘要
目前，居室内空气质量问题主要来自两个方面：
一方面是由于房屋装修、玩具、杀虫喷雾剂等带来的有害气体，如甲醛、挥发性有机物（VOCs：
包含苯系物）等致癌物质；另一方面，是人们日常生活中由于粗心或设备故障引起的诸如水煤气、天然气、液化石油气之类的有害气体泄露，给人体带来危害。
本课题依据实际需要，设计了一种集这两方面有害气体浓度监测为一体的便携式监测报警仪，及时、准确、有效地对生活坏境中这两方面的有害气体进行检测并报警，提醒人们在气体浓度超标时及时采取措施，以有效地保护人体健康和财产损失。
本文首先分析了室内空气中甲醛、甲苯等挥发性有机物的来源及其对人体身体健康的影响，指出家庭燃气泄漏等安全隐患；然后根据51单片机系统的特点和应用方法，对有害气体监测系统的总体设计方案作了详细的论述；之后分析了各种气体传感器工作原理和性能指标；最后，重点描述了本系统的软、硬件设计原理及方案。
在室内有害气体监测系统设计中，选用ATMEL公司的8位STC89C51微处理器芯片作为核心，采用了Keil操作系统作为软件开发平台，开发了基于Keil操作系统的程序。
通过安装调试，实现了对室内甲醛、甲苯、水煤气、天然气、液化石油气浓度的监测、显示以及超限及时报警等功能,达到预期设计效果。
关键词：
传感器；有害气体；实时监测；STC89C51
Researchanddesignofthesystemforindoor
harmfulgasemonitoring
Abstract
Atpresent,theindoorairqualityproblemsaremainlyfromtwoaspects:
Theonehand,gasesfromhousedecoration,toys,insecticidesprays,suchasformaldehyde,volatileorganiccompounds（VOCs:
containsBTEX）andothercarcinogenicsubstances;Ontheotherhand,isduetocarelessnessorequipmentfailurecausedinthepeople'sdailylifesuchaswatergas,naturalgas,liquefiedpetroleumgasandthelikeofhazardousgasleak,doharmtothehumanbody.Thisprojectbasedonactualneeds,designasetofthesetwoaspectsoftheconcentrationofharmfulgasesmonitoringasoneoftheportablemonitoringsystemwithalarm,Timely,accuratlyandeffectivlydetecttheharmfulgasesinthesetwoareasofthelivingenvironmentandgiveanalarmtoremindpeopletomakesomemeasuresinthegasconcentrationexceededplaces,notonlyeffectivelyprotectpeople'shealthandproperty.
Thispaperfirstanalyzesthesourcesofindoorairformaldehyde,tolueneandothervolatileorganiccompoundsandtheirimpactonhumanhealthandthesafetyhazardsthathouseholdgasleakcaused;thenthecharacteristicsof51single-chipsystem,theoveralldesignmethodology,aswellasharmfulgasmonitoringsystemdesignisdiscussedindetail;thenintroducethegassensorworkingprincipleandthechoiceofgassensorperformanceindicators;atlasthighlightthesystemhardwareandsoftwaredesignprinciplesandprograms.
Intheindoorharmfulgasmonitoringsystem,Ichoose8ATMELCorporationSTC89C51microprocessorchipasthecore,andusetheKeiloperatingsystemasasoftwaredevelopmentplatform,developmentofproceduresbasedonKeiloperatingsystemthroughinstallationandcommissioning,achievinggasesconcentrationmonitoring,display,andalarmintimeandotherfunctions.Aftersomeadjustments，I
achevedexpectedresults.
Keywords:
sensor;indoorharmfulgas;monitoring;STC89C51
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：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
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。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
1引言
课题研究背景和意义
随着人们对环境及健康问题的日益重视，对室内空气中有害气体监测的种类也越来越多，其中，人们日常生活中主要关心的气体污染问题主要存在于以下两个方面。
一方面，甲醛和苯都是确认的致癌物，可造成哮喘、心脑血管病、糖尿病、再生障碍性贫血、白血病、胎儿畸形、儿童智力大大降低以及“亚健康”状态等多种急慢性症状。
尤其到了夏季，30℃或以上时，装修材料、家具等释放出的有毒气体增多，室内污染相对较重，由此而造成的心脑血管疾病激增，突发症状以中风、常见的半身不遂、口眼歪斜为多。
中国室内装饰协会室内环境监测工作委员会于2004年在北京地区千户新装修家庭中进行的抽检结果显示甲醛超标的占60%。
从其他地区青岛、南京、银川、重庆、深圳、乌鲁木齐等地有关部门的检测数据看，新装修家庭中的甲醛不合格比率都在60%以上，深圳市计量质量检测研究院2004年1至7月份，共对全市400多套房子进行了室内环境检测，90%甲醛超标。
室内空气污染已被世界银行列为全球四个最关键的环境问题之一，全球每年因此而导致死亡的人数达280万人。
根据中华人民共和国国家标准《居室空气中甲醛的卫生标准》规定：
居室空气中甲醛的最高允许浓度为0.08mg/m3（=60ppb），WHO提出的甲醛气体浓度室内环境指导限值为0.1mg/m3（=74ppb）[1]。
在我国，每年由于煤气（主要是CO）中毒和天然气（又称甲烷，CH）中毒的案例并不鲜见。
煤气中毒即一氧化碳中毒。
一氧化碳是一种无色无味的气体，不易察觉。
血液中血红蛋白与一氧化碳的结合能力比与氧的结合能力要强２００多倍，而且，血红蛋白与氧的分离速度却很慢。
所以，人一旦吸入一氧化碳，氧便失去了与血红蛋白结合的机会，使组织细胞无法从血液中获得足够的氧气，致使呼吸困难。
煤气中毒多见于冬天用煤炉取暖、门窗紧闭、排烟不良、液化灶具漏泄或煤气管道漏泄等。
煤气中毒时病人最初感觉为头痛、头昏、恶心、呕吐、软弱无力，大部分病人迅速发生抽筋、昏迷，两颊、前胸皮肤及口唇呈樱桃红色，如救治不及时，可很快因呼吸抑制而死亡。
所以，如果能够及时测试到这些气体的浓度超过正常状态，并报警提醒人们做出一定措施，那么很多家庭灾难是可以避免的。
我国现有的一氧化碳报警器，一般将100ppm-200ppm作为报警浓度。
因为这种浓度的一氧化碳在短时间内尚不会对健康人产生明显的影响。
因此，有必要设计一种针对甲醛、甲苯、水煤气、天然气、液化石油气这些人们日常生活中经常遇到的致癌物质和常见燃气的浓度进行实时监测，为人们拥有一个健康、安全的日常生活环境提供保障[2]。
国内外应用与研究现状
在测试甲醛、甲苯等害气体方面，国外比较出名的有：
美国interscan公司生产的4160.2型甲醛分析仪、美国ESC公司生产的Z.300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-40甲醛检测仪；国内的有：
江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪XP.300、长春吉大小天鹅有限公司生产的全自动室内空气甲醛、氨测定仪等。
这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研究机构。
准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵（如英国PPM公司生产的PPM40甲醛仪约两万多元），测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定（如英国PPM公司生产的PPM400甲醛仪），需要专业人员进行操作，很难连续测定。
在检测可燃气体泄露方面，国外引进产品如法国奥德姆便携可燃气体检测仪、美国ISC可燃性气体检测仪、日本新宇宙便携可燃气体检测仪；国内的产品主要有北京燕山时代仪表有限公司生产的KS.3型遥控数字显示可燃性气体变送器、沈阳市爱尔普仪器有限公司GP.09C便携式可燃气体检测仪。
目前国内外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用，操作方面国外的产品操作界面方便，功能更加完备[3]。
本课题研究的意义
本设计利用STC89C51单片机作为监测器的控制中心即CPU,用户它来控制相关的传感器。
如甲醛传感器、烟雾传感器、液晶显示器等。
以此来检测室内的环境。
达到实时检测室内的有毒气体的目的。
使用者可以对监测系统进行相关的设置，选择监控有毒气体的种类。
一旦某项指标超过所限定的临界值，这个系统可以自动的提醒家人进行相关的调节动作。
例如，当有毒气体增多了，提示家人开窗通风并迅速关闭气体来源等。
这样，系统在家人还没有发现危险到来之前就能够进行相关的提示操作，避免一定的危险事故的发生，从而达到监测报警实现未卜先知的目的。
本文的主要任务及结构
本论文所完成的任务是对室内有害气体的监测方法的研究和设计，根据单片机的工作原理，利用各个传感器的特性，设计相关的电路，用单片机来采集相关的各个变量，在液晶屏上实时的显示各种状态，并且通过按键进行相关的设置，超过设置界限时，进行声光报警。
得到最优结果，本论文在总体结构上共分为5章。
第一章引言，本章介绍了室内有害气体监测系统的基础知识及其发展。
第二章总体系统设计，本章介绍了本设计的设计原理和设计方案。
第三章元件选型与电路设计，本章主要介绍了本设计需要的元件以及其原理电路以及硬件设计过程。
第四章软件工作流程及软件编写，本章主要介绍了本设计软件工作的流程以及编写的软件。
第五章总体系统调试，主要介绍了对系统总体调试的方法与结果。
第六章总结，对全文进行总结。
2总体系统方案设计
设计方案
本设计采用STC89C52单片机作为控制核心，直接利用甲醛传感器采集室内甲醛浓度，利用一氧化碳传感器采集室内一氧化碳浓度，利用烟雾传感器来监测烟雾的危害程序，经过处理后直接传给单片机，单片机综合分析以后，送到数码管上显示，并且通过独立键盘来设置，真题电路设计简单，具体模块框图如下：
图2-1模块框图
设计原理
本设计的原理是根据51单片机的工作原理，利用各个传感器的特性，设计相关的电路，用单片机来采集相关的各个变量，结合时钟芯片在液晶屏上实时的显示各种状态，并且通过按键进行相关的设置，超过设置界限时，进行声光报警。
3元件选型与电路设计
单片机系统
3.1.1STC89C51型单片机简介
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
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89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。
89C51单片机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。
89C51总控制电路如下：
图3-189C51总控制电路
3.1.2STC89C51引脚功能介绍
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL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低八位。
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：
表3-151单片机P3口功能
口管脚
备选功能
P3.0
RXD串行输出口
P3.1
TXD串行输入口
P3.2
/INT0外部中断0
P3.3
/INT1外部中断1
P3.4
T0计时器0外部输入
P3.5
T1计时器1外部输入
P3.6
WR外部数据存储器写选通
P3.7
RD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/PROG：
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。
/PSEN：
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/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA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，/EA将内部锁定为RESET；当/EA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。
STC89C51主要功能如下所示：
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
全静态工作：
0Hz-24MHz
三级程序存储器锁定
128*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路[2]
3.1.3系统的引脚接线
根据其系统工作原理设计出如图所示的引脚接线：
图3-2系统的引脚接线
为了能够实现使用按键进行设置监测气体的种类，我使用了4个按键，其中三个是选择气体传感器，还有一个为复位按键。
具体电路如下：
图3-34个按键
根据51单片机的特点，我采用11.0592M晶振给单片机提供时钟信号，两个各加一30pf的电容来稳定型号，由于51单片机是采用低电平复位，我又在其旁边加了一个按键，便于手动复位，电路连接如图：
图3-4手动复位
由于担心声光报警时间过长，我在INT1及INT2接口处各加上两个按键作为外部中断以停止声音报警及闪光报警。
电路图如下：
图3-5中断按键
显示电路
3.2.1LED数码管
本设计采用4段/位LED数码管（能够显示4个8），LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。
位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类。
它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。
颜色有红，绿，蓝，黄等几种。
LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。
选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。
下面LED数码管内部引脚定义
图3-6引脚定义
每一笔划都是对应一个字母表示DP是小数点.[4]
3.2.2设计电路
根据LED数码管原理设计出如图所示的引脚接线电路如图：
图3-7引脚接线电路
由于51单片机P0口内部无上拉电阻，所以我在P0口外加了1k的上拉排阻。
总电路图如下：
图3-8总电路图
因为本设计使用的模块较多，绘制PCB板时使用了铺地的接地方法，铺地的优点在于散热迅速，稳定性好，对模块及器件有保护作用。
总PCB图如下：
图3-9总PCB图
电源模块及声光报警模块
3.3.1蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
本设计采用压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
图3-10蜂鸣器外形图
3.2.2设计电路
根据蜂鸣器的和LED二极管的特性，制作出的电路图如下：
图3-11声光报警及电源模块电路图
由于在总板上电源和接地接口过少，不能满足传感器等的需求，于是我在模块里加入了两排8脚排针。
总电路PCB图如下：
图3-12声光报警及电源模块总PCB图
MQ-2一氧化碳传感器模块
3.4.1MQ-2烟雾传感器
MQ-2气体传感器所
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