学士毕业论文室内有害气体监测系统的设计Word下载.docx
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单片机；
实时监测；
AT89C52
Abstract
Withtherapiddevelopmentofeconomyandimprovementofpeople'
slivingstandard,awarenessofenvironmentalissuesandhealthproblemsincreasingemphasisonindoorairqualityconditionshavebeenpaidmoreattention.
Thisthesisdesignofapaperforpublicplacesandindoortestingandover-limitalarmfunctionswithindoorairqualitytestingsystem.Systemastheresearchobject,mainlyonthesemiconductorgassensorwiththemicrocontrollerasthecoreconsistsofadataacquisition,objectcontrol,theresultsshowthecompletesystem,datacommunication,etc,rightindoorharmfulgasdetectionhasverygoodreferenceeffect.Indoorharmfulgasdetectiondevice'
smainfunctionistoquicklyandaccuratelydetectingthecontentofharmfulgasinthegasbeingmeasured（mainlyCOgas）,throughtheLEDdisplayscreencandisplaytheCOgasconcentrationwhenthegasconcentrationreachesacertainthresholdsendoutsoundandlightalarm.
DuetothecharacteristicsandapplicationmethodofAT89C52microcontroller,thisdesignselectsAT89C52single-chipmicrocomputerasthecontrolcenterofmonitorCPU,useruseittocontroltherelevantsensors.Suchasformaldehydesensor,smokesensor,LCDmonitor,inordertodetecttheindoorenvironment,andtoachievethepurposeofreal-timedetectionofindoortoxicgases.Thearticlemainlydescribesthewholeprocessoftoxicgasdetectionsystembasedonsinglechipdesign,mainlydescribesthesystemhardwareandsoftwaredesignprincipleandproject.
【Keywords】indoorharmfulgas；
sensor;
microcontroller;
monitoring;
AT89C52
第1章绪论
1.1课题研究背景和意义
随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视,人们也更多的使用液化气、天然气等燃料作为家庭使用燃料，这种气体的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险,其中一氧化碳是最主要的危险源。
一氧化碳是一种无色无味同时这些气体燃料在使用中，若管道和阀门密封不好，它们泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。
由于这些原因，对于气体的检测与控制就变得很重要了，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。
1.2国内外应用与研究现状
气体传感器测定有害气体成为近年来室内检测研究的新热点。
早在很多年以前，国外就有检测有害气体成分的装置。
在测试甲醛、甲苯、一氧化碳等害气体方面，美国interscan公司生产的4160.2型甲醛分析仪和美国ESC公司生产的Z.300甲醛检测仪已经投入使用，并取得了很好的效果。
英国的PPM公司也已经生产了PPM-40甲醛检测仪[1]。
从检测易燃气体泄漏,如法国奥德姆便携式可燃气体探测器,ISC日本新宇宙便携式可燃气体检测仪;
国内产品主要包括北京燕山时代仪器生产的KS类型3远程控制、数字显示的可燃气体传感器,沈阳通用仪表GP.09c便携式可燃气体探测器。
产品设计在国内外的差异主要集中在选择监测传感器和单片机控制方面,操作方面国外的产品操作界面方便，功能更加完备。
1.3本课题研究的意义和主要内容
由于目前建筑材料质量参差不齐，以及各种家用电器的使用，室内的空气状况已大不如前，使得一些室内热病高发，如SBS（SickBuildingSyndrom）建筑物综合症、BRI（BuildingRolatedIlliness）建筑物关联症和MCS（MultipleChemicalSensitivity）化学物资过敏症等[2-4]。
随着人们对IndoorAirQuality（IAQ）室内空气品质认识程度的加深，以及健康保健知识的发展，人们不仅希望知道是什么污染物在作怪，更希望知道污染的浓度水平如何?
这种浓度会对健康造成什么短期和长期危害?
对存在的污染应该如何控制治理?
在这种情况下，设计开发一套空气质量监测装置是非常具有现实意义的。
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防患于未然目的。
第2章
总体系统方案设计及器件选择
2.1设计方案
本论文主要完成室内有害气体检测装置的设计的全过程，重点描述了本系统的软、硬件设计原理及方案。
采用AT89C52单片机作为控制核心，进行数据采集保证了前台数据的及时、准确，有利于进行全方位的评价。
经过处理后直接传给单片机，由单片机进行综合分析以后，用LED显示屏显示数据。
由于传感器输出的信号是相当小的电压或电流信号，因此不能直接转换为数字信号。
需要在进行A/D信号转换之前，通过放大滤波对信号进行处理。
由于考虑到单片机的使用性和兼容性，该次设计采用了ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为该设计控制单元的核心组件。
图2-1系统结构框图
2.2设计原理
本设计研究的室内有害气体检测装置是以一款超低功耗AT89C52单片机为控制核心，用户用它来控制相关的传感器。
通过气体传感阵列中的两种传感器输出一个与一氧化碳、烟雾浓度相对应的电流信号，电流信号经放大滤波后由A/D转换器再通过计算机I/O接口输出，输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器，实现对室内有害气体的实时监测及控制，程序实时监测系统状态，达到实时检测室内的有害气体的目的。
图2-2主程序流程图
2.3单片机系统
2.3.1AT89C52型单片机简介
随着计算机技术的发展,单片机已发展为高集成,体积小,高速度,低价格的形态，也已广泛应用在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能仪表、家用电器和网络技术等。
由于MCS-52系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，故本文采用ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为本系统控制单元的核心部件。
AT89C52是一种带4k字节flash编程可以擦除只读存储器（ROM）的低电压,高绩效CMOS8位微处理器。
本装置采用高密度非易失性存储器的爱特梅尔公司制造技术和行业标准的MCS-52指令集和输出管脚相兼容[5-7]。
由于多功能8位CPU和闪存在单个芯片上,爱特梅尔公司AT89C52单片机是一种有效的微控制器。
AT89C52单片机为许多嵌入式控制系统提供了一个高灵活性和低价格的路径[8]。
片内硬件组成结构如图2-3所示。
把作为控制应用所必需的基本功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。
图2-3AT89C52单片机片内结构
有如下功能部件和特性：
（1）8位微处理器（CPU）；
（2）数据存储器（128BRAM）；
（3）程序存储器（4KBFlashROM）；
（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；
（5）1个全双工的异步串行口；
（6）2个可编程的16位定时器/计数器；
AT89C52引脚功能介绍
AT89C52与52系列中各种型号芯片的引脚互相兼容[9-10]。
目前多采用40只引脚双列直插，如图2-4所示。
图2-4AT89C52双列直插封装方式的引脚
1．电源引脚
（1）VCC（40脚）：
+5V电源。
（2）VSS（20脚）：
数字地。
2．时钟引脚
（1）XTAL1（19脚）：
片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路输入端。
用片内振荡器时，该脚接外部石英晶体和微调电容。
外接时钟源时，该脚接外部时钟振荡器的信号。
（2）XTAL2（18脚）：
片内振荡器反相放大器的输出端。
当使用片内振荡器，该脚连接外部石英晶体和微调电容。
当使用外部时钟源时，本脚悬空。
3.控制引脚
（1）RST（RESET，9脚）
复位信号输入，在引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平，可使单片机复位。
正常工作，此脚电平应≤0.5V。
当看门狗定时器溢出输出时，该脚将输出长达96个时钟振荡周期的高电平。
（2）EA/VPP（EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，31脚）
EA：
引脚第一功能：
外部程序存储器访问允许控制端。
EA=1，在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KBFlash存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但PC值超出0FFFH（即超出片内4KBFlash地址范围）时，将自动转向读取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。
EA=0，只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000H～FFFFH，片内的4KBFlash程序存储器不起作用。
VPP：
引脚第二功能，对片内Flash编程，接编程电压。
（3）ALE/PRAG（AddressLatchEnable/PROGramming，30脚）
ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。
此外，单片机正常运行时，ALE端一直有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率fosc的1/6。
可用作外部定时或触发信号。
注意，每当AT89C52访问外部RAM时（执行MOVX类指令），要丢失一个ALE脉冲。
如需要，可将特殊功能寄存器AUXR（地址为8EH，将在后面介绍）的第0位（ALE禁止位）置1，来禁止ALE操作，但执行访问外部程序存储器或外部数据存储器指令“MOVC”或“MOVX”时，ALE仍然有效。
即ALE禁止位不影响对外部存储器的访问。
PRAG：
引脚第二功能，对片内Flash编程，为编程脉冲输入引脚。
（4）PSEN（ProgramStrobeENable，29脚）片外程序存储器读选通信号，低电平有效。
4.并行I/O口引脚
（1）P0口：
8位，漏极开路的双向I/O口
当外扩存储器及I/O接口芯片时，P0口作为低8位地址总线及数据总线的分时复用端口。
P0口也可用作通用的I/O口，需加上拉电阻，这时为准双向口。
作为通用I/O输入，应先向端口写入1。
可驱动8个LS型TTL负载。
（2）P1口：
8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
准双向I/O口，作为通用I/O输入时，应先向端口锁存器写1。
P1口可驱动4个LS型TTL负载。
P1.5/MOSI、P1.6/MISO和P1.7/SCK
可用于对片内Flash存储器串行编程和校验，它们分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。
（3）P2口：
当AT89C52扩展外部存储器及I/O口时，P2口作为高8位地址总线用，输出高8位地址。
P2口也可作为普通的I/O口使用。
当作为通用I/O输入时，
应先向端口输出锁存器写1。
P2口可驱动4个LS型TTL负载。
（4）P3口：
可作为通用的I/O口使用。
作为通用I/O输入，应先向端口输出锁存器写入1。
可驱动4个LS型TTL负载。
P3口还可提供第二功能。
第二功能定义见表2-1。
表2-152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
2.4放大滤波
由于不同的传感器有不同的特性，所以要根据具体传感器的特性和要求来设计自己的信号处理电路。
针对本设计系统的传感器的特性和要求，信号处理电路低功耗数采系统及差动放大器。
在系统中使用的检测元件是换能器，超声换能器是在超声频率范围内将外部的声信号转换为电信号的能量转换器件，其输出电压信号比较微弱。
根据输入输出电阻匹配原则，选择同相放大电路。
另外，本设计中由于外界的干扰，常常会夹杂一些频率段的干扰信号，必须采用高通滤波器来滤掉低频率段的干扰信号。
信号处理电路的工艺流程框图如图2-5所示。
2-5信号工艺流程框图
2.5数据转换
由于经过放大电路出来的模拟电压变化范围在0~5V，为了方便与AT89C52单片机的链接，故选择性价比比较合适的ADC0809模数转换。
它的分辨率是八,不必进行零和满度的调整,它的高阻抗稳定性比较器、8通道多路开关可以直接访问的八个单端模拟信号中的一个。
其管脚定义如图2-6所示。
图2-6ADC0809管脚示意图
ADC0809的时序接口为52系列单片机的标准总线接口，操作方便，如同对存储器或I/O操作一样，A/D转换精度为8比特，满足本课题要求。
输入的模拟电压为0~5V，一次A/D转换时间为100μS[11]。
利用单片机启动ADC0809转换器，转换完成后再由ADC0809中断请求信号,CPU中断请求响应AT89C52。
通过对译码器读取操作,读取转换结果是测量和发送到响应的存储区域。
选择再次度量,并再次开始AD0809转换器转换中断返回。
图2-7AD转换模块原理图
2.6声光报警电路的设计
可燃气体检测报警器由探测器和报警仪器,主要用于监测可燃气体生产、使用或储存危险场所内外泄漏。
当可燃气体的浓度超过报警设定值时,发出声、光报警信号，室内人员立即采取安全措施,避免爆炸事故。
报警信号通常有三种类型：
一是闪光报警；
二是鸣音报警；
三是语音报警[12-13]。
为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观，采用了由4个发光二极管和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。
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。
每种毒气对应一红一绿两个发光二极管，绿色代表正常情况，蜂鸣器不响；
当有害气体的浓度超过设定的上限值时，对应红色的发光二极管亮，并启动蜂鸣器。
图2-8为声光报警电路图的具体连接，其中D1、D3为绿色发光二极管，分别对应液化气和一氧化碳两种有毒气体；
D2、D4为红色发光二极管，也分别对应这两种有毒气体。
图2-8声光报警电路图
2.7液晶显示电路设计
LED数码管根据接法的不同分为共阴和共阳两类，本文选用2行16个字符的LED1602作为显示模块，满足显示要求。
液晶显示器画质高且不会闪烁，接口数字化，具有体积小、功耗低、重量轻，显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了[14-15]。
数码管要正常显示，就需要驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出需要的数字，数码管有静态式和动态式两种驱动方式。
本设计采用动态驱动模式，4段/位LED数码管。
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。
图2-9引脚定义
图2-9引脚定义
LED1602采用标准的16脚接口，有8位数据总线D0~D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。
LED1602的具体连接线路图如图2-10所示。
图2-10LED1602连线图
2.8传感器的选用
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，因此选择合适的传感器尤为重要，需要对性能、可实现性、价格等多方面的比较。
对于液化气、丙烷、氢气，选择MQ-2气体传感器；
对于一氧化碳气体，选择的是MQ-7一氧化碳传感器，传感器模块就由这两种传感器组成[16-18]。
MQ-2烟雾传感器模块
MQ-2气体传感器的气体敏感材料是用于清洁空气与低电导率的二氧化锡（SnO2）。
当有一个可燃气体传感器在环境中,传感器的电导率随可燃气体在空气中浓度的增加而增加。
使用一个简单的电路就可以转换电导率变化的气体浓度对应的输出信号。
此外MQ-2对液化气、丙烷、氢气传感器灵敏度高,与气体和其他可燃蒸汽检测也是理想的,具有长期的使用寿命和可靠的稳定性并有快速的响应恢复特性。
这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
MQ-7一氧化碳传感器模块
MQ-7气敏元件的结构和外形如图2-11所示，通过微氧化铝陶瓷管,SnO2敏感层,测量电极和加热器传感器组成的敏感元件固定在塑料或不锈钢腔体内,为了提高选择性的传感器,该传感器气室分离外部与活性炭过滤层外[19]。
封装完成后的气体敏感元件有六只引脚,只有其中四个用于信号取出,两个是用于提供加热电流。
图2-11MQ-7实物图
2.9复位电路设计
无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。
复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。
AT89S52芯片具有复位操作功能。
RST为复位输入引脚，可在上电或芯片工作的任何时候对AT89S52芯片进行复位。
在每次上电之后都应使芯片处于复位状态，即给RST一个两个机器周期以上高电平位触发信号。
本课题使用传统的RC复位电路，如图2-12所示，其结构简单，容易实现。
图2-12系统复位电路
第3章
系统软件设计及仿真
本课题属于生产实际题目，涉及硬件的实物制作。
但是作为实验阶段，只进行软件仿真，通过软件仿真技术以达到真正的实物检测。
3.1软件介绍
在该仿真系统中主要用到了Protues和Keil两款软件。
本系统采用的Proteus设计，组合了Proteus中的高级原理布图、混合模式SPICE仿真，PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统，实现室内有害气体的实时检测。
Proteus在编译方面，也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器[20]。
KeilC52软件是一款基于52系列单片机开发的C语言软件系统,具有很强的可读性和可维护性,而且易于学习,易于使用。
Keil提供包括C语言编译器、宏汇编、连接器、库管理、以及一个强大的仿真调试器,通过一个集成开发环境（uVision）将这些条件组装在一起。
3.2绘制电路原理图
利用Proteus进行软件仿真，按照将电路的原理图进行电路绘制。
根据原理图从原件库中选择有封装的元件，自己设计LED显示器，并对其封装。
按顺序排好，并对其连线，最后完成电路图如下。
图3-1电路原理图
3.3 程序设计
利用Keil软件进行软件编程，建立项目与文件，选择单片机型号，考虑到兼容性问题，编程时选择Atmel的89C52单片机。
并新建C语言文件，并将文件添加到工程下。
最后编写程序并调试进行编译与连接，直至无语法错误。
图3-2程序调试
3.4软件仿真
为了检测电路设计和软件设计是否正确，采用Proteus软件进行仿真。
Proteus软件具有独特的单片机协同仿真功能。
CPU模型有ARM7（LPC21xx）、PIC、AtmelAVR、MotorolaHCXX以及8051/8052系列。
同时模型库中包含了LED/LCD显示、键盘、按钮、开关、常用电机等通用外围设备。
VSM甚至能仿真多个CPU，它能便利处理含两个或两个以上微控制器的系统设计。
CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器[21-22]。
在电路原理图已经画完，程序也没有语法错误的情况下，将编译好的hex文件加载到单片机中进行仿真。
首先下载程序，
图3-3将程序下载到单片机
然后仿真。
通过仿真，对于不相适应的部分进行修改，直至成功。
仿真显示效果如下图所示：
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