H2S浓度传感报警系统Word格式文档下载.docx
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在得到电信号之后，并不能保证变压或者电流的值有足够大可以直接被控制模块进行采集，在此需要连接一个放大电路，然后送至控制器以进行控制报警等操作[5]。
控制器一般有电路或者微处理芯片来完成，主要是采集到信号然后处理信号，在达到限定值时做出反应。
报警器是一种为了保护或者是预防而设定的，就是在危险出现之前或者某些事件发生之后，通过声音、光等形式来通知我们。
采用单片机作为核心控制芯片的报警器越来越得到了广泛的应用，它可以对周围环境做出感测，然后通过程序来设置触发报警装置，这样可以避免人们生命财产的所害[6]。
第2章设计方案
2.1系统总体设计
设计需要完成对气体浓度的采集处理，以及报警灯任务，这里我们进行了简单的总体方案论证，并分析其优缺点最终确定最优方案。
方案一：
采用模拟电路实现
气体采集电路负责对气体的采集，将采集的气体接入一个集成运放构成的电压比较器，设定好门限电压之后，当输入电压超多预定值之后就会输出，否则不输出，这样就可以在气体浓度达到一定值之后输出电压进行报警。
报警电路采用振荡器加蜂鸣器构成。
这样设计结构简单，响应迅速，但是不能进行对当前气体浓度的实时显示[7]。
方案二:
模拟电路负责对浓度进行采集放大，然后通过AD转换为数字信号进行处理。
采集到气体浓度之后，便通过放大电路将其进行放大，然后进行AD转换，转换之后，便只有数字信号，这时就可以通过数字芯片或者单片机等电路进行控制，对输入数据进行处理，然后输出显示。
并且使用单片机可以通过编程实现显示报警等功能。
在分析了以上两种方案之后，我们从设计的成本，功能以及开发周期本设计要求等方面进行了综合考虑，最终选用后者作为最终的设计方案。
根据设计的方案我们确定了具体的设计规划，即该设计采用单片机作为控制器，主要组成部件有电源电路、气体浓度采集电路、信号放大电路、报警电路，如图2-1所示。
图2-1系统结构框图
在给出系统总体的方案的规划之后，下面就对每一个具体的实现模块进行详细的讨论。
2.2H2S浓度采集模块
H2S浓度采集模块采用MQ136气体传感器。
该气体传感器具有很多优点，比如说响应或恢复快，灵敏度相对很高，测试电路比较简单，工作时的稳定性很好，非常适用于对我们生活的大气环境中包含的硫化氢的浓度进行探测[8]。
其测量电路如图2-2所示：
图2-2测量电路
图2-3给出了这种器件的灵敏特性曲线，其中Rs为该传感器在不同气体，不同浓度时的阻值而R0则是该器件在清洁的气体环境中的阻值。
要想精准的测量该气体的浓度值，我们除了考虑这些因素之外还需要考虑环境的温度湿度等情况[9]。
图2-3MQ136灵敏度特性
2.3电源电路模块
电源电路是现在电子产品中必不可少的一部分，因为现在的电子产品多由数字器件组成，然而这些数字器件，都是通过0，,1信号的变换来工作的，因此都需要稳定的直流电源。
本设计中，对电源模块的设计也是非常重视，在这里对其实现的具体方案进行了简要的论证。
采用分立元件的电源电路来实现
电源电路通常包括变压，整流，滤波，稳压等步骤，稳压电路的设计是一个直流稳压电源最重要的一部分了，可以采用稳压二极管进行基准电压的给定，然后三极管进行反馈调节来稳定电压，最终输出一个稳定的电压值。
整个电源电路的组成全部由分立的电子元器件组成，不涉及任何集成芯片。
这样的设计能够满足数字芯片对稳定的直流电源的需求，但是在稳定性上，性价比上以及开发调试难度上都存在很多缺陷[10]。
方案二：
通过集成稳压芯片来设计电源电路的稳压部分
在220V的交流电源进行变压，整流滤波处理之后，我们采用一个集成的稳压芯片进行稳压处理，然后将稳定的之流电压进行输出。
这样做，可以很方便我们实现电路的搭建，而且电路结构简单，调试方便，为我们省区了很多成本。
综合考虑之后，我们最终选择集成稳压芯片作为电源的稳压模块进行电源的设计，具体的电路实现方式将在下一章进行研究。
2.4放大电路模块
在传感器采集到信号之后，我们不能保证采集到的信号足够大，可以直接供控制模块进行处理，为此我们需要在送往下一级之前先进行信号的放大处理，这里给出了两种信号的放大方案：
使用三极管等分立器件组成具有放大能力的电路
三极管通过调节其静态工作点可以改变其工作状态，调节适当我们就可以使其工作在放大状态，即输出的电流或者电压会随输入进行放大处理变化。
这样我们完全可利用三极管来搭建我们需要的放大电路。
但是采用这种方法搭建的电路存在很多缺陷，比如放大比例较小，不稳定等，而且实现起来需要用到很多器件，很不方便，性价比不高。
采用集成的运算放大器构成一个比例放大电路
集成的运算放大器在稳定性上，放大倍数上以及功率上都非常有优势，这就为我们设计放大电路提供了很多便利。
使用集成运放，配合反馈电阻可以组成一个同相比例放大电路，输出将输入放大并随其变化。
这样的放大电路稳定可靠，实现起来也是非常的方便[11]。
本设计在设计电路的时候力求精简，可靠，成本低，为此我们选用第二种方案作为放大模块的实现方法。
.2.5AD转换电路
由气体传感器采集到的浓度信号经过放大处理之后仍然是模拟信号。
然而单片机作为一种微控制器，只能处理数字信号，因此在进入单片机处理之前需要先进行AD转换。
通过查阅资料我们发现现在的AD转换器主要有以下几种很多，我们就本设计的需要对AD的选择做了简单的讨论，首先提供以下几种方案：
采用并行比较A/D转换器
并行模数转换器如ADC0809等，其采样率高达1GSPS以上，可实现非常迅速的转换，通常被称之为“FlashADC。
它是由一个电阻分压器，比较器，四分量编码器缓冲区等结构组成，对模拟信号进行逐次的进行比对得到最终的输入值。
这种方案可以满足设计的快速等要求，但是精度相对较低。
采用逐次逼近型A/D转换器
逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模数转换方式，这一类型转换器有很多优点，比如速度快，可达1MSPS；
功耗相当低；
在不要求很高分辨率时，价格相对比较低。
然而，在要求分辨率较高或者对信号调理上都会造成很多费用，使成本明显增加[12]。
方案三：
采用积分型A/D转换器
积分型模数转换器的应用也非常的广泛，它的基本原理是通过输入的模拟电压转换成两积分平均值的时间间隔成正比。
同时，这一时间间隔计数器的时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。
它的优点非常明显，主要有功耗低成本低，分辨率很高，但是它也有转化率低的缺点。
本设计中在对AD转换器的选择之前现对H2S的灵敏度特性进行了简要的分析。
在图2-3中我们可以看到，浓度的变化并不是随电阻的比值成线性关系的，其横纵坐标都是以10的倍数进行递增的，且起始坐标也不一致。
通过数学分析我们发现其关系近似呈反比例的关系。
而我们需要测量的浓度范围主要集中在低浓度段，这里电阻的变化对浓度影响不大，因此足够对浓度进行相对精度比较高的测量。
考虑到这些之后我们在选用模数转换器的时候，可以不必选择精度很高的转换器，而对于转化速率要求相对较高，即我们需要在出现变化时能够迅速得到响应，为此我们选择并行比较型的数模转换器，这里选用ADC0809。
2.6控制报警电路
本设计的总体的控制报警的方案的讨论在前边已经给出，这里我们重点对具体控制芯片的选择进行简要的讨论，核心控制芯片的选择我们提供了两种方案。
选用51内核的8位单片机
51单片机具有32个输入输出端口，并且有定时器，外部中断定设备，可以编写程序实现其控制操作，而且其价格相当便宜，开发成本很小，在处理基本功能电路上有很大优势。
但是处理的任务如果太过复杂，或者需要运行操作系统等程序则不能满足需求。
采用32位的ARM芯片
ARM芯片相比于8位或者16位的普通单片机最大的特点就是，它可以移植操作系统，这一点很大程度上方便了其在嵌入式领域的发展。
但是这种芯片的开发板结构复杂，造价昂贵。
综合考虑到两种控制芯片的性价比以及本设计要实现的功能，我们最终选用方案一中的51内核的单片机作为控制芯片，本设计选用AT89C51单片机。
这样将采集的浓度信号经过放大处理AD转换之后由单片机进行处理，可以设定浓度上限超过预定值之后就进行报警，报警电路采用LED闪烁和蜂鸣器报警的双报警方式，由单片机统一控制[13]。
2.7浓度显示电路
对采集的浓度信息进行显示出来以供工作人员及时勘查也是至关重要的。
本设计的显示模块有两种方案可供选择。
采用数码管显示
可通过单片机编程实现数码管显示，将浓度信息经过处理之后在数码管上显示出来。
数码管用于显示可以很直观方便的看到当前的浓度数值，而且其价格低廉，实现方式简单。
但是其显示内容仅能局限于数字，而且显示占用单片机的端口资源较多，或者需要其他硬件的配合，这样对开发带来了不便。
采用lcd1602液晶屏进行显示
通过单片机编程控制可以使lcd显示数字字母等字符，且显示稳定。
Lcd显示屏可以进行多种字符的显示，而且我们的单片机只需将需要显示的内容传送过去即可，这样很方便我们进行开发设计，但是液晶显示屏的价格相对较高，会增加开发的成本[14]。
在充分考虑本设计需要的功能之后，我们选用液晶显示当前浓度值。
第3章系统硬件设计
3.1单片机最小系统
单片机最小系统由单片机、晶振、复位电路、以及电源接口等设备组成，其电路原理图如图3-1所示。
图
3-1最小系统
3.2电源电路设计
电源电路主要是将220V的交流电源转换为5V的可供单片机及其他芯片使用的直流电源。
主要实现方法为通过降压变压器将220V的交流电源转变为9V的交流电，然后通过桥式整流电路将交流电转变成直流电，然后通过稳压芯片7805进行稳压最后转变为5V的之流电压。
设计的电路图如图3-2所示。
3-2电源电路
3.3放大电路设计
放大电路最终选用的是由集成运放构成的比例放大电路，其具体实现电路如图3-3所示。
图3-3放大电路
其中，放大比例由反馈电阻R1并配合R2来控制，其运算关系为A=1+R1/R2。
3.4报警及显示电路仿真分析
报警电路是单片机控制的，当气体浓度达到预定值之后单片机就会控制蜂鸣器和LED进行报警。
显示电路是有单片机的P0口连接lcd1602的数据接口并将控制引脚接入单片机的IO口，报警及电路主要包括单片机，LED，蜂鸣器和lcd1602[15]。
本设计的报警及显示电路使用protues进行了仿真分析，通过仿真图可以很直观的看到设计的预期效果，并方便了程序的调试与设计，仿真效果如图3-4所示。
图3-4仿真效果图
3.5总体电路原理图
在完成了对每一个子模块的电路的设计之后，我们给出了最终的总体电路原理图，如图3-5所示。
图3-5总体原理图
第4章系统软件设计
4.1主程序流程图
在程序的主程序流程图中，我们完成了主程序的基本思路的设计，即通过单片机采集传感器传来的数据，然后调用ADC0809来讲数据进行AD转换，处理转换的数据，调用lcd1602显示程序进行气体浓度的显示。
当气体浓度达到一定值时，单片机就会调用报警程序。
在报警程序中设置了单片机的蜂鸣器的启动和led的闪烁。
具体的程序流程图如图4-1所示。
N
Y
图4-1程序流程图
主程序中给出了程序各个部件的初始化操作，并完成了数据处理等操作。
在对读入的电压信号进行处理时考虑到传感器的灵敏特性并不是呈线性变化的，为此我们在这里进行了简要处理，并将读入的整形数据最终处理成一个double类型的变量进行输出显示[16]。
其主要程序代码如下：
voidmain（）
{
doublex=0;
doubley=0;
doublem=0;
uintCount=0;
TMOD=0x02;
TH0=0x14;
TL0=0x00;
IE=0x82;
TR0=1;
Int_lcd（）;
while
（1）
{
SPK=0;
OE=0;
ST=0;
ST=1;
while（EOC==0）;
OE=1;
m=P1;
x=m/51;
y=10/x;
if（y>
=20）
{
sprintf（Prompt,"
----error----"
）;
SPK=1;
}
else
sprintf（Prompt,"
concentration:
%5.2fppm"
y）;
Sh_str（0,0,Prompt）;
Sh_str（0,1,Prompt+16）;
}
}
4.2lcd显示驱动设计
Lcd显示驱动程序中主要包括lcd的初始化，lcd1602与单片机的接口定义以及单片机对lcd1602的读写设置[17]。
对其部分程序代码作简要分析如下：
首先进行写LCD命令，这里主要是编写LCD写的命令，先进行忙等待，然后选择命令寄存器，按照时序要求进行写命令操作，具体程序如下：
voidW_cmd_lcd（ucharcmd）
while（（Busy_CK（）&
0x80）==0x80）;
RS=0;
RW=0;
EN=0;
P0=cmd;
EN=1;
Delay_ms
（1）;
EN=0;
在完成写命令操作之后，进行写数据的操作，具根据时序要求进行数据的传送，其中也是先进性忙等待，然后对应写数据命令，具体实现程序如下：
voidW_data（uchardat）
RS=1;
RW=0;
P0=dat;
之后进行初始化操作，代码如下：
voidInt_lcd（）
W_cmd_lcd（0x38）;
W_cmd_lcd（0x01）;
W_cmd_lcd（0x06）;
W_cmd_lcd（0x0c）;
下面是写字符函数，其中设置了显示的起始位置，并通过一个for循环来进行16次的写数据操作完成对字符的写操作。
voidSh_str（ucharx,uchary,uchar*str）
uchari=0;
if（y==0）W_cmd_lcd（0x80|x）;
if（y==1）W_cmd_lcd（0xc0|x）;
for（i=0;
i<
16;
i++）
W_data（str[i]）;
4.3ADC0809驱动设计
ADC0809的驱动程序的设计主要包括ADC0809与单片机的接口定义，ADC0809的使能控制以及AD转换速率的设置。
其部分程序代码如下：
OE=0;
ST=0;
其时钟信号由定时器提供，程序如下：
voidTimer0_INT（）interrupt1
CLK=~CLK;
程序中通过设定定时寄存器的初始值，来确定需要多久之后能够溢出而执行对应的中断子程序，在中断子程序中又重新设定定时初值再次进行计时[18]。
定时器的初始化如下：
TMOD=0x02;
TH0=0x14;
TL0=0x00;
IE=0x82;
TR0=1;
其中设定了其工作模式为定时器模式，定时初值为20，并给出了中断的优先级以及触发方式。
第5章总结
本设计实现了将H2S浓度进行实时采集并显示报警的设计，并且完成了基本功能的仿真。
对电源电路，气体采集传感器，放大电路，报警电路以及AD转换等模块的设计进行了理论的论证，并进行了AD转换，报警电路以及显示电路都进行仿真分析。
对主要模块的方案设计都给出了具体的论证分析，并从实际需求方面给出了最终的方案选择。
设计最终实现了采集其他浓度并进行显示报警的任务，方便了我们在进行工作时进行空气质量的检测，保证我们不受H2S气体的侵害。
通过这一设计，我的专业这是得到了提升，具有了整体设计开发的能力，并了解了环境监测的基本原理，为以后的开发设计提供了前提。
本设计在进行研究的过程之中曾遇到很多问题，其中包括程序我发调试成功，放大电路参数选择以及电源电路选择等问题。
在对各种可能的实现方案进行仔细的探讨之后，我最终确定了设计的方案，以及各个模块方案的选择，最终完成了设计。
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致谢
本次设计能够圆满完成设计的要求，达到最终的设计任务，离不开老师和从学的帮助。
在这次设计过程中，指导老师给了我很大的帮助和鼓励，在他的帮助下我又学到了很多知识。
他的指导作用知我能够学到很多专业知识，了解设计的基本流程，电子产品的开发过程，以及设计电路设计中的很多问题。
此外，在设计的过程中还有很多同学给了我很多帮助，其中包括帮助我设计方案的选择，实施计划的制定，还有我进行功能电路仿真的时候遇到的问题都是同学帮助我调试与解决的。
在此真心感谢所有这些帮助过我的人们，谢谢你们的给予我的支持和鼓励。
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