基于51单片机的多起气体浓度测试仪.docx

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基于51单片机的多起气体浓度测试仪

基于单片机的多气体浓度测试仪

摘要

近些年来，我国经济快速发展，人民生活水平日益提高,全国机动车辆数量和驾驶员人数猛增，醉酒驾车造成严重后果的犯罪也日益增多，给社会和广大人民群众生命、健康造成严重危害。

2000年以来，酒后驾车行为所造成事故越来越多，对社会的影响也越来越大，酒精逐渐成为凶残的“马路杀手”。

据有关资料统计，全世界每年因车祸丧生的人数就超过60万人，留下永久性伤残者在400万以上，一般受伤者则不计其数。

在许多国家，车祸已成为第一位意外死亡原因。

另外，交通事故所造成的经济损失也相当惊人。

据统计，大约50%—60%的车祸与饮酒有关。

中国公安部门在2009年8月，在全国各地加强查处酒后驾驶的力度，以减少由酒后驾驶造成的恶性交通事故。

要查处就涉与到检测人体的酒精含量和使用设备来进行检测的问题。

近年来我国煤炭工业的安全生产状况不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。

出于安全考虑，甲烷浓度的测量，显得尤为重要。

基于以上可以看出，有关气体的浓度检测问题，至关重要。

本文研究设计了一种可以测量多种气体浓度，并可以进行超限报警的智能测试仪。

其设计方案基于STC89C52单片机，MQ3酒精浓度传感器，MQ4甲烷浓度传感器。

系统将传感器回路输出的信号通过以AD0832为核心的A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，由LCD显示酒精浓度值。

并设计一定的限值，超限声光报警。

限值可由按键调整。

考虑到单片机计算能力有限，难以进行复杂数据处理，故单片机系统与PC机系统通过RS-232串行通信端口进行互连，从而单片机用作下位机进行数据采集和设备控制，而PC机用做上位机进行复杂的数据处理和对单片机的控制。

文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程以与数据显示子系统和报警电路、单片机与PC机通信的软硬件实现的设计方法和过程。

系统对于采样地点超出规定的指定气体浓度时，通过声光报警电路提醒监测人员。

同时，操作人员对于具体报警点的上限值可以通过单片机编程进行设置。

关键词：

酒精浓度传感器（MQ3）、甲烷浓度传感器（MC113）、STC89C52、A/D转换器、数据选择器（74HC4051）、串口通信、RS232、VB；

Abstract

Inrecentyears,China'srapideconomicdevelopment,increasingpeople'sstandardofliving,thenumberofmotorvehiclesanddrivershassoared,drunkdrivinghascausedseriousconsequencesofillegalcrimeisalsoincreasing,tothesocietyandthelifeofthemasses,causingseriousharmtohealth.Since2000,drinkinganddrivingbehaviorcausedbyincreasingnumberofaccidents,onthesocialimpactisalsogrowing,alcoholhasbecomefierce"killerontheroad".Accordingtothestatistics,thewholeworldbecauseoftrafficaccidenteveryyearthenumberofpeoplekilledmorethan600000people,leftpermanentlydisabledin4000000above,generalinjuriesaretoomanytocount.Inmanycountries,trafficaccidenthasbecomethefirstcauseofaccidentaldeath.Inaddition,thetrafficaccidentscausedbytheeconomiclossisquiteamazing.Accordingtostatistics,approximately50%-60%oftheaccidentsarerelatedtoalcohol.Chinapublicsecuritydepartmentsin2009August,throughoutthecountrytostrengthenanddrivingforce,soastoreducethedrivingcausedbymalignanttrafficaccident.Toinvestigatetherelatedtodetectionofhumanwithanalcoholcontentandtheuseofequipmenttodetectproblem.

Inrecentyears,industryofourcountrycoalproductionsafetysituationisnotoptimistic,middleandsmallcoalminesituationisparticularlyserious,hasadirectthreattothestableproductionofthewholecoalindustry,tothenationalpropertyandpeople'slivesandcausedgreatdamage,as"theworstofallevils"methaneexplosionisamajoraccidentrateinthefirst.Forsecurityreasons,themethaneconcentrationmeasurement,appearparticularlyimportant.Basedontheabove,thegasconcentrationdetectionproblem,critical.Thispaperstudiedanddesignedavarietyofgasconcentrationcanbemeasured,andcanalarmintelligenttester.ThedesignschemebasedonSTC89C52MCU,MQ3alcoholconcentrationsensor,MQ4methaneconcentrationsensor.SystemcircuitofthesensoroutputsignalsfromtheAD0832asthecoreoftheA/Dconversioncircuitafterconditioning,throughthesingle-chipmicrocomputerfordataprocessing,LCDdisplaybythealcoholconcentrationvalue.Andthedesignofcertainlimits,overrunalarm.Limitvaluebythekeystoadjust.ConsideringtheSCMcalculationabilityislimited,tocomplexdataprocessing,sosingle-chipsystemandPCsystemthroughtheRS-232serialcommunicationportinterconnect,therebySCMasthenextbitmachinedataacquisitionandcontrolequipment,andthemachineusedPCdoPCforcomplexdataprocessingandtheSCMcontrol.Thispaperintroducesthedataacquisitionsubsystem,dataprocessinganddatadisplaysystemandalarmcircuit,SCMandPCcommunicationhardwareandsoftwaretoachievethedesignmethodandprocess.Systemforsamplinglocationsbeyondtheprescribedspecifiedgasconcentrations,throughsoundandlightalarmcircuittoremindstaffmonitoring.Atthesametime,theoperatorforaspecificalarmlimitvaluescanbesetthroughthesingle-chipprogramming.

Keywords:

alcoholoncentrationsensor（MQ3）,methaneconcentrationsensor（MC113）,STC89C52,A/Dconverter,Dataelector（74HC4051）,serialcommunication,RS232,VB;

引言

随着我国经济的快速发展，人民生活水平日益提高,全国机动车辆数量和驾驶员人数猛增，醉酒驾车造成严重后果的犯罪也日益增多，给社会和广大人民群众生命、健康造成严重危害。

2000年以来，酒后驾车行为所造成事故越来越多，对社会的影响也越来越大，酒精逐渐成为凶残的“马路杀手”。

在许多国家，车祸已成为第一位意外死亡原因。

另外，交通事故所造成的经济损失也相当惊人。

据统计，大约50%—60%的车祸与饮酒有关。

中国公安部门在2009年8月，在全国各地加强查处酒后驾驶的力度，以减少由酒后驾驶造成的恶性交通事故。

要查处就涉与到检测人体的酒精含量和使用设备来进行检测的问题。

近年来我国煤炭工业的安全生产状况不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。

出于安全考虑，甲烷浓度的测量，显得尤为重要。

基于以上可以看出，有关气体的浓度检测问题显得尤为重要。

本文研究设计了一种可以测量多种气体浓度，并可以进行超限报警的智能测试仪。

其设计方案基于STC89C52单片机，MQ3酒精浓度传感器，MQ4甲烷浓度传感器。

系统将传感器回路输出的信号通过以AD0832为核心的A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，由LCD显示酒精浓度值。

并设计一定的限值，超限声光报警。

限值可由按键调整。

考虑到单片机计算能力有限，难以进行复杂数据处理，故单片机系统与PC机系统通过RS-232串行通信端口进行互连，从而单片机用作下位机进行数据采集和设备控制，而PC机用做上位机进行复杂的数据处理和对单片机的控制。

从现实角度考虑，此仪器可以让开车的人知道自己在什么情况下可以开车；煤矿井是否处在安全的状态下等等。

这是一个在现代生活很实用，很负责的一个设计，对社会的健康发展具有积极的意义。

第1章前言

1.1气敏传感器的发展现状

目前半导体气体传感器的研究动态与其发展方向——气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。

因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计预测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。

目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：

一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。

如日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。

二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。

如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉与的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。

气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国已有一定的基础。

其现状是：

（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品;

（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以与制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以与集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料;

（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试;

（4）国气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。

产量超过20万支的主要厂家有5家，敏感集团、电子厂、春光器材厂、费加罗公司（合资）、电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。

总的看来，我国气敏元件传感器与其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化与应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。

1.2国外气体浓度检测技术的发展现状

1.2.1非光学分析法

（1）超声波技术

超声原理测量气体浓度是近10年来随着电子技术和测量技术的发展而出现的一种新技术，同时具有测量围宽、精度高、无节流、适应性强等特点。

超声波技术是利用超声波在某种气体中的传播速度与当前气体温度和气体性质的关系，通过测量超声波在气体中的传播速度以与气体温度，进而推算出气体的大概浓度。

超声波技术测量气体浓度克服了传统气体检测方法的缺点。

在大流量、大管径的气体浓度检测方面，完全可以适应未来工业生产中的高精度测量。

目前，影响该技术测量精度的因素主要是工作环境的差异，极易受到周围压力、温度、湿度等因素的影响。

在进行测量时，必须采用补偿措施，尽量减小误差，以此来保证测量精度。

（2）气敏法

在进行检测时，通过将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出。

根据被测气体的种类，其分析方法也不同。

气敏技术主要应用于气敏传感器检测气体的浓度。

气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构以与制作工艺密切相关。

其中采用金属氧化敏感材料制作的半导体气敏元件具有灵敏度高、结构简单、坚固耐用等优点。

但是采用气敏法检测气体浓度也存在不足。

由于在气体检测仪中一般将气敏元件与标准元件组成测量电桥电路，所以电桥电路的非线性以与电桥供电电压的大小会对测量精度产生很大的影响。

除此之外，在检测时还需要考虑现场温度、空气扰动等因素，为此必须采取补偿电路等措施。

该方法适合对测量精度要求不高的场所。

（3）光干涉法

光干涉法是利用光的折射率与被测气体的含量有关来检测气体浓度的。

当被测气体的气室与空气室同时充入空气时，如果两束光所经过的光程一样，则干涉条纹不产生移动。

如果改变气室中被测气体的成分、温度或压力，折射率会发生改变，光程也随之改变，干涉条纹从而发生移动。

而当两气室温度和压力相等时，干涉条纹的移动量与气体浓度成正比，只要测得移动量，便可测得气体温度。

在采用光干涉法对气体温度进行测量时，必须考虑到周围测量环境的影响，如温度、湿度、压力等。

（4）被动检气管法

在检气管的惰性载体上涂渍对被测气体有效的显色剂，气体通过检气管端口扩散进入管，在经过惰性载体时，与惰性载体上的显色剂发生反应，从而产生颜色的变化。

检气管显色长度的平方与被测气体浓度与采样时间的乘积存在一定的线性关系，从而求出环境中气体的时间加权浓度。

被动检气管法与传统的方法相比较，检气管结构简单、分析快速、操作方便，并且不受被测环境的空间大小、有无电源的影响；携带非常方便，利于外出测定和大面积布点测定；使用后的载体以与主要显色剂可以进行回收循环利用，不产生环境污染。

一般情况下，被测气体的温度、风速、湿度等外部因素对测定无明显影响。

除上述介绍的4种非光学气体浓度检测法外，还有热催化法、色谱分析法等非光学分析法。

1.2.2光学分析法

在光学分析中，主要基于光谱学，利用光和大气污染分子相互作用的特性进行检测，具有大围、高组分、连续实时检测的特点，已成为气体浓度检测的理想工具。

主要有差分吸收光谱技术、傅里叶变换红外光谱技术、可调谐激光二极管激光吸收光谱技术、差分吸收激光雷达和拉曼散射激光雷达技术等等。

1.3单片机与PC机串行通信研究背景和意义

随着科学技术的发展，PC机以其优越的性价比和丰富的软件资源成为计算机应用的主流机种。

单片机自诞生以来以其性能稳定、价格低廉、功能强大，在智能仪器、工业装备以与日用电子消费品中得到了广泛的应用。

现代化集中管理需要对现场数据进行统计、分析、制表、打印、绘图、报警等,同时，又要求对现场装置进行实时控制，完成各种规定操作，达到集中管理的目的。

由于单片机的计算能力有限，难以进行复杂的数据处理。

因此在功能比较复杂的控制系统中，通常以PC机为上位机，单片机为下位机，由单片机完成数据的采集与对装置的控制，而由上位机完成各种复杂的数据处理与对单片机的控制，二者结合，使得单片机的应用已不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制，而形成了向以网络为核心的分布式多点系统发展的趋势。

在一般的利用PC机对单片机进行控制的场合，采用Windows作为上位机的平台，其优点是界面友好，编程和操作都比较容易。

因此研究PC机与单片机串行通信具有重要的现实与工业意义。

1.4本气体浓度测试仪的设计容

本论文主要完成气体浓度测试仪软件设计，设计容包括：

A/D转换程序、超标报警、键盘检测控制、数据显示、串口通信程序等。

本系统采用单片机为控制核心，以实现气体浓度测试仪的基本控制功能。

系统主要功能容包括：

数据信号采集滤波、开始测量、超标报警、键盘检测控制、串口通信、PC机处理数据等。

本系统设计采用功能模块化的设计思想，本论文容分为以下几个章节：

设计器件简介和选择；硬件的设计；软件设计和系统调试。

并利用Proteus7.7Professional单片机仿真软件对单片机系统的显示模块进行仿真调试。

第2章方案器件简介

硬件设计部分主要包括：

MCU、A/D、LCD、电源电平转换芯片、数据选择器等芯片的选择，以下做一些器件的比较。

2.1MCU简介

本系统的数据采集以与控制部分以单片机为核心。

我们选择单片机STC89C52为控制核心，主要基于考虑STC89C52低功耗、超低价高速度、高可靠、超强抗静电，超强抗干扰、无法解密等优点。

此外，其8K在系统可编程Flash存储器，512字节RAM对于本系统的程序大小而言，已基本够用。

STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，片振荡器与时钟电路，STC89C5X可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

同时STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

。

掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本。

STC单片机有PDIP、PQFP/TQFP与PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

STC89C52单片机引脚功能图如图2-1所示:

VCC:

电源电压

VSS:

即地

XTAL1：

振荡器反相放大器的与部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

图2-1单片机引脚图

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问器件激活部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表2-1为P1.0和P1.1的第二功能。

表2-1

引脚号

功能特性

P1.0

T2：

定时器/计数器2外部计数脉冲输入，时钟输出

P1.1

T2EX：

定时器/计数器2捕获重装载触发和方向控制

P2口：

P2是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，同时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

P3口时一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入1时，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-2所示。

此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访