信息系统设计.docx
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信息系统设计
多功能空气
质量检测调节器
设计背景：
现在社会对于环境质量的要求越来越高，尤其是针对空气质量的要求。
对于空气质量的基本要求一般包括空气的温度，湿度，空气内有害气体的比例。
所以空气质量检测调节器的应用场所非常多，如医院，住宅房屋，商场以及一些对空气质量有较高要求的场所。
系统任务：
定时检测周围空气的温度和湿度是否达到标准，检测空气内某些有害气体的比例是否超过标准，并且自动启动调节装置，如加湿器，抽湿器，空气温度调节器等设备，将温度调节到所设定的范围。
考虑到有害气体的调节需要迅速，所以气敏电阻经过放大电路后，如果检测出有害气体成分超标，则立刻开启排气扇。
对于温度和湿度的调节经过ADC后进入MCS-51单片机进行压缩，存储，分析，当分析后发现超过设定的范围时，才开启加湿器，排气扇，加热器设备。
由于信号检测的频率不是很高，系统选择共用ADC来节约成本，且能够满足设计的条件。
系统各模块任务
【温度控制模块】
采用温度检测电路采用NE555芯片定时进行温度测量，经过放大电路后，由ADC采样保持后读入MCS-51单片机进行分析。
当在t时间内平均温度不在T1~T2范围内时，（t为人工设定的灵敏度，T1，T2为人工设定的温度范围）由单片机启动温度调节器并且实时进行温度测控，当达到设定范围内时，则关闭温度调节器。
【湿度控制模块】
采用NE555芯片定时进行湿度检测，运用氯化锂湿敏电阻作为传感器，经过放大电路后，由ADC采样保持后读入MCS-51单片机进行分析。
当在t时间内平均湿度不在H1~H2范围内时，（t为人工设定的灵敏度，H1，H2为人工设定的温度范围）由单片机启动湿度调节装置（抽湿风扇，加湿器）并且实时进行湿度测控，当达到设定范围内时，则关闭相应的湿度调节装置。
【有害气体检测模块】
应用ZnO和Fe2O3的气敏电阻测量空气中煤气、液化石油气、汽油、酒精、烟雾等有毒有害气体，运用NE555芯片进行定时设置，经ADC转换后送入单片机内进行分析，并且启动相应的报警装置。
系统技术指标：
【温度控制模块】
由NE555芯片和三极管温度传感器构成测温电路，设定一秒钟内进行10次测量。
放大器增益：
32dB
ADC
分辨力：
8位采样频率：
<640KHz
模拟输入电压范围-0～+5V
555定时器工作频率：
f=
≈
，约为10Hz~1KHz
【湿度控制模块】
ADC
分辨力：
8位采样频率：
<640KHz
模拟输入电压范围-0～+5V
555定时器工作频率：
f=
≈
放大器增益：
30dB
【有害气体检测模块】
555定时器工作频率：
f=
≈
系统硬件框图：
各个模块电路设计
【温度传感器及放大器电路】
温度测量电路由三极管温度传感器和NE555定时芯片构成，调节R1和R2可以调节NE555的工作频率，R1,R2与工作频率的关系如下：
t1=0.7（R1+R2）C
t2=0.7R2C,T=t1+t2f=
≈
图中三极管传感电路中R,C的目的是为了防止电路产生自激震荡，其中A1灵敏度：
-2.3mv/C，A2输出精度：
0.01C，测量范围：
-50C--+150C。
三极管射极与基极之间的电压随温度而改变，具体的关系为：
=
-
ln
A1的输出电压随环境温度的改变而改变，Rp1的作用为调节温度传感器的电流，Rp2调节A2的增益，Rp3对电路进行校正，使得环境温度为
C时，输出电压为0V。
由NE555定时提供信号使得传感器电路将信号传给ADC。
【湿度传感器及放大电路】
湿度测量的关键在于湿度传感器，电路采用湿度传感器H204C传感器H204C工作时要求加交流电信号，在电路中采用了555振荡源，如图所示，555和R1、RP1、C1组成无稳态多谐振荡器，f≈
，图示参数的振荡频率在700～1000Hz范围，调节RP1，以选定最佳工作交流电压提供给传感器H204C。
IC2、IC3选用低功耗四运放LM2902，H204C跨接在IC2输出端1脚和反相端2脚之间，与R4、C3等组成对数压缩电路。
IC3（
LM2902）接成AC／DC转换电路，将IC2来的1000Hz交流信号变换成直流信号，用以指示温度及其变化情况。
【有害气体检测电路】
如图所示，在室内空气正常情况下，555电路输出端3脚为高电平。
当气敏元件检测到可燃性气体时，如煤气、液化石油气、汽油、酒精、烟雾等有毒有害气体，气敏电阻急剧下降，555的2脚电位高于4V时，555工作状态返转，3脚变为低电平，继电J吸合，同时发光二极管LED2（红色）闪亮，提醒用户注意。
正常情况下，LED1（绿色）亮，可用作电源指示。
气敏电阻需要一个稳定的加热电压．其值约5V，可通过RP1、R1的分压来确定。
电位器RP2用于调整555触发端2脚的触发电平，正常条件下约为3.5V。
电路中的继电器控制机外的排气扇设施，实时对有害气体进行检测。
【ADC接口电路】
各个模块器件选择
【温度控制模块】
温度传感器就是一个热敏电阻,电阻值随着温度的变化而变化,仪表通过测量电阻的变化而算出它的温度。
它是最为常用的一种传感器，现代的温度传感器外形非常得小，广泛应用在生产实践的各个领域中，为我们的生活提供了无数的便利
型号/规格
MTS105
种类
温度
材料
陶瓷
材料物理性质
半导体
材料晶体结构
单晶
制作工艺
薄膜
输出信号
模拟型
防护等级
A
线性度
0.1（%F.S.）
迟滞
0.1（%F.S.）
重复性
0.2（%F.S.）
灵敏度
高灵敏
漂移
2%/每月
分辨率
0.5ppm
【湿度控制模块】
随着现代工业技术的发展，纤维、造纸、电子、建筑、食品、医疗等部门提出了高精度高可靠性测量和控制湿度的要求。
因此，各种湿敏元件不断出现。
利用湿敏电阻进行湿度测量和控制具有灵敏度高、体积小、寿命长、不需维护、可以进行遥测和集中控制等优点。
湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。
湿敏电阻常见类型
（1）半导体陶瓷湿敏元件
铬酸镁-二氧化钛陶瓷湿敏元件是较常用的一种湿度传感器，它是由MgCr2O4-TiO2固熔体组成的多孔性半导体陶瓷。
这种材料的表面电阻值能在很宽的范围内随湿度的增加而变小，即使在高湿条件下，对其进行多次反复的热清洗，性能仍不改变。
图a为这种湿敏元件的结构示意图。
该元件采用了MgCr2O4-TiO2多孔陶瓷，电极材料二氧化钌通过丝网印制到陶瓷片的两面，在高温烧结下形成多孔性电极。
在陶瓷片周围装置有电阻丝绕制的加热器，以450℃/min对陶瓷表面进行热清洗。
湿敏电阻的电阻-相对湿度特性曲线如图b所示。
图aMgCr2O4-TiO2湿敏元件结构图b电阻-湿度特性曲线
1．感湿陶瓷；2．二氧化钌电极；3．加热器；4．基板；5．引线
（2）氯化锂湿敏电阻
图2.34是氯化锂湿敏电阻的结构图。
它是在聚碳酸酯基片上制成一对梳状金电极，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化锂胶状溶液，其表面再涂上一层多孔性保护膜而成。
氯化锂是潮解性盐，这种电解质溶液形成的薄膜能随着空气中水蒸汽的变化而吸湿或脱湿。
感湿膜的电阻随空气相对湿度变化而变化，当空气中湿度增加时，感湿膜中盐的浓度降低。
图c氯化锂湿敏电阻的结构图d高分子膜湿敏电阻与特性
1．感湿膜；2．电极；3．绝缘基板；4．引线
（3）有机高分子膜湿敏电阻
有机高分子膜湿敏电阻是在氧化铝等陶瓷基板上设置梳状型电极，然后在其表面涂以具有感湿性能，又有导电性能的高分子材料的薄膜，再涂复一层多孔质的高分子膜保护层。
这种湿敏元件是利用水蒸汽附着于感湿薄膜上，电阻值与相对湿度相对应这一性质。
由于使用了高分子材料，所以适用于高温气体中湿牢的测量。
图d是三氧化二铁-聚乙二醇高分子膜湿敏电阻的结构与特性。
【有害气体检测模块】
气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。
人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。
以SnO2气敏元件为例，它是由0.1～10μm的晶体集合而成，这种晶体是作为N型半导体而工作的。
在正常情况下，是处于氧离子缺位的状态。
当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，因此电导率增加。
而对于P型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。
气敏电阻的温度特性如图2.26所示，图中纵坐标为灵敏度，即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值号电压。
由曲线可以看出，SnO2在室温下虽能吸附气体，但其电导率变化不大。
但当温度增加后，电导率就发生较大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。
此外，在气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度，也可增强对气体种类的选择性。
常用的气敏电阻
气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种，直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。
旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网防爆，因此安全可靠，其应用面较广。
（1）氧化锌系气敏电阻
ZnO是属于N型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。
通过掺杂而获得不同气体的选择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高的灵敏度，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高的灵敏度。
ZnO气敏电阻的结构如图a所示。
这种气敏元件的结构特点是：
在圆形基板上涂敷ZnO主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成两层而制成。
例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。
利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过对颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。
图aZnO气敏电阻结构图bγ-Fe2O3气敏电阻结构
1．催化剂；2．隔膜；3．ZnO涂层；4．加热丝；1．双层网罩；2．烧结体；3．加热线圈；4．引脚
5．绝缘基板；6．电极
（2）氧化铁系气敏电阻
图b是γ-Fe2O3材料制成的气敏电阻整体结构。
当还原性气体与多孔的γ-Fe2O3接触时，气敏电阻的晶粒表面受到还原作用转变为Fe3O4，其电阻串迅速降低。
这种敏感元件用于检测烷类气体特别灵敏。
【ADC0809】：
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片
．主要特性
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）
4）单个+5V电源供电
5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～+85摄氏度
7）低功耗，约15mW。
．内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。
．外部特性（引脚功能）
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。
下面说明各引脚功能。
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