基于单片机的室内多功能检测系统系统设计毕业论文.docx

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基于单片机的室内多功能检测系统系统设计毕业论文

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基于单片机的室内多功能检测系统设计

摘要

随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人们对环境问题及健康问题日益重视，室内空气品质（IAQ）状况受到越来越多的关；人的一生中有三分之二的时间是在居室内度过的。

本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，是以ATMEL工公司的一款8位超低功耗单片机AT89S52为控制核心，一个51单片机的实时操作系统RTX51tiny将被应用到本系统中，使得本系统实时性更高，性能更可靠；该系统能够实现对室内温湿度、甲醛、CO和甲烷的实时采集处理、显示及相应的报警等功能。

仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD1602点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面；同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。

室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量；本设计选用数字化温湿度传感器DTH11对室内温湿度测量,CO和甲烷传感器采用定电位电解式气体传感器所需要的气体进行测量；用单片机控制模拟开关达到对CO、甲烷及甲醛的交替测量与报警。

关键词:

室内环空气质量;温湿度;数字显示;安全;报警

MultifunctionalMicrocontroller-basedindoor-detectionsystemdesign

Abstract

Withthedevelopmentofournationaleconomyandimprovementofpeople'slivingstandard,awarenessofenvironmentalissuesandindoorairquality（IAQ）conditionspaidmoreattentionto.Two-thirdsofpeople'slifetimeisspentinthelivingroom.Inthispaper,IndoorAirQualityPortableIntelligentMonitorisonthebackgroundoftoxicandanATMEL8-bitworkingultra-lowpowerMCUAT89S52ascontrolcoreandaRTOScalledRTXtiny51whichcanmaintainthereliabilityandtheinstantaneityofthesystemwillbeusedintothedesign.Thesystemcanrealizereal-timeacquisitionandprocessing,display,alarmandotherfunctionsofindoortemperature,todisplaymenu,and,simpleoperation,andissuitableforfamilyandcommunityordertoknowreal-timeacquisitionofindoorairquality.Thisdesignusesdigitaltemperatureandbyusingconstantpotentialelectrolysisgassensors,andusesmonolithicprocessortocontrolanalogswitchtomeasureCO,CH4andformaldehydealternatelyandgivealarm.

Keywords:

IAQ,temperatureandAlarm！

！

”。

3.2传感器的选用

3.2.1气体传感器

气体传感器基础知识：

按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：

半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。

（1）半导体型气体传感器的优缺点

半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。

不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。

（2）半导体传感器需要加热的原因

半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化；气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。

为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应；传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分；

（3）电化学气体传感器的工作原理

电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以监测许多有毒气体和氧气，后者还能监测血液中的氧浓度；电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性；不足之处是有寿命的限制一般为两年；

（4）半导体传感器和电化学传感器的区别

半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用；而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合；

（5）固态电解质气体传感器

顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。

它介于半导体和电化学之间；选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长；

（6）接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体；又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化；后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。

（7）光学式气体传感器

光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主；由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来监测气体；目前因为它的结构关系一般造价颇高；基于本文的实时要求和性价比等方面的原因，本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器[3]。

3.2.2气体传感器采样方法选择

气体的采样方法直接影响传感器的响应时间。

目前，气体的采样方式主要有两种:

通过简单扩散法，或是将气体吸入检测器。

简单扩散是利用气体自然向四处传播的特性。

目标气体穿过探头内的传感器，产生一个正比于气体体积分数的信号。

气体吸入式探头通常用于采样位置接近处理仪器或排气管道；这种技术可以为传感器提供一种速度可控的稳定气流，在气流大小和流速经常变化的情况下，这种方法较值得推荐[9]。

由于本仪器主要目的是测量日常生活中房屋内气体平均浓度，所以采用的第一种简单扩散法，并且这种方法可以节约成本

3.2.3CO、甲烷传感器

本课题的CO、甲烷传感器选用汇诚科技的MQ-2数字传感器模块；下面将对MQ系列传感器进行介绍。

3.2.3.1MQ系列气体传感器的工作原理

MQ系列气体传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体,最常用的如SnO2。

金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动（见图3.2.30）。

在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。

由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。

在工作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低（图3.2.31和图3.2.32）。

导致传感器的阻值减小[13]。

图3.2.30晶粒间势垒模型（洁净空气）图3.2.31CO和SnOx-2上吸附氧之间的反应图解

图3.2.32晶粒间势垒模型（还原性气体出现时）

在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原性气度浓度之间的关系可近似由下式（3-2-1）所表示：

（3-2-1）

其中：

Rs：

传感器电阻

A：

常数

[C]:

气体浓度

α:

Rs曲线的斜率

3.2.3.2MQ气体传感器的特性

（1）氧气分压的影响：

图3.2.34所示为大气中氧分压（PO2）和MQ气体传感器在清洁空气中阻值之间的典型关系。

图3.2.34氧气分压的典型影响

（2）气敏特性：

根据前述方程，在某一气体浓度范围内（从几十ppm至几千ppm），在工作条件下，传感器的电阻同气体浓度呈对数线性关系。

如图3.2.35所示。

传感器对多种还原气体具有敏感性，对指定气体的相对灵敏度，取决于敏感材料的构成及其工作温度。

如图3.2.35典型的敏感特性

实际上，每个传感器的电阻值和相对灵敏度都不完全相同，图5中描述的敏感特性为传感器在不同气体浓度下的阻值（Rs）与待检测气体的一定浓度下的阻值（R0）的比值与浓度的对数关系。

（3）传感器响应特性：

在工作条件下传感器先被放入还原性气体中，其电阻急剧下降，待其稳定后，再将其置入洁净空气中，传感器的电阻经过很短的时间即恢复到它的初始值。

这个过程中传感器典型的动作如图3.2.36所示。

传感器的响应速度和恢复速度与传感器型号、材料种类及所测气体的种类相关。

图3.2.36典型的传感器响应恢复

（4）初始动作：

如图3.2.37所示，当传感器不通电存放后，再在空气中通电，无论是否存在还原性气体，传感器通电后的最初几秒钟，其阻值都会（Rs）急剧下降，然后逐渐达到一个平稳的水平，即为传感器的初始动作。

初始动作时间的长短取决于传感器储存期间的气氛条件、储存时间长短，并因传感器型号而异，也与通电后传感器周围的氛围有关。

通电后传感器的初始动作会引起报警，因此在设计电路时要予以充分考虑。

图3.2.37典型的初始动作

（5）温、湿度影响：

MQ传感器的检测原理是基于气体在传感器表面的化学吸附、反应与脱附。

环境温度的变化会改变化学反应速度，从而影响传感器的敏感特性。

此外，水蒸气会吸附在传感器表面，湿度将会引起Rs的降低。

如图3.2.38所示。

精确使用MQ传感器时应考虑温、湿度的影响。

如图3.2.38典型的温湿度影响

（6）长期稳定性：

MQ系列传感器的长期稳定性典型数据如图3.2.39所示。

通常情况下，MQ传感器表现出稳定的经时特性，适用于免维护应用的场合。

图3.2.39典型的长期稳定性

（7）加热器电压的影响：

在设计传感器的加热器时，充分考虑了在给定的恒定加热电压下，气体传感器表现出最佳的敏感特性。

灵敏度随加热电压的变化如图3.2.40所示。

对于加热电压对传感器性能的影响，使用时应充分考虑。

图3.2.40典型的加热电压影响

3.2.3.3MQ-2传感器模块

简要说明：

（1）尺寸：

32mmX22mmX27mm长X宽X高

（2）主要芯片：

LM393、ZYMQ-2气体传感器

（3）工作电压：

直流5伏

（3）特点：

具有信号输出指示；

双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）；

模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高；

对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；

具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；

快速