基于单片机气体浓度检测系统的设计毕业设计.docx
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基于单片机气体浓度检测系统的设计毕业设计
基于单片机气体浓度检测系统的设计
1引言
1.1项目的研究背景
随着人民生活水平的提高和对环境问题及健康问题的日益重视，室内空气品质状况受到越来越多的关注。
由于现代生活节奏的加快，人们在起居室、办公室等室内环境的滞留时间越来越长。
如果把工作、居住和休闲的时间都加在一起，在西方工业发达国家人们在室内停留的时间己达全天的93%左右，而我国也超过了全天的85%室内空气品质状况直接影响人们的身体健康。
恶劣的室内空气是不良建筑物综合症的主要原因。
美国环境保护局（EPA）与世界卫生组织（WHO）进行的联合调查表明，有大约20%的美国建筑存在严重的室内空气污染，40%有一定程度的室内空气污染，另40%存在轻微或没有室内空气污染[1]。
根据美国环境健康总署的调查，室内主内空气污染常常是室外空气污染浓度的2-3倍，在冬季缺乏通风，使用燃料取暖炉等情况下甚至高达100倍。
一般家庭室内可检测到的污染物多达300种，而有68%的人体疾病与室内空气污染有关。
美国职业安全及健康局的报告认为，在美国，企业因室内空气恶劣而造成的工时损失平均约每人每日14-15分钟[2]。
1.1.1气体危害现状
仅以人类自身来说，其日常生活和生产活动都与周围的大气环境密切相关，大气的变化对人类有极大的影响。
空气中还有有毒气体，会给人类带来灾难。
可燃气体的泄露会引起爆炸和火灾使人类的生命和财产遭受损失。
随着工业规模逐渐扩大，产品的种类不断增多，气体原料和生产过程中的产生的气体种类和数量不断增多，尤其是石油﹑化工﹑煤炭和汽车等工业发展，致使大气污染日益严重。
酸雨﹑温室效应和臭氧层破坏成为严重的环境问题。
环境污染已逐渐影响到人类的生存。
因此，对人类生存和生产环境中的各种气体，气味进行准确的检测和分析是必要的。
近几年的研究注意到，居室的室内污染问题也越来越为突出，严重威胁人体健康。
长期生活和工作在有污染的室内环境中，易出现不适感，症状多为头痛﹑流鼻涕﹑眩晕﹑行动迟缓和记忆力衰退等，世界卫生组织将此种现象称为“致病建筑物综合症”。
有资料显示新装修的家庭居室中常见的有害物质大约300多种，其中易对人体造成伤害，甚至致癌的有20多种，主要包括苯﹑甲苯﹑二甲苯﹑乙苯等挥发性有机气。
易燃易爆气体也是不容忽视的有害气体[3]。
如果此方面未得到有效控
制与管理的话，为其后果所付出的代价是极为巨大的。
由以上可以看到易燃﹑易爆﹑有毒气体等问题已经严重危害人民的生命和财产安全以及全社会的发展和安全。
解决这些问题的关键是迅速准确的检测到这些相关有毒﹑有害气体，这便是气敏传感器发展的客观依据。
1.1.2气体检测现状
气体种类繁多，有些有毒有害，有些易燃易爆。
人类生存和活动的环境无一可以撇开气体对象。
现代化生活的飞速发展，导致了城市气体越来越复杂，对人类的影响也越来越大。
液化石油气的开发利用大大造福于家庭生活，同时也带来了更多的爆炸或火灾隐患。
为了确保大气环境的“质量”和家庭用气的安全，就离不开准确有效的气味检测与报警手段:
许多作业过程（如炼钢、发酵、冶金、矿井以及汽车）都需要对相关气体进行严格监控或快速调节，否则将招致重大事故与损失[4]。
正因为气体与人类的生存和活动如此密切相关，人类很早就开始了对气体的检测及控制方法的研究。
目前，酒类、烟草、茶叶等食品的质量主要是靠人的感官来进行判断，感官评定主要依赖人的生理和心理条件，其本身是一门精巧的技术。
这类工作通常需要训练有素、经验丰富的专家进行。
人工鉴别带有很大的主观因素。
从某种意义上讲，由于受经验、情绪等主观因素的影响，感官评定方法的评判结果随鉴别人员的不同而存在相当大的个体差异，即使同一人员也随其身体状态、情绪变化等的不同而产生不同结果[5]。
由此可见，人的感觉器官的缺点包括主观性，重复性差（即，结果随测试时间，健康情况，先前分析的气味，疲劳程度，等等因素波动），耗时长和花费人力巨大。
另外，人的感觉器官不能用于检测有毒气味、连续工作和远程操作。
另外，工程师和化学家利用一般比较廉价和简便的化学或生化传感器，或利用昂贵复杂的分析化学仪器，如气相色谱仪（GC）和质谱仪（MS），对有毒和无毒气味进行分析。
这两种方法的共同缺点是其试验结果并不是直接与一个气味的鉴别相关联。
例如，单个化学传感器不能直接用来鉴别具体的咖啡香味。
分析化学家们用气相色谱仪和质谱仪（GC/MS）检测的结果也是如此。
而且，GC和GC/MS系统结构复杂，操作繁琐，造价昂贵，测试周期长，需要人进行大量的干预以进行分析，不能进行连续检测[6]，等等。
1.2项目的研究意义和应用背景
从上面可以看出有许多种气体检测技术可帮助今天的工业来保护人类和生产，当然，每一种技术都有优点和缺点。
从实际生活中可以了解没有单一最好的方法，而只有根据具体的实际情况由多种技术组合成的最好的气体检测系统。
当气体传感器技术发展的如火如荼之时，气体传感器测试家属的发展并未跟上气体传感器技术发展的速度。
目前我国气体传感器行业已有十几家中小规模的生产企业，气体传感器生产线已经很大，具备很强的生产能力，但是对于研究探索气体传感器应用的科研人员来说,有个很大的困难就是实现气体传感器的检测和选择[7]。
基于气体检测系统在现实生活中的重要作用和测试系统的发展价值，国内外的科研人员对气体检测系统的测试做了深入研究。
1.3本课题主要研究内容
本课题主要内容包括室内空气主要污染物及危害，半导体气体传感器的工作原理，以及检测系统的软硬件组成。
第一章主要介绍了国内及国外的气体检测的要求，现状及发展。
了解气体浓度检测系统在现实生活中的重要作用和测试系统的发展价值。
第二章主要介绍室内空气主要污染物及危害。
室内主要污染物包括酒精、甲烷、一氧化碳等，当浓度超过一定的限度，会对人的身体健康造成不利影响。
第三章主要介绍半导体气体传感器工作原理。
为了对甲醛、甲烷、一氧化碳检测，分别采用了MQ-138、MQ-7、MQ-4三种传感器，本部分详细介绍了传感器的工作原理，及测量信号与浓度值得对应关系。
第四章主要介绍系统硬件设计。
硬件电路由数据采集、数据转换、数据处理、结果显示和报警等部分组成，本设计所用到的芯片有AD0809模数转换芯片、AT89C51单片机还有一些气体传感器、复位电路、驱动电路、LED显示模块。
第五章主要介绍系统软件设计。
软件部分包括数据采集、处理、显示、报警等部分。
第六章主要介绍毕业设计总结，主要讲述本人在做毕业设计的过程中的一些心得体会。
2室内有毒气体介绍
2.1室内空气品质（IAQ）
室内空气品质（IndoorAirQuality,IAQ）是上世纪80年代末在环境科学、卫生学、暖通空调（HVAC）等学科基础上发展起来的一个科学分支，在90年代以来得到了广泛的重视与研究。
在89室内空气品质讨论会上，丹麦哥本哈根大学教授P.O.Fang提出:
品质反映人们要求的程度，如果人们对空气满意，就是高品质;反之，就是低品质。
英国的CIBSE（CharteredInstituteofBuildingServicesEngineers）认为:
如果室内少于50%的人能察觉到任何气味，少于20%的人感觉不舒服，少于10%的人感觉到刺激，并且少于5%的人在不足2%的时间内感到烦躁，则可认为此时的室内空气品质是可接受的。
这两种定义的共同点是都将室内空气品质完全变成了人们的主观感受。
在ASHRAE标准G2-1989R中，首次提出了可接受的室内空气品质（acceptableindoorairquality）和感受到的可接受的室内空气品质（acceptableperceivedindoorairquality）等概念[8]。
其中，可接受的室内空气品质定义如下:
空调房间中绝大多数人没有对室内空气表示不满意，并且空气中没有已知的污染物达到了可能对人体健康产生严重威胁的浓度。
感受到的可接受的室内空气品质定义如下:
空调房间中绝大多数人没有因为气味或刺激性而表示不满。
它是达到可接受的室内空气品质的必要而非充分条件。
由于有些气体，如氨、CO等没有气味，对人也没有刺激作用，不会被人感受至，但却对人危害很大，因而仅用感受到的室内空气品质是不够的，必须同时引入可接受的室内空气品质。
因此，空气品质的评价实际上是人为感受与客观有害污染物浓度的综合评价。
“室内空气品质评价一般采用量化监测和主观调查结合的手段进行。
其中的量化监测是指直接测量室内污染物浓度来客观了解、评价室内空气品质，主观评价是指利用人的感觉器官进行描述与评判工作”[9]。
2.2主要污染源
室内空气品质受到多方面的影响和污染，从其性质来讲，可分三大类:
第一大类是化学的，胜要来自房屋装修、家具、玩具、煤气热水器、杀虫喷雾剂、化妆品、吸烟、厨房的油烟等等，其成分主要是挥发性的有机物如甲醛、甲苯、醋酸乙酷、甲苯二异氰酸等等和无机化合物如氨、CO,C02等;第二大类是物理的，包括不适的温度、湿度环境、悬浮颗粒（灰尘）、烟雾、核辐射、电磁辐射等等。
第三大类是来自于生物的，毛绒来自使用地毯不当，毛绒玩具、被褥等，主要有螨虫及其它细菌等[10]。
本课题主要针对第一类室内空气污染进行检测。
下面讨论主要的化学的来源、性质和危害。
2.2.1一氧化碳
一氧化碳是一种无色、无味气体，极易与血红蛋白结合生成碳氧血红蛋白。
是一种有毒气体。
一氧化碳是最主要、最常见的室内污染物之一。
它通常来源于含碳物质的不完全燃烧。
炉火、厨房燃气、家用煤气（非天然气或液化石油气）的泄露等都是室内一氧化碳产生的原因。
同时，吸烟也是一个重要的一氧化碳产生源，尤其是在没有燃烧炉具等的办公室等室内场合。
一氧化碳对健康的影响直接表现在其与血红蛋白结合生成的产物COHb在血液中的浓度上。
一氧化碳通过呼吸与血红蛋白结合，其结合的能力比氧气高200倍。
这将造成血液中氧气传输量的下降，超过一定浓度时造成人体组织的缺氧窒息。
一般来讲，通常的新陈代谢产生的COHb的浓度在0.5%-1.0%，而在非吸烟人群中血液平均COHb浓度为1.2%-1.5%。
吸烟者体内的平均COHb浓度在3%-4%，吸烟较多者甚至达到10%（数据发表自世界卫生组织，1987）连续处在30ppm浓度的一氧化碳环境下，人体血液中的COHb浓度将平衡于5%;在20ppm环境下平衡于3.7%）10ppm环境下为2%。
一般来说，大于10%的COHb含量将对心血管和神经系统造成影响，2.5%的COHb会使肺心病患者症状加重，低于2%的浓度下尚无对人体产生影响的报道。
一般认为2%-3%的浓度不会对健康人产生影响。
因此大部分国家的空气质量标准中，将CO的浓度定于小于10ppm（见附表:
各国室内空气品质标准）。
我国现有的CO报警器，一般将10Oppm-200ppm作为报警浓度。
因为这种浓度的CO在短时间内尚不会对健康人产生明显的影响[11]。
2.2.2甲醛
甲醛CHCHO）是一种无色易溶的刺激性气体，易挥发，所以在室内空气品质研究中，将其归为VOC，即挥发性有机化合物（VolatileOrganicCompounds）。
其水溶液即“福尔马林”甲醛具有强烈刺激性气味，其毒性主要表现在神经系统及呼吸系统症状。
当室内甲醛含量为0.1mg/m³，时就有异味和不适感;0.5mg/m³可刺激眼睛引起流泪;0.6mg/m³时引起咽喉不适或疼痛;浓度再高可引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘甚到市气肿;当空气中达到30mg/m³时可当即导致死亡。
甲醛是室内挥发性有机物中最主要和最具危害的污染源，其广泛存在于室内装修材料如壁纸、地板、油漆、胶水等。
例如，因为人造板是造成室内空气中甲醛超标的主要因素，世界上不少国家对人造板的甲醛的散发值作了严格的规定。
国际标准是穿孔测试值必须小于1Omg甲醛/100g板[12]。
但市场上大量建材实际上远远超过了这一指标，成为室内空气品质恶化的主要原因之一。
大量的使用不符合标准的建筑材料也是新装修的房屋常常造成居住者明显不适的主要原因。
中国消费者协会提请国家人造板质量监督检验中心于1999年初对北京市场销售的21种牌号的装饰板进行了比较试验。
我国目前还没有对装饰单板贴面胶合板甲醛释放量进行规定，采用的是日本的JASNO.516-1992标准，该标准对甲醛释放量指标明确分为3级，最高级为≤1Omg甲醛/100g板。
对21种样品的试验，有15种样品的甲醛释放量超过指标，占71.4%，使用这样的产品势必会给居室环境造成污染，直接危害消费者的健康。
我国于1996年颁布了《居室空气中甲醛的卫生标准》，明确规定居室空气中甲醛的最高允许浓度为0.6ppm即0.08mg/m³。
2.2.3甲烷
甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。
健康危害：
甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。
当空气中甲烷达25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。
若不及时远离，可致窒息死亡。
皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。
2.2.4物理污染
物理污染指尘埃、放射性、电磁辐射等物理因素造成的污染。
其中，放射性污染造成的危害最为严重。
放射性污染主要来自建筑石材、土壤等含有的氡，镭等放射性元素。
其中氡的污染最为普遍，不容忽视。
氡是由放射性元素镭衰变产生的，是自然界中唯一的天然放射性气体。
氡是一种无色无味气体，容易被忽视。
氡原子在空气中的衰变产物被称为氡子体，为金属粒子。
在常温下，氡及氡子体在空气中能够形成放射性气溶胶而污染空气环境。
人类在高浓度氡的作用下，机体会出现红细胞的变化。
氡对人体脂肪有很高的
亲合力，特别是氡与神经系统结合后，对人体的危害更大。
当人们将氡吸入体内后，
氡衰变产生的a粒子可以在人的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。
室内氡的危害直到20世纪60年代才被发现，研究表明，氡对人体的辐射的伤害占人体一生中所受到的辐射伤害的55%以上，其诱发肺癌的潜伏期大多在15年以上。
世界上有1/5的肺癌患者的发病原因与氡有关。
氡是导致人类引发肺癌的第二大“杀手”，是除吸咽以外引起肺癌的第三大因素。
世界卫生组织（WHO）的国际癌症研究中心（CARC）以动物实验证实了氡是当前认识到的19种主要环境物质之一。
氡主要源于房屋地基土壤、以及花岗岩、砖砂、水泥及石膏之类建筑材料之中。
在室外空气中氧的辐射剂量是很低的，可是，一旦进入室内，就会在室内大量积聚。
室内氡还具有明显的季节变化，通过试验表明，冬季最高，夏季最低。
室内通风状况直接决定了室内氡气对人体危害性的大小。
另外，厨房使用的天然气也可能释放出氡[13]。
2.3室内空气标准
目前我国专门针对家庭、写字楼的室内空气品质的标准尚未出台，有关方面称正在制定中，有望在2002年公布。
如表2.1是一些国家和地区的室内空气标准和建议值。
表2.1当今先进国家和地区的环境参数标准及建议值
台湾
美国
英国
日本
瑞典
荷兰
俄国
建议值
温度
23-28
20-22
18-28
18-20
18-21
18-28
相对湿度（％）
40-70
20-60
20-80
40-70
50-55
30-70
平均风速（m/s）
0.15-0.5
0.2
0.5
0.1-0.25
悬浮颗粒（g/m³）
150
100
150
140
150
二氧化碳（ppm）
1000
2500
3500
1000
1000
一氧化碳（ppm）
10
9
25
10
35
10
二氧化氮（ppb）
50
80
50
臭氧（ppb）
50
120
80-100
二氧化硫（ppb）
25（日平均）
133
25
甲醛
（ppb）
新房
200
100
100
100
100
旧房
500
400-700
2.4本章小结
本章主要介绍室内空气主要污染物及危害。
室内主要污染物包括酒精、甲烷、一氧化碳等，当浓度超过一定的限度，会对人的身体健康造成不利影响。
并分析了此次设计所能监察的气体，为下一章具体设计气体浓度做出了具体要求。
3半导体气体传感器工作原理
3.1各种气体传感器分析
目前按照气敏特性来分，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。
3.1.1半导体型气体传感器原理及其优缺点
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。
自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当今应用最普遍、最实用的一类气体传感器。
它具有成本低廉、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[14]。
3.1.2电化学气体传感器
电化学气体传感器是通过检测电流来检测气体的浓度，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，目前可以检测许多有毒气体和氧气，后者还能检测血液中的氧浓度。
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[15]。
3.1.3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。
3.1.4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[16]。
3.1.5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。
3.1.6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检测气体。
目前因为它的结构关系一般造价颇高。
本项目综合考虑了各种情况，最终选择了半导体气体传感器，作为检测器件。
气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来，并将其转化为电信号的器件，是气体传感器阵列的核心元件。
而气体传感器阵列是电子嗅觉系统的关键组成单元，由对不同气味有不同灵敏度的气敏元件组成，这些气敏元件具有广谱响应特性、交叉灵敏度大的特性[17]。
一般，气体传感器阵列可采用数个单独的气体传感器组合而成，并采用集成工艺制作，体积小，功耗低，便于信号的集中采集与处理。
单个气体传感器与气敏阵列在特性上有质的区别，单个气体传感器对气体的响应可用强度来表示，而气敏传感器阵列除了各个传感器的响应外，在全部传感器组成的多位空间中形成的响应模式，在环境条件一定的情况下，阵列上的响应模式与其激励是一一对应的，而这是该系统能对多种气味和气体进行辨识的关键所在。
3.2器件的选择
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，首先最重要的工作是选择合适的传感器，通过对性能、可实现性、价格等的对比。
针对酒精气体，选择的是MQ-138A甲醛传感器，针对一氧化碳气体，选择的是MQ-7一氧化碳传感器，针对甲烷气体，采用的是MQ-4半导体气体传感器，由这三种传感器组成传感器阵列。
3.2.1MQ-138甲醛传感器
MQ-138是一种二氧化锡半导体型甲醛气体传感器，对甲醛具有高的灵敏度和快速的响应性，适于便携式甲醛探测器和汽车燃火系统等。
半导体气体敏感部分是一个微型珠状小球，内嵌加热丝和金属电极，这种敏感元件安装在有防爆功能的双层100目不锈钢网的金属壳内[18]。
元件的测试电路。
通过固定或可调外接负载电阻上电压的变化获得元件电阻的变化。
为了使元件发挥其好的功能和特定的性能，加热电压、回路电压和负载电阻须限制在下页图表所示的标准工作条件内。
传感器通电后通常需要数分钟的预热方可进入稳定工作状态，也可在正常检测前给传感器施加5-10秒钟2.2±0.2V的高电压，使传感器尽快稳定并进入工作状态。
MQ-138的灵敏度特性曲线图。
灵敏度特性图反映了元件电阻和气体浓度之间的关系。
元件的电阻与气体的浓度呈对数关系，随气体浓度的增加而减小。
如图3.1所示。
图3.1灵敏度特性曲线
表3.1灵敏度特性
型号
MQ-303A
符号
参数名称
技术条件
备注
Rs
元件电阻
（4kto400k）
在洁净空气中
电阻比
（0.50/0.15）
Rs（300ppm酒精）/Rs（100ppm酒精）
标准测试条件：
温度:
20oC—2oCVC:
3.0V—1VDC
湿度:
65%—5%VH:
0.9V—1VDC
RL:
可调
预热时间：
大于48小时
表3.2标准工作条件
符号
参数
技术条件
备注
VH
加热电压
0.9V±0.1V
ACorDC
VC
回路电压
≤6V
DC
RL
负载电阻
可调
PS<10mW
RH
加热电阻
4.5—0.5
室温
IH
加热电流
≤130mA
PH
加热功率
≤130mW
PS
元件功率
≤10mW
表3.3技术条件
符号
参数
技术条件
备注
Tao
使用温度
-20oC—50oC
推荐使用范围20ppm-1000ppm甲醛
Tas
储存温度
-20oC—70oC
RH
相对湿度
≤95%RH
（O2）
氧气浓度
21%±1%（标准条件）氧气浓度影响灵敏度
不得小于18%
3.2.2MQ-7一氧化碳传感器
MQ-7气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。
采用高低温循环检测方式低温检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温清洗低温时吸附的杂散气体。
使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器[19]。
外形结构如图3.2所示。
图3.2一氧化碳传感器外形结构
传感器的基本测试电路需要施加2个电压：
加热器电压VH和测试电压VC。
其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。
VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻RL上的电压VRL。
这种传感器具有轻微的极性，VC需要直流电源。
在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。
为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。
基本测试回路如3.3图所示。
图3.3基本测试回路
灵敏度特性曲线，图中纵坐标为传感器的电阻比（RS/RO），横坐标为气体浓度。
RS表
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