基于单片机气体浓度检测系统的设计本科毕业设计(论文)文档格式.docx

1、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

2、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3发性有机气。易燃易爆气体也是不容忽视的有害气体 。如果此方面未得到有效控34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

3、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。

4、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

5、 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7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

6、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。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、

7、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

8、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（Indoor Air Quality, 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（Chartered Institute of Building Services Engineers） 认为:如果室内少于 50%的人

9、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（acceptable indoor air quality） 和感受到的可接受的室内空气品质 （acceptable perceived indoor air quality ）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

10、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

11、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

12、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

13、 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

14、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（Volatile Organic Compounds）。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 0.1 mg/m，时就有异味和不适感;0.5 mg/m可刺激眼睛引起流泪;0.6mg/m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 30 mg/m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