基于单片机的便携式有害气体检测装置毕业设计

毕业设计说明书 基于单片机的便携式舱室有害气体采集装置 学生姓名： 赵亚西 学号： 09020341学 院： 信息商务学院 系 名： 机械工程与自动化 专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 黄晋英 2013 年 6 月 中北大学信息商务学院 09 届 毕业设计说明书 摘 要 随着我国经济的快速发展 ，人们对生活水平和空气质量提出了更大挑战。 通常，密闭空间内都可 能会存在很多的有毒气体，它既可以是在密闭空间内已经存在的，也可能是在工作过程中产生的。有时，某些物质的短期突然挥发还会出现一些莫名其妙的物质，因此密闭空间内的有毒气体的种类可能是多种多样的。空气中的有毒物质一般是根据它们对于处在其空间中的人的生理学影响分为两类： （ 1） 刺激性气体 ， 是指对眼和呼吸道粘膜有刺激作用的气体 ， 它是化学工业常遇到的有毒气体。刺激性气体的种类甚多，最常见的有氯、氨、氮氧化物、光气、氟化氢、二氧化硫、三氧化硫和硫酸二甲酯等。 （ 2） 窒息性气体 ， 是指能造成机体缺氧的有毒气体 ， 窒息性气体可分为单 纯窒息性气体、血液窒息性气体和细胞窒息性气体。如氮气、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳、硝基苯的蒸气、氰化氢、硫化氢等。 有毒物质可以对人造成两种时间段的症状：急性或慢性。因此必须制订工作空间中各类物质的暴露水平为安全防护提供依据。在其中所待的时间和有毒气体的存在浓度有一定的关系，超过这些规定的暴露水平就会对人身安全构成极大的威胁。 基于以上可以看出，有关气体的浓度问题显得尤为重要。为便于设计和测量，本文选取了 设计为四通道，可按需要自由添加其它传感器），研究设计了一种可以测量多种气体浓度的 便携 式舱室有害气体采集装置 ，其设计方案基于 片机，有关气体浓度传感器来实现。系统将传感器回路输出的信号通过 A/由单片机进行数据处理，由 示浓度值。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 从而 单片机用作下位机进行数据采集和设备控制，而文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程、数据显示子系统以及 单片机与 计方法和过程。 关键词 ：有害气体，数据采集 ， 单片机 ， 多通道 ， 北大学信息商务学院 09 届 毕业设计说明书 s to be an it be in a be in of be so of in be in is on in s is (1) to a to it is a of (2) to be as of of or So we of in is a in of of a to on be to is In to H4 of be to of is to a be a of to , by CD to CU C SB PC of of of C 9 届 毕业设计说明书 I 目录 第 1 章 绪论 . 1 题的目的和选题的意义 . 1 内外研究现状 . 1 文主要内容 . 2 第 2 章 总体方案及元器件简介 . 3 介 . 3 数转换器简介 . 6 晶显示器的简介 . 9 其测量电路的特点 . 10 点及其测量电路原理 . 12 据选择器 . 14 接芯片 . 14 件简介 . 15 真软件简介 . 16 第 3 章 硬件设计 . 16 小系统的实现 . 16 号采集电路 . 18 于气体浓度单位的说明 . 19 ：硬件设计原理图 . 32 附录 2： 真 . 33 附录 3： 11260 . 34 附录 4：单片机程序 . 35 致 谢 . 44 参考文献 . 45 中北大学信息商务学院毕业设计说明书 1 第 1 章 绪论 题的目的和选题的意义 随着我国经济的快速发展，全国机动车辆数量和驾驶员人数猛增， 在各种密闭的移动舱室环境中，由于舱室空间较小，密闭性较强，强制通风虽然可在一定程度上降低有害气体的浓度，但在某些作业条件下， 有害气体浓度仍可维持在一定水平1。存在大量气体状态污染物，这些气体污染物以分子状态存在，大部分为无机气体，例如 行驶条件下，车内 苯的浓度无显著性季节差异 2。而长期接触低浓度 晕、耳鸣、无力、记忆力减退及睡眠障碍灯神经系统症状； 可经 对肺组织可产生剧烈的腐蚀和刺激作用，使肺泡毛细血管通透性增加，进而形成肺水肿，并可启 动细胞膜质过氧化作用，进一步导致细胞膜结构损伤和功能障碍；其他气体如 大量吸入后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽等，并伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等 ,甲醛也有潜在的致癌危险性 3 汽车内有害气体的污染主要由苯、甲苯、二甲苯、甲醛、丙酮等有机溶剂蒸气造成。有害气体主要来自于两个方面，首先是汽车本身的内饰件。目前我国家庭汽车市场的需求十分旺盛，很多厂家的汽车下了生产线就直接进入市场。如果总装厂对汽车零部件的质量把关不严格，不符合环保要求的塑料件、地毯、车顶毡、座椅等会直接造成车内的空气污染。其 次是源于车主选择的汽车装饰。含有有害物质的真皮、海绵、地胶、地垫、黏合剂等不同程度地造成车内的空气污染，威胁到人体健康 6,7。 内外研究现状 日本在车内气体检测方面研究起步较早。自 1962年，日本学者 进一步做了理论研究，他们首先导入了气体检测器 (念。而后，各国研究者相继在这方面做了大量工作。上个世纪七八十年代，日本株式会社电装设计出了一种基于粉尘有害气体的传感器的车载空调控制系统，这种系统能控制车内在粉尘有害气 体较多情况下启动空调系统换气 8。 中北大学信息商务学院毕业设计说明书 2 1992年，意大利的 1996年，加拿大 2005年，韩国 N 集成了温度检测、湿度检测、气体检测等多种功能，它可以应用于有限空间的空气参数提取，并应用到相应控制系统中 9。在气体检测方面的研究近些年在国内外进展很快，但也问题不少，如 检测精度灵敏度稳定性有限 10。 国内目前有人研制出 采用气体类检测模块，通过无线遥测的方法，使远方的监测站可靠地获得移动舱室内各种有害气体的环境数据 。该系统 采用无线遥测技术实时采集和记录车辆在静止和行进过程中舱室内的有害气体、温湿度等状态参数和环境参数，以便分析有害气体对舱室人员身心健康的影响 11,12。系统可实时监测静止及移动中密闭舱室环境中的多项指标，测试数据可全部存储，同时能通过无线方式实时传送到数公里外监控车上的监测中心。 测试方法是让 监测系统事先把有害气体监测仪安装在舱室内的固定位置上，在监测过程中监测仪将采集到的信号一方面进行本地存贮，另一方面通过 85接口协议送入遥测发射装置，遥测发射装置将接收到的数据流进行编码，形成标准的 射机变成无线电波向空间发射出去，遥测地面监测中心把这些信号接收下来进行处理并绘成曲线，这样就可直观地实时监测到舱室在移动过程中的环境变化情况。 文主要内容 本论文主要完成气体浓度采集装置的设计，设计的内容包括： A/盘检测、数据显示、接口通信等。 本系统采用单片机为控制核心，以实现装置的基本控制功能。系统主要功能内容包括：数据信号采集滤波、开始测量、键盘检测控制、数据显示、 本系统设计采用功能模块化的设计思想，本论文内容分为以下几个章节：设计器件简介和选择；硬件的设计；软件的设计和系统调试。 中北大学信息商务学院毕业设计说明书 3 第 2 章 总体方案及元器件简介 本次设计的总体框图如下图 硬件设计部分主要模块包括采集模块、转换模块、处理模块、显示模块、数据传输模块以及控制模块，主要元器件包括： A/D、 电源 、数据选择器、传感器、 下做一些器件的简介。 介 本系统的数据采集以及控制部分以单片机为核心。我们选择单片机 要基于考虑 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 储器 ， 512字节 基本够用。 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 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，片内振荡器及时钟电路， 可以在线编程。同时 降至 0支持两种软件可选的节电工作模式。空闲模式下， 止工作，允许 时器 /计数器、串口、中断继续工作。 。掉电保护方式下， 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 别是可反复擦写的 适应不同产品的需求。 源电压 感器 单片机 A/换 电 路 甲醛传感器 其他传感器 多路数据选择 键盘 中北大学信息商务学院毕业设计说明书 4 地 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 振荡器反相放大器的输出端。 图 位漏极开路型双向 I/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 端口 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，在访问器件激活内部上拉电阻。在在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 位双向 I/收或输出电流） 4个 端口写“ 1”，通过内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，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 计数器 2的外部计数输入（ 2）和输入 (2 1接收低 8位地址。表 表 北大学信息商务学院毕业设计说明书 5 引脚号 功能特性 2： 定时器 /计数器 2外部计数脉冲输入，时钟输出 2 定时器 /计数器 2捕获重装载触发和方向控制 一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/输出缓冲级可驱（吸收或输出电流） 4 个 辑门电路。对端口 “ 1”，通过内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，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ 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 令）时， 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 I 指令）时， 输出 时一组带有内部上拉电阻的 8位双向 I/收或输出电流） 4 个 辑门电路。对 写入 1 时，它们被内部上拉电阻拉高并 可作为输入端口。此时，被外部拉低的 将用上拉电阻输出电流（ 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 外， 还接收一些用于 速存储器编程和程序校验的控制信号。 位输入。当振荡器工作时， 脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 访问外部程序存储器或数据存储器时， 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， ，因此它可对外输出时钟或用于定时目 的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 引脚还用于输入编程脉冲（ 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ 中的 80 位复位，可禁止 作。该位置复位后，只有一条 令才能将 外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当 89数据）时，每个机器周期两次 错误 !未找到引用源。有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 中北大学信息商务学院毕业设计说明书 6 号。 部访问允许。欲使 址为 000必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位 编程，复位时内部会锁存 如 为高电平（接 执行内部程序存储器中的指令。 引脚加上 12然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 表 端 口引脚 具体第二功能 行输入口） 行输出口） 中断 0） 中断 1） 0（定时 /计数器 0） 1（定时 /计数器 1） R（外部数据存储器写选通） D (外部数据存储器读选通 ) 数转换器简介 实现 A/计数法、逐次逼近法、双斜积分法和 并行转换法。由于逐次逼近式 A/辨率高等优点，而且采用这种方法的 以我们采用逐次逼近式 A/次逼近型 个比较器、一个数模转换器、 1 个逐次逼近寄存器（ 1 个逻辑控制单元。逐次逼近型是将采样信号和已知电压不断进行比较，一个时钟周期完成 1位转换，依次类推 ,转换完成后，输出二进制数。这类型 分辨率和采样速率是相互牵制的。优点是分辨率低于 12位时，价格较低，采样速率也很好。 8位分辨率 A/最高分辨可达 256 级，可以适 应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 0间。芯片转换时间仅为 32S ，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处中北大学信息商务学院毕业设计说明书 7 理器控制变的更加方便。通过 据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 其具体特点如下： 分辨率； ； 兼容； 源供电时输入电压在 05V 之间； 50换时间为 32S ； 15 14P 列直插）、 种封装； C 70C ，工业级芯片温宽为 40C 85C ； 芯片接口说明： 选使能，低电平芯片使能。 拟输入通道 0，或作为 拟输入通道 1，或作为 片参考 0 电位（地）。 据信号输入，选择通道控制。 据信号输出，转换数据输出。 片时钟输入。 源输入及参 考电压输入（复用）。 图 位的、以逐次逼近原理进行模 数转换的器件。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路模中北大学信息商务学院毕业设计说明书 8 拟输入信号中的一个进行 A/ 主要特点： , 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。 片有 28 条引脚，采用双列直插式封装。其引脚 图如图 图 下面说明各引脚功能： 8路模拟量输入端。 3位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路 址锁存允许信号，输入高电平有效。 A/D 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100）使其启动（脉冲上升沿使 0809复位，下降沿启动 A/ A/D 转换结束信号输出，当 A/端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 据输出允许信号，输入高电平有效。当 A/D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640 +）、 -）：基准电压。 源，单一 5V。 中北大学信息商务学院毕业设计说明书 9 。 鉴于 位分辨率、双通道 A/D 转换、输入输出电平与 兼容、 5 5作频率为 250换时间为 32 微秒、一般功耗仅为 15特点 完全能满足设计所需要求， 并且价格便宜， 所以在本设计中采用 晶显示器的简介 为了从单片机上直接了解当前采集信号的信息和机器状态，可在单片机上安装数码管（ 液晶屏（ 数码管只能显示一些数字信息，很难从这些数字了解机器的状态。液晶显示模块是一种常用的人机界面，其在单片机系统中应用极为广泛。液晶显示模块既可显示字符，又可显示简单图形。在本设计中选用液晶屏 功耗、长寿命、高可靠性 。 92 种字符 (160个 5 7点阵字符和 32个 5 10点阵字符 )。 4个字节的自定义字符 自定义点阵字符 。 透、正显 。 1/16并口， 1/5串口 。 部 4位或 8位并口可选 。 配 6800 系统 表 表 显示容量 16 2个字符 芯片工作电压 作电流 模块最佳 工作电压 符尺寸 带中文字库的 128一种具有 4 位 /8 位并行、 2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨中北大学信息商务学院毕业设计说明书 10 率为 128 64, 内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 符集 便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 8 4 行 16 16 点阵的汉字 . 也可完成图形显示 该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶 显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块；基本特性 : 128 64点 供 8192个 16 16点阵汉字 (简繁体可选 ) 128 个 16 8点阵字符， 2钟频率 透、正显，驱动方式： 1/321/5视角方向： 6点，背光方式：侧部高亮白色 耗仅为普通 1/10 行、并口可选，内置 电路，无需外加负压 化软件设计，工作温度 : 0 度 - +55 度 ,存储温度 : - +60度。 在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个有点： 显示质量高；数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便；体积小、重量轻 ；功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 而耗电量比其他显示器要少的多。 其测量电路的特点 应速度快 ， 具有良好的重复性、选择性 。 元件工作稳定、可靠 2S 中毒。 其 特性图和响应曲线见图 应用：工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测；可燃性气体泄漏报警器；可燃性气体探测器；气体浓度计等。 其模块详细参数见表 中北大学信息商务学院毕业设计说明书 11 图 敏度特性及响应恢复特性 表 A：标准工作条件 B：环境条件 符号 参数名称 技术条件 备注 回路电压 . 1V AC C 加热电压 . 1V AC C 负载电阻 可调 加热电阻 33 5% 室温 加热功耗 800 工作电压 (V) 作电流 (90 10 灵敏度 （ 1%甲烷 15%丁烷 30%氢气 20形度（ %） 5 测量范围（ 0 100 响应时间 (90%) 小于 10 秒 恢复时间 (90%) 小于 30 秒 使用环境 +70 低于 95% 储存环境 +70 低于 95%形尺寸（ 14 19 8 10 14 中北大学信息商务学院毕业设计说明书 12 C：灵敏特性 点及其测量电路原理 定性 敏元件的结构和外形如图 由微型 感层 ,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有 6只针状管脚，其中 4个用于信号取出， 2个用于提供加热电流。测量电路如图 符号 参数名称 技术条件 备注 使用温度 储存温度 相对湿度 小于 95% 氧气浓度 21%(标准条件 ) 氧气浓度会影响灵敏度特性 最小值大于 符号 参数名称 技术参数 备注 感体电阻 1 8 (200) 适用范围： 10 （ 200/100） 度斜率 标准工作条件 温度： 20 2 相对湿度： 65%5% 预热时间 不少于 24小时 中北大学信息商务学院毕业设计说明书 13 图 图 量电路 图 图 出了 中：温度： 20、相对湿度： 65%、中北大学信息商务学院毕业设计说明书 14 氧气浓度： 21%、 0在本设计中，其值固定 )、 件在不同气体，不同浓度下的电阻值、 件在洁净空气中的电阻值。 图 图 20， 33%浓度的乙醇蒸气中元件电阻。 不同温度，湿度下， 浓度的乙醇蒸气中元件电阻。 灵敏度调整： 气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类 型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。我们建议您用 (约 200度的乙醇蒸气校准传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。 据选择器 在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器，也称 多路选择器 或 多路开关。 数据选择器 (逻辑功能是在地址选择信号的控制下，从多路数据中选择一路数据作为输出信号 。 有 2选 1， 4 选 1、 8 选 1 和 16 选 1 等类型的数据选择器 。 有数字信号的数据选择器，如 7474有针对模拟信号的 数据选择器，如 74本设计中，主要是选通模拟输入信号，故用 74 接芯片 性能参数：采用 装，尺寸仅为 5 15 的升级产品。其集成度高，内置 速功能控制器、 发器、晶体振荡器、异步串行数据总线，支持调制调节器全功能信号，无需要任何外部的 件。 特性如下： 发器，无需外界电路器 需外接电路器 12 字节的 生厂商的 品的 源参数、器件版本号和产品说明。 范的要求 脚支持 、停止位 1、 2和校验位 00b/ss 512 字节接收缓冲器和 512字节发送缓冲器 件简介 单片机开发