毕业设计（论文）-基于单片机的检测家居内有毒害气体系统.doc

Is摘要近些年，房市交易大幅度增加，室内装潢材料的质量问题和房屋建造用料的工程污染问题，以及煤燃气设备的普及造成室内空气质量每况愈下，使家居呼吸环境和办公空气质量受到到人们的重视。与此同时市场上有关检测室内有害气体的仪器与机构也相继发展起来，但市面上的气体检测仪主要还是针对单一有害进行检测，且操作复杂不适于家用。专门检测室内有害气体的公司，缺点是只能做到短期测量且价格不菲。面对这样的情况，通过对市场上相关方面的调查与研究做到与时俱进，现需要一种针对室内环境多种有害气体的检测报警装置。本设计旨在研究设计一种基于单片机微处理器的检测家居内有毒害气体并能给予及时报警的系统装置。该设计系统采用STC89系列集成电路微处理器作为核心控制器，利用气敏元件MQ系列的MQ-4和MQ-135用来收集检测室内的空气环境质量，与此同时显示屏可以同步显示所测气体数据，其中通过信号转换模块实现模数改换。通过这些传感器和芯片，当环境中氨气，苯气或天然气等有害气体浓度等超出设定安全值时系统会发出相应的声光报警信号，以此来实现家居有害气体检测与报警，有简易排风系统用以模拟当有害气体浓度超出安全范围时所采取的安全措施。该装置适于办公及家庭环境。全部设计中的硬件部分及软件部分合理编排，运行稳定，性能可靠。关键词：室内环境检测；同步显示；气体传感器元件IIsAbstractInrecentyearsthehousingtransactionshaveasubstantialincreasepollutionmaterialsengineeringbuildingqualityproblemandhousingindoordecorationmaterialspopularizationandcoalgasequipmentcausedbyindoorairqualitytogofrombadtoworseHomeFurnishingbreathingenvironmentandtheofficeofairqualitymoreandmoretoreceivepeoplesattention.Atthesametimeinstrumentandmechanisminthemarketfordetectionofindoorharmfulgashavealsodevelopedbutthegasmarketandthetesterismainlyforsingleharmfulweredetectedtheoperationiscomplexandnotsuitableforhousehold.Devotedtothedetectionofindoorharmfulgascompanybutitcanonlydoshort-termmeasurementandexpensive.FacedwiththissituationthroughtheinvestigationandResearchonthemarketrelatedaspectsofadvancingwiththetimesweneedatestforindoorenvironmentharmfulgasalarmdevice.Thepurposeofthisstudyistodesignaconvenientandhazardousgasdetectionandalarmsystembasedonsingle-chipindoorHomeFurnishing.TheHomeFurnishingharmfulgasdetectionandalarmsystemusingSTC89C51microcontrollerasthecorecontrollerusinggassensorMQ-4andMQ-135detectionofindoorairqualityandcanbedisplayedintheLCD1602screenwhereintheanalogtodigitalconverterADC0809canrealizeanalogsignalconversion.ThroughthesesensorsandchipswhentheambientammoniabenzenegasornaturalgasandotherharmfulgasesconcentrationexceedsthesafetyvaluesystemwillsendthealarmsignalsoastorealizeHomeFurnishingharmfulgasdetectionandalarmsimpleexhaustsystemusedtosimulatewhentherearesafetymeasuresagainstgasconcentrationsexceededsafetywhentherangeof.Thedesignissuitableforhomeuse.Thedesignofhardwarecircuitofthewholesystemisreasonablereliableperance.KeywordsKeywords：EnvironmentdetectionMCUGassensorIIIs目录摘要.IA.II第1章绪论.11.1课题研究的背景和意义.11.2本系统的发展现状与趋势.21.3本设计主要内容及结构.3第2章系统总体框架的构成与设计.52.1系统结构框图.52.2总系统各模块概述.5第3章硬件电路设计.83.1核心控制模块的设计.83.1.1STC89C51单片机简介.83.1.2STC89C51单片机的最小系统设计.93.2气体检测模块设计.103.2.1气体传感器概述.103.2.2MQ-135气体传感器.123.2.2MQ-4气体传感器.143.3信号转换模块.153.3.1三极管的工作原理.153.3.2AD转换器的原理及应用.163.4显示器模块与按键电路.173.4.1LCD显示屏简介.173.4.2LCD1602显示器的电路设计.173.4.3排阻的简单介绍及应用.183.4.4按键电路.193.5声光报警模块.203.5.1声音报警电路.203.6驱动负载模块.20IVs3.6.1继电器的工作原理及作用.203.6.2排风扇的设计应用.213.7设计实物图.213.8系统设计总原理图.22第4章系统软件设计及流程图.234.1软件介绍.234.2系统程序总流程图.24第5章实物后期实验.255.1实物调试.255.2实物实验介绍.25总结.27参考文献.28附录1气体检测信号与转换部分参考程序代码.30附录2LCD显示器程序代码.34附录3源程序.36致谢.411第1章绪论1.1课题研究的背景和意义我国人口庞大，居住地人口密度大，房屋密集。随着人们对房屋家居装修需求普遍提高，装潢材料和家用化学品的应用也愈来愈普及。人的一天活动中，一般在室内的时间远超出在室外活动的时间。所以室内气体环境越来越受到社会各界的重视。其中家居和办公环境尤为重要，办公环境的优劣已直接归入到一个公司的整体考核范畴内，同时在近几年内，随着房地产市场的交易热潮，新房装修问题。室内的气体环境关系到每个人的身心健康。人一旦长时间在还有有害气体的室内环境中生活起居，会对身体各器官的健康产生巨大影响。室内有毒有害物质主要是成气态的有毒气体的挥发，主要通过人的呼吸作用进入到身体之内，引致中毒，也有一些刺激性气体会直接腐蚀裸露的皮肤，会引起呼吸道粘膜的不舒适感，如二氧化硫。室内有毒气体的来源一般分为两类。第一类是房屋建筑和装潢材料中所含有毒有害物质的挥发；第二类是输气管道及家装燃气设备的老化或马虎操作造成的有害气体泄漏。装修中常会使用到的涂料，壁纸及腻子等材料中都存在苯系物。笨也大量存在于防水材料的添加剂中。在放置的过程中慢慢挥发出来。家庭气体环境中含有的有毒有害物质对孕妇和婴幼儿的影响的最大的。家庭环境中苯系物气体的浓度超过标准时，可引发气闷，呕吐症状，严重时候能致人中毒昏迷，苯通过破坏人体内的白细胞生成，对人体产生危害。如若长期生活在含有苯系物气体的环境中，会诱发心血管类疾病，尤其是患白血病的危险大大提高。氨为高挥发性气体。中国许多建筑施工队为了在冬季也能够进行施工，在水泥中加入氨作为防冻剂。这种做法在偏北地区应用非常普遍。这一做法将会导致入住后气温的升高或是温度的变化都会使氨气从建筑材料中释放到家里，家庭气体环境中的氨气对感官系统和上呼吸道有强腐蚀作用，也会刺激皮肤组织造成过敏或者瘙痒。另外家具表面和木质品表面的涂料中所使用的增白作用的添加剂，也是氨气挥发的主要来源之一。室内存在的氨气会影响人的免疫力气降低人对病毒细菌的抵抗力。如若不及时清除会引起头晕、头痛，会使人眼睛干涩流泪，严重时甚至导致心脏停跳。另一方面，如今天然气的使用已经普及到家家户户，虽然人们都知道天然气的危害性，但是每年因为燃气泄露酿成的惨剧比比皆是，让人很是痛心。多数财产损失环境污染和人员中毒事故都是因为疏于防范和安全意识薄弱所造成的。当家用天然发生气泄漏时，空气中天然气浓度达到百分之十五以上，人就会因身体机能体缺氧而导致神经系统絮乱，如果不及时进行室内有害气体疏散，在人继续吸入含有甲烷的空气后会表现为呼吸系统麻痹、造成昏迷、甚至死亡。而且封闭空间内天然气浓度过大时会s2引起爆炸，危险性极大。所以探测到室内对人体有害有害的气体尤为重要，这样可以及时提醒人们危害健康的气体存在，便于人们采取相应措施，更好的保护家人及自己的身体健康和财产安全。在正常的办公和家庭环境下还存在着其他一些对人体健康有危害的的气体，本设计可以检测出的主要是苯系物气体，氨气和硫化物等有害气体以及天然气这几种对人体有危害的气体，从而完成整个装置的设计与制作。1.2本系统的发展现状与趋势目前的发展状况是：国内在近几年的房市趋势热的带动下，也由于人民对环境安全重要的意识逐渐增强，对舒适生活的要求逐阶提高。市面上针对办公环境和家庭环境的气体环境质量检测机构越来越多，使得气敏元件的研制与开发也的到突飞猛进的发展。同时在政府出台的安全法规的推动下传感器市场增长速度大大超出以前。现在市面可见的气体传感器种类非常多，功能也较以前更加多智能化，功能化。虽然也存在这很多有待开发进步的地方，比如系统装置可同时测量的气体种类单一，家庭环境监测机构价格昂贵，测量时间点非常短暂。现阶段整个气敏元件生产的90%以上仍然以烧结型气敏元件为主，另一类接触燃绕式气敏元件已经研制出来开始投入生产。整体来说气敏元件中发展较快的还是低功率消耗型元件，其中一些气体传感器元器件已经完成初期的研发测试，开始进行投入生产。据协会初步统计：全国气体传感器元器件总生产量已达上千万支。国内主要的生产厂家主要在云南省、太原省、黑龙江省、天津等地区。近年来，全世界范围内气体传感器的发展速度特别快，主要的表现在工作性能上的灵敏度大大提高，电路板的集成化增强，功耗降低。在国际方面。日本著名的气敏元件生产商费加罗公司，他们生产的产品硫化氢传感器在低功耗方面尤为突出。而美国生产以控制精准度高，高智能化和寿命长为特点。各公司为了拓展市场也研发出了各种优秀特点的传感器。美国GM司将单片机与气体敏感元件结合在一起，使其具备了时时监控系统运行的功能。当前气敏元件国内外产品趋势的差异主要是在监测传感器元器件和控制微处理器芯片的选用上。整体来说，国外的研究还是较国内先进一些。1.3本设计主要内容及结构本论文所完成的课题是对室内有害气体的监测装置的研究和设计，基于单片机的工作原理，分析了各种气体传感器工作原理和性能指标，利用各个传感器的特性，焊接各功能元器件来实现本设计预定功能。通过设计相关的电路，其中用微处理器单片机用来来采集各模块传入的信号，并对这些信号进行分析处理，采取相应措施。液晶s3屏上同时的显示所测气体浓度，并且可以通过按键进行气体阀值设置，所测有害气体浓度超过设置界限值时，声光报警开启。本设计采用的是STC89C51微型控制处理器作为系统的核心，该产品的优点是成本低廉，此优点可以更便于批量生产，也在以后的发展中更加有利于家庭使用普及。经过研究制作这个系统符合体积轻巧、功耗低、方便操作性能可靠等技术要求。本设计主要介绍了基于微处理器应用于家庭的可以对室内有毒有害气体进行检测并能够及时报警的装置设计全过程，其中囊括各个模块的硬件电路策划，软件编程和实物调试。本设计设计的应用于家庭的可以对室内有毒有害气体进行检测并能够及时报警的装置系统，主要检测苯系物气体，氨气，硫化物气体和天然气。通过数码管分别显示各传感器所测气体的浓度值，通过按键设定相应的阀值，达到或超过设定浓度上限是，声光报警启动，并开启排风装置。本设计主要内容如下：1.总介绍部分：包括该系统整体设计思路，制作前期分析各元件参数并进行方案可行性的研究，以及最后成型的系统装置总设计框图。介绍了整个系统大体分为几个模块，并对每个模块的功能任务进行了简单的描述。2.硬件部分：包括主控制元件微型处理器的选择，气敏元件传感器的选择，各个模块元器件的选择，AD模数转换器的电路设计，声光报警电路的设计。以及驱动负载电路的设计。详细介绍了选定元器件的功能及工作原理。相关元器件的优势所在。硬件部分主要还包含各部分原理图的绘制，和本设计设计的应用于家庭的可以对室内有毒有害气体进行检测并能够及时报警的装置系统总电路图的呈现。3.软件部分：主要是针对硬件系统的软件设计。包括总程序和各模块分程序的编制，以及总流程图和关键模块流程图的绘制。4.实物的调试与分析：在软硬件设计完成以后，要对实物设计进行综合的测试与实验，在实践中验证系统的可靠性，调整设计的不足。反复进行实验，测量可行范围。在实验过程中发现装置缺点并加以完善。5.在整个设计实物图制作完成后，分别对各元器件功能进行测试，经过对实物的反复实验研究，针对设计制作过程中出现的问题，由于失误造成的损失等等还不成熟的地方进行反思总结。记录下来便于之后的研究生活中少走弯路。同时记录下本设计中可以进一步拓展研究的的部分。对理论研究和实物制作的整个过程作出总结。s4第2章系统总体构成与设计2.1系统结构框图本设计以STC89C51的微型处理器最小系统为核心元件，利用气敏元件采集室内有害气体并检测其含有的有毒有害气体浓度，经过模数信号转换后传输给主控器。在单片机综合分析以后，同步显示数据，并且通过独立键盘来设置气体报警的上下限值，采用声光报警系统及在达到危险浓度情况下可采取简易排风处理措施。经过调试最终完成整个车设计制作。该装置要求其操作简便。其具成本低廉，性能稳定和便携等特点。真题的电路设计简单，总体设计模块构成如下图2-1所示：MQ-4传感器MQ-135传感器气体采集检测模块ADC0809模数转换模块驱动负载模块排风扇显示器LCD1602主控制器STC89C51单片机继电器声光报警模块LED指示灯蜂鸣器按键电路图2-1总体设计模块构成图2.2总系统各模块概述本设计设计的课题是基于单片机的智能应用于家庭的可以对室内有毒有害气体进行检测并能够及时报警的装置系统。该系统在经过反复的元器件对比选择后确定出电s5路板的焊接，系统完成目标要求主要由六个模块组成，分别是：主控制器模块，气体检测模块，信号转换模块，显示模块，显示灯光以及声音报警模块，驱动负载风扇模块。同时设有按键电路，排风扇，电源模块以及复位电路。各模块介绍如下:1.主控制器模块本设计所采用的STC89C51系列微处理器单片机相比于其他系列微处理器有很多优势所在。STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写，下载程序更为方便，STC89C51集成电路单片机内部集成了看门狗电路，具有很强的抗干扰能力。本设计应用的使用场所主要是在室内的办公环境，该设计尤其是在家庭环境中可以取得更好的测试效果。本设计以STC89C51的微型处理器最小系统为核心部件，主处理器可以对气体传感器阀值进行测控，连接显示模块及时反映气体敏感元件测量情况。接收模数转换模块的信息并及时处理以决定是否可以控制声光报警器打开，是否采取应急措施启动排气扇。主控模块即单片机最小系统，本设计采用的单片机电路简单，易于操作，是先进市面上最为通用的一种单片机，作为主控单元其具有性能可靠，价格便宜等特点。2.气体检测模块：在设计中气体收集探测是有该系统最重要的元件组成。所以在设计该系统是时候，对气体元件的选择是尤为重要的。为了更好的完成本设计的目的要求，通过对市面上的气敏元件进行对比研究，查阅了大量相关资料，并对各传感器指标详细研究，制定了很多种方案进行讨论。气敏元件的灵敏度和精准度是判断一个气体传感器优劣的重要指标，最初设计的多种传感器在理论上是可行的，但在实践上因多传感器工作时有敏感气体相互影响，会有紊乱测量数据的情况出现，经过反复实践，为了保证该气体检测与报警系统中气体测量模块的精准度，确定了双气体敏感元件的设计思路。选取家居有害气体中对人体危害较大的几种气体进行探测与警报，同时也考虑到成本和使用寿命方面的问题。最终确定炜盛生产的MQ系类气体传感器中MQ-135和MQ-4两个气敏元件组成该系统的气体收集检测模块主要元器件。该公司生产的MQ系类传感器有系列可以测量各种出现在室内的有毒有害气体，模块中包含的两个气敏元件MQ系列中的MQ-135主要用来检测氨气，苯系物气体，硫化物等有害气体，气敏元件MQ系列中的MQ-4在探测天然气，甲烷气体装置中常见。这两种气敏元件相互共敏气体影响也是在合理可行的范围之内。且这两个气体传感器具有价格低廉，供货充足，性能可靠便于携带等特点，容易与系统构成连接。并且因为MQ系列传感器的电路与工作原理有很多通用特质。选择这两个气敏元件也有助于日后对该课题进一步拓展研究。3.信号的转换模块：对于气体传感器元件输出的模拟类电子信号，一般要经过三极管进行放大处理，这样才可以满足AD转换器对于输入模拟量的要求。4.声光报警模块：此模块主要是由鸣器、LED报警灯所组成，在所测有害气体浓度过大，超过人为设定阀值时，蜂鸣器工作，LED灯闪烁，提供声音报警服务。s6s7第3章硬件电路设计3.1核心控制模块的设计3.1.1STC89C51单片机简介一般运用到微型计算机处理器的相关的设计制作常用到的51系列单片机有ATMEL公司生产的AT89SC系列的微型单片机。STC系列最大的特点之一就是具有串口的下载功能，包括ISP和ASP，拥有下载功能的好处就是在与之配套系统的开发制作过程中可以大幅度降低开发难度。总控制元器件STC89C51系列集成电路是一种51内核的集成计算机微处理器。单片机又称为集成计算机微处理器，是集成的电路芯片中的一种，是运用大规模集成电路技术把其中各种元器件集结在一起，其中包括中央控制处理器CPU，显示驱动功能的电路，模拟多通路转换件器，模数信号转换元件等多种类的电路。将它们高度集成到一块硅材料制成的硅片上，各种不同功能的电路由内部的总线连接起来成为一体。从而构成的一个微型但是功能很完善的计算机系统，可以实现数据通信技术。因为其功能强大，通用性强性价比高等等优点被广泛应用。从80年代开始的仅4位或者8位的高集成微型计算机处理控制器，一路发展到现在被普遍生产应用的300M的高速嵌入式微控制器。微处理器已经成为设计电路领域不可或缺的一部分。89C51微处理器电路如图3-1所示：图3-1STC89C51控制电路图3.1.2STC89C51单片机的最小系统设计本设计的核心控制模块即微控制器最小系统。STC89C51最小的系统是由微型控制器运行所必需要的通电电源，时钟和复位电路等部件共同组成。这些组成部分能保证该系统所需要的微型核心处理器运行正常，这样也同时保证了整个设计系统始终处于s8正常的运行状态。电源电路和复位等电路是使微处理器能够正常运行的必备条件。一般涉及到以单片机为主控制单元的设计，基本上都是将微处理器的最小系统作为应用的系统核心部分。还可以通过对微处理器最小系统进行存储器的扩展、AD模数信号转换的扩展等，使主控制单元可以完成更为复杂的功能。1.时钟电路STC89C51集成电路单片机的时钟电路信号通常通过内部或者是外部的时钟电路方式产生。它们可以被安装配置到石英晶振的片内振荡器上使用，或者是元器件直接由外部时钟电路驱动。一般的89C51微处理器最小系统内部都会有一个内部振荡的电路存在，只要微处理器最小系统的两个引脚上接石英晶体，也就是俗称的晶振。在微型处理器最小系统内部的晶振起到关键重要的作用。如果在微处理器最小系统内部生成时钟脉冲的信号，自激振荡器件便由此构成。内部电路的时钟方式如图3-2所示：Y111.0592MHzC230pFC330pF1819图3-2时钟电路微型处理器最小系统的内部都有石英晶体的存在，晶振的全称也叫做晶体振荡器，它可以与微型处理器内部的最小系统电路完美结合，用以产生微处理器所须的时钟的频率信号，晶体振荡器提供的时钟频率的输出信号越高，运行能够达到的速度就越。所以说微处理器晶振的主要作用就是为整个设计系统提供最基本的信号功能。通常整个系统共同使用一个晶体整荡器即可以达到稳定工作的标准，这样也更有利于各个部分可以保持同步运行。当然也有例外，比如某些通信系统可以通过调节电子保持频率信号的一致性。2.复位电路复位电路也可以称作微处理器最小系统起始的工作状态。一般有上电位自动复位电路和外部按键电路充当手动复位。有一种简单的上电位自动能复位的电路，只要电路外部的电容充电或者放电便可以实现自动复位。除了单片机的上电位自动复位电路以外，有时系统中也会需要手动复位按键电路。由于电容有能偶充放电的特性，高电平会被保持，从而达到微处理器系统内部的复位。本设计应用的是外部电路手动复位，通过设置按键实现。如下图3-3所示：即是微处理器最小系统的复位电路图：s9R110kC110uFS4VCC9图3-3复位电路3.2气体检测模块设计3.2.1气体传感器概述本设计中气体采集检测模块的主要部分是由两个气体传感器元件构成的，气体传感器元件又称为气体敏感元件。每个气敏元件都自带一个探测头装置，该探测头装置通过对被测气体环境中特定气体样品信号进行干扰气体除杂与杂质过滤，最终实现对所测气体样品信号进行调理的目的。探测头还可以做到对气体样品进行制冷处理或是除湿干燥等动能。气体传感器元件内部自带探测头可以大大缩减气敏元件获得测量数据的时间，从而使得整个系统电化学反应时间更加迅速。使该设计更具有实用性，也对提高市场竞争力有一定的帮助。本设计中气体传感器部分对系统的功能非常重要。系统通过处理分析气敏元件产生的电信号进行监控、分析和报警功能。因此选择一个可以与整体系统配合度更高的气敏元件对于整体设计的测量精准度，系统的响应时间和运行可靠性能都有着至关重要的作用。目前，气体传感器的采样方式主要以气敏元件的工作特性来进行分类，一般可以区分为成下的几大类：高活性半导体金属气敏元件、电化学反应类型的气体传感器元件、燃烧式催化剂型气敏元件，导热反应式气体传感器元件，红外线型气体敏感元件，电解质型气体敏感元件等。要从低成本，高稳定性等几个方面来考虑。传感器元件还应该具备以下几个功能特点：1.使用寿命长，工作稳定性高；2.成本低廉，便于生产；3.易于操作和维修处理；4.气敏元件产生的电信号可以匹配于简单的电路系统；5.不需要另行添加多种外围功能电路设备。气敏元件的灵敏度和使用稳定性主要是由构成气体传感器的材料所决定的。本设计选用的是炜盛MQ系列气体敏感元件中的MQ-135和MQ-4传感器。下图3-4所示的为MQ系列的气体的敏感元件实物模块照片：s10图3-4MQ系列气体敏感元件实物模块图下面简单介绍一下MQ系列气敏元件，在应用气体传感器元器件的单片机设计中，MQ系列传感器是最常用的气敏元件之一。对气敏元件的MQ系列的工作原理是因为测量的具体吸附气体分子的化学反应在气敏元件表面，使信号分量的内部产生的。MQ系列气敏元件是由一种活性非常强的半导体材料制作而成的。MQ系列传感器中的金属氧化物在温度升高时候，半导体气敏元件的表面氧原子转换为氧离子，阻碍到元件内部的电子产生流动，从而导致传感器的电阻值减少。因此，精确使用传感器要考虑好被测环境中温度和湿度对气敏元件灵敏度的影响。使用MQ系列传感器应该注意的是：避免暴漏在高腐蚀性气体环境中，尤其是不能暴漏于有机硅蒸汽中。传感器元件要尽量避免暴漏含有可挥发硅塑料制品添加剂的材料四周。其次避免接触水，不可使其表面结冻。再次要注意的是过高的电压也可能会导致传感器内部的加热器或引线损坏，使其敏感特性破坏。另外长期不通电的情况下存放传感器，会使其电阻产生可电子反方向漂移。导致传感器的损坏。在使用整个装置过程中要注重气体模块的养护以延长使用寿命。3.2.2MQ-135气体传感器本设计使用的检测氨气，苯系物气体以及硫化物气体等家具有害气体的传感器，是郑州炜盛公司的MQ-135传感器，这种气体敏感元件主要是用活性很高的半导体作为内部敏感的材料，这种气体敏感元件在与待测的特定气体产生接触时便可以产生导电率的变化，从而使得使气敏元件内部的半导体材质的物理性质发生改变，这样就能通过气体传感器传输的电信号判断气体浓度了。这种传感器恢复时间很快，使用寿命也较其他种类传感器时间要长。图3-5所示的是MQ-135气体敏感元件的外形结构。s11图3-5MQ-135气体传感器结构外形MQ-135型号的气敏元件主要检测的气体是氨气，同时也对硫化物气体，苯系列蒸汽有较高的灵敏度高，也可以模糊检测烟雾和其它一些室内气体环境中经常存在的有毒有害气体。是一款名副其实的室内有害气体检测元件。也是在市面上能见到的已经投入生产的家居环境监控仪中较为常见的气体传感器之一。但缺点是不能区分是哪一种有害气体导致元件内部的电阻值升高，智能化还有待提高。MQ-135气体传感器所的主要参数特性参数如下：一般传感器含有两个电阻Ro和Rg，Ro又称为固有电阻，表示气敏元件在正常工作状态时获取洁净空气后体现出的电阻值，一些时候也被称作正常电阻。Rg为工作的电阻。灵敏度一般用气体敏感元件在被测气体中电阻的数值与干净的空气中所显示的电阻数值比来表示，气体传感器元件的灵敏度如公式3-1所示:K=RgRo(2.5)（3-1）如图3-6所示是该气体敏感元件灵敏特性图。图3-6灵敏度特性曲线图MQ-135气体传感器若输入电压为Vc，传感器的电阻为Rs，负载电阻为RL，则它的消耗功率P、其中传感器的电阻（Rs），可以用下式3-3计算：s12Rs=(VcVRL)RL（3-2）下图3-7标示的是MQ-135气敏元件受温湿度影响后的典型曲线。纵坐标为电阻比RsRo。Rs表示的是不计较湿温度条件下融合有100ppm氨气的气体浓度中的电阻数值。图3-7传感器受温度、湿度影响的典型曲线3.2.2MQ-4气体传感器MQ-4气体敏感元件在天然气与甲烷的监测范畴内应用相当的广泛。也正是因为如此，在本设计设计中我选用MQ系列中的此款气敏元件，作为整个设计中气体收集检测模块中对室内家居环境下天然气的检测装置。这样可以缩减整个设计的制作成本，提高系统工作的可靠性。只需不复杂的电路便可以将气敏元件中电导率的变化特性曲线变化为输出信号，并可以与所测气体浓度相对应。MQ-4气敏元件对空气中甲烷的灵敏度最高，一般检测的浓度为300ppm-10000ppm。标准测试条件下的温度应控制在202，湿度应控制住655RH。也能测出丙烷、丁烷。MQ系列的此种气敏元件可以检测多种可燃性有害气体，尤其是天然气，是一款可以灵活用于家庭环境或是工业的低价位传感元件。因为MQ-4传感器具有使用寿命长，成本低廉，灵敏度专一且响应恢复时间短暂等优点，所以被选为本设计的气体传感器。下图3-7是MQ-4气体传感器的最基本的测试电路。图3-7MQ-4气体传感器基本测试电路s13系统中的气体传感器通过测量环境中的有害气体来产生电信号。单片机通过分析处理过的传感器电信号，做出相关判断，分析出当前环境中的有害气体浓度是否超标，采取相应处理措施。一般封装完成的气敏元件总共有六只引脚，分别用作供应系统加热所需的电流和信号的输送。图3-8所示为MQ-4气体传感器结构和外形图3-8MQ-4气体传感器结构外形3.3信号转换模块3.3.1三极管的工作原理本设计中应用的三极管主要作用是为了连接气敏元件与AD模数转换元器件。将气敏元件传感器输出的微弱电信号经过三极管的放大处理后，导入ADC0809模数转换元器件。三极管是电流放大器中的一种，因为有三个极性和端口所以称为三极管。三极管主要是用于系统中对交流信号的放大，当PNP型集电极结反方向偏置的时候，发射结会正向偏置，系统中的电流通过三极管中发射器，再从基极和集电极留出流出三极管。三极管中基极流通的电流可以控制三极管中集电极部分的电流，三极管就是用这种原理实现电流放大的作用。在三极管对系统中的电流信号进行放大处理时候必须有双电极为输入的端子用于承载放大的电信号，也必须有三极管中的双电极作为电流的输出端，承载经过三极管放大后的电信号。所以在晶体管的三极中一定会有一个公共电极。在本设计中气体传感器模块产生的弱电流信号通过三极管的放大处理，输入进模数信号处理器ADC0809进行模数转换成单片机可以识别处理的数字信号。主控制机才能对气体传感器模块产生的信号进行处理分析。整个系统运行便可以正常进行。所以在三极管在整个焊接过程中是必不可少的元件。s143.3.2AD转换器的原理及应用在本设计设计中，另一重要元器件就是AD模数信号转换器件。即使气敏元件的电信号经过三极管的放大处理后仍然不能直接被主控制器识别，所以在含有气体传感器元件的单片机系统里都会配备一个专门转换系统中要应用的模数信号的元器件，或会使用自带信号转换功能的单片机。本设计中所使用的主控制器单片机为STC89C51单片机并没有自带模数转换功能，所以系统中必备的沟通模数信号的元器件我选用的是ADC0809。本系统中元器件ADC0809是链接气体收集检测模块与主控制器单片机的纽带。下面简单介绍一次啊本设计所使用的模数转换元件ADC0809。它的内部逻辑结构包含有多路模拟开关，锁存地址单元还有译码器等。ADC0809输入的模拟量在转换过程中如果变化得太快，则必须要在输入信号前增加一个采样的保持电路。下图3-9所示的是本设计的设计中所使用的模数信号转换器原理图。图3-9ADC0809原理图3.4显示器模块与按键电路3.4.1LCD显示屏简介在现在常用的输出显示器件中LED显示器与LCD液晶显示器件可谓主流。主流的有LED显示屏和LCD液晶显示，而且相对于LED显示技术LCD液晶显示更具优势。也得到了广泛的应用。LCD是发光元器件中的典型。它是基于材料科学而发展的，在制作中融合了计算机及光电化学技术。现在的LCD液晶显示技术正在向着微型机械方向发展。s153.4.2LCD1602显示器的电路设计本设计中所使用的液晶显示器件为LCD1602显示屏。设计中所选择该液晶显示屏是因为LCD1602液晶显示屏具有硬件电路设计简单，显示清晰度较高，与一般微处理器最小系统均可通用等优点。目前在简单的设计中液晶显示模块已经成为众多电子的产品中必不可缺少的一部分。例如计算器和万用表。另外在很多已经投产的家用电子设备产品中都比较常见到。以显示方法不同方面进行区分，一般主要可分为三种，分别是数码显示，点阵图形和字符液晶。在本次设计中它的作用是显示测试到的气体，值的设定，当前气体的浓度。本设计用到的液晶显示是属于字符型的点阵式LCD。本设计中环所使用的1602LCD显示屏幕能够同时显示达到32个字符。芯片电路和背光电路的工作电压可以与微处理器兼容。LCD1602A是一种工业字符型液晶，下图3-10所示的是本设计实物中所用的显示屏实物图：图3-10LCD1602实物图3.4.3排阻的简单介绍及应用本设计中与显示元件配套使用的排阻是由8个电阻组成的。其它剩余的引脚正常引出。他们在电路中起到“上拉”的作用，所以又称上拉电阻。微处理器最小系统在处理和传输数据时产生的工作电流达不到大小统一。在走线的必经之处安装排电目的为了能够帮助微处理器最小系统起到稳压的作用，让整个系统工作更稳定，增加系统使用寿命。有些微处理器集成芯片上的P1，P2，P3口内部自带上拉电阻，所以外部电s16路设计中就不必再接上拉电阻。但是有一些开漏的，如微处理器的P0接口，外部则必须加上上拉电阻。上拉电阻在系统中起到的是对元器件注入电流的作用，可以有效解决总线的驱动力弱或不稳定等问题。下拉电阻与上拉电阻道理相同，下拉电阻的功能主要是为微处理器输出电流。能力的弱强只区别为上拉或者下拉电阻的阻值不同。排阻在系统中的应用可以对输出线起到限流的作用。上拉电阻可以把电位拉高，下拉电阻可以将电位直接拉到GND端。下图3-11所示的就是本系统中，排阻，也成为上拉电阻的电路原理图。图3-11排阻原理图3.4.4按键电路简单的单片机系统设计中键盘主要分为两种，独立式的键盘和矩阵式键盘。使用这种接法的微处理器最小系统程序设计较为方便，也更加有助于整个系统的稳定；而矩阵式接法的程序就相对较难，优点是占用的IO端口很少。在本设计中选用的为独立式的键盘。本设计中一共有焊接了四枚按键。其中一枚在主控制单元微处理器最小系统单片机和ADC0809模数显示元器件的旁边，它可以对微处理器最小系统起到手动复位的作用。前文中已经介绍了单片机最小系统中包含有自动复位电路，手动按键的安装是为了使整个系统的运行更加稳定，在出现主控制器系统跑飞或遇到外界干扰系统不能正常工作时候对主控微处理器进行初始化，整个系统可以重新运行。另外三枚按键焊制在整个电路板的右下角，作为一组按键，作用是对传感器测量有害气体浓度报警的上下极限值进行设置。是该设计中非常有实用价值的一组元件。在新房装修过后，入住之前，室内各个有害气体浓度一定偏高。如果在那时候测量，较小的报警阀值会使得整个系统一直报警，不仅浪费资源也会需要大量精力操作。此组按键可有效调节报警阀值，使得本系统适应多种环境，在新装修过后的居室，随着时间的推移可以逐渐缩小报警上下限，方便操作使用。下图3-12为按键的机械图。s17图3-12按键机械图3.5声光报警模块3.5.1声音报警电路蜂鸣器是微处理器系统里最常用的起到报警装置作用的元件。蜂鸣器的如今已被全面应用电子产品的各个领域。在电子设备和计数定时器等各类电子产品中作为发声器件广泛存在着。优点的是声音清晰不刺耳，体积迷你便于携带，工作稳定寿命长久，配套电路简单可以应用于各类电路。本系统用蜂鸣器来作为气体达到或者超出设置阀值时候的报警元器件。下图3-13所示的电路图为本设计中声音报警部分的电路图。Q18550器器器VCCR41kP34图3-13声音报警电路3.6驱动负载模块3.6.1继电器的工作原理及作用电磁继电器在电流的作用下，由机械做功产生预定设计响应的一种继电器。在目前简单的单片机系统中出现应用最早，最广泛的就是电磁式继电器。电路中继电器室通过PNP型三极管驱动，当阀值超过设定时，单片机会由高电平跳变成低电平，三极管导通继电器吸合，继电器起开关作用，可以驱动负载。3-14所示为本设计中继电器的图。s18R91KQ29012A-+M1K1+5FSGND12J5器器器器123J4器器GND+5源源源图3-14继电器控制负载电路3.6.2排风扇的设计应用在前面系统进行了气体收集检测，单片机分析，显示器显示过后。如果室内的有毒有害气体达到了危害人身体健康的浓度时，声光报警器会及时提醒人们采取相应的措施。本设计是考虑进去如果所测室内范围没有人的情况，在外出或者不能及时人为采取相关措施时候，可以启动智能抽排气装置。本设计所选用的排气扇扇类型为直流无刷型-DCBrushlessFan。应用单片机控制，自动调节室内气体浓度，释放新鲜空气进入室内。因为本设计出于研究实验阶段，该设计系统中的排气装置用小型排气扇模拟。在今后的拓展研究中，可以考虑在厨房阳台上安装220V通风扇或让单片机与空调相连形成智能调控系统。图3-15所示为实物中的风扇结构示意图图3-15实物中的风扇结构示意图3.7设计实物图下图3-16所示的既是整个系统在经过设计推断，反复焊接调试后最终的实物图。s19图3-16实物图3.8系统设计总原理图下图3-17所示为整个系统原理图。A1B2FBUZZERC130PC230P+C310uf123456789J110KY112MHZGNDR110KGND+5In31In53In64In75START6EOC7D38OE9CLOCK10Vcc11Vref+12GND13D114D215Vref-16D017D418D519D721ALE22ADDC23ADDB24ADDA25In026In127In42D620In228ADC0809ADC1ADC0809+5GNDD0D1D2GNDD3D4D5D6D7STSTEOCEOCOEOECLKCLKD0D1D2D3D4D5D6D7IN0S1SWSPSTS2SWSPSTS3SWSPSTGNDk1k2k3D1LEDRD2LEDYR21kR32.2k+5+5GNDR42.2K12345678910111213141516160216PIN+5GNDRSGNDLCDEN+5GNDA1F2A3B4F5B6MQ-4+5GNDR81kGNDIN1+5k1k2k3+5RSLCDENR75.1R5470R610KGNDC4104R111KQ29012A-+M1K1Q19012+5FSFSGND321P1POWER112233445566S1源源12J5器器器器+5GND123J4器器GND+5源源源P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20(A8)P2.021(A9)P2.122(A10)P2.223(A11)P2.324(A12)P2.425(A13)P2.526(A14)P2.627(A15)P2.728PSEN29ALEPROG30EAVPP31(AD7)P0.732(AD6)P0.633(AD5)P0.534(AD4)P0.435(AD3)P0.336(AD2)P0.237(AD1)P0.138(AD0)P0.039VCC40U189C5152S0SWSPSTA1F2A3B4F5B6MQ-135+5GNDR101kGNDIN0R95.1C5104IN1A0A0图3-17整个系统原理图s20第4章系统软件设计及流程图4.1软件介绍KeilC51是一款软件开发系统。因其能与5