室内有害气体监测系统设计毕业论文.doc

分类号 分类号 TB21TB21 U U D D C C D10621 408 D10621 408 20122012 0719 00719 0 密密 级 公级 公 开开 编编 号 号 20080230182008023018 成成 都都 信信 息息 工工 程程 学学 院院 学学 位位 论论 文文 室内有害气体监测系统设计室内有害气体监测系统设计 论文作者姓名 论文作者姓名 申请学位专业 申请学位专业 生物医学工程生物医学工程 申请学位类别 申请学位类别 工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名 职职称称 论文提交日期 论文提交日期 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的 地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意 签名 日期 2012 年 6 月 09 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留 使用学 位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权成都信息工程学院可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采 用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 日期 2012 年 6 月 09 日 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别 加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论 文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和 电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并 提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其 它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论 文的部分或全部内容 作者签名 日 期 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 室内有害气体监测系统设计室内有害气体监测系统设计 摘摘 要要 目前 居室内空气质量问题主要来自两个方面 一方面是由于房屋装修 玩具 杀虫喷雾剂等带来的有害气体 如甲醛 挥发性有机物 VOCs 包含苯 系物 等致癌物质 另一方面 是人们日常生活中由于粗心或设备故障引起的 诸如水煤气 天然气 液化石油气之类的有害气体泄露 给人体带来危害 本 课题依据实际需要 设计了一种集这两方面有害气体浓度监测为一体的便携式 监测报警仪 及时 准确 有效地对生活坏境中这两方面的有害气体进行检测 并报警 提醒人们在气体浓度超标时及时采取措施 以有效地保护人体健康和 财产损失 本文首先分析了室内空气中甲醛 甲苯等挥发性有机物的来源及其对人体 身体健康的影响 指出家庭燃气泄漏等安全隐患 然后根据 51 单片机系统的特 点和应用方法 对有害气体监测系统的总体设计方案作了详细的论述 之后分 析了各种气体传感器工作原理和性能指标 最后 重点描述了本系统的软 硬 件设计原理及方案 在室内有害气体监测系统设计中 选用ATMEL公司的 8 位 STC89C51 微处 理器芯片作为核心 采用了 Keil 操作系统作为软件开发平台 开发了基于 Keil 操作系统的程序 通过安装调试 实现了对室内甲醛 甲苯 水煤气 天 然气 液化石油气浓度的监测 显示以及超限及时报警等功能 达到预期设计效 果 关键词 关键词 传感器 有害气体 实时监测 STC89C51 Research and design of the system for indoor harmful gase monitoring Abstract At present the indoor air quality problems are mainly from two aspects The one hand gases from house decoration toys insecticide sprays such as fo rmaldehyde volatile organic compounds VOCs contains BTEX and other carc inogenic substances On the other hand is due to carelessness or equipment fai lure caused in the people s daily life such as water gas natural gas liquefied petroleum gas and the like of hazardous gas leak do harm to the human body T his project based on actual needs design a set of these two aspects of the con centration of harmful gases monitoring as one of the portable monitoring syste m with alarm Timely accuratly and effectivly detect the harmful gases in thes e two areas of the living environment and give an alarm to remind people to make some measures in the gas concentration exceeded places not only effecti vely protect people s health and property This paper first analyzes the sources of indoor air formaldehyde toluene and other volatile organic compounds and their impact on human health and the safety hazards that household gas leak caused then the characteristics of 51 single chip system the overall design methodology as well as harmful gas monitoring system design is discussed in detail then introduce the gas sensor working principle and the choice of gas sensor performance indicators at last highlight the system hardware and software design principles and programs In the indoor harmful gas monitoring system I choose 8 ATMEL Corporation STC89C51 microprocessor chip as the core and use the Keil operating system as a software development platform development of procedures based on Keil operating system through installation and commissioning achieving gases concentration monitoring display and alarm in time and other functions After some adjustments I acheved expected results Key words sensor indoor harmful gas monitoring STC89C51 目目 录录 1 引言 1 1 1 课题研究背景和意义 1 1 2 国内外应用与研究现状 2 1 3 本课题研究的意义 2 1 4 本文的主要任务及结构 3 2 总体系统方案设计 3 2 1 设计方案 3 2 2 设计原理 4 3 元件选型与电路设计 4 3 1 单片机系统 4 3 1 1 STC89C51 型单片机简介 4 3 1 2 STC89C51 引脚功能介绍 5 3 1 3 系统的引脚接线 7 3 2 显示电路 9 3 2 1 LED 数码管 9 3 2 2 设计电路 9 3 3 电源模块及声光报警模块 11 3 3 1 蜂鸣器 11 3 2 2 设计电路 12 3 4 MQ 2 一氧化碳传感器模块 13 3 4 1 MQ 2 烟雾传感器 13 3 4 2 MQ 2 烟雾传感器模块 14 3 5 MQ 2 一氧化碳传感器模块 15 3 5 1 MQ 7 一氧化碳传感器 15 3 5 2 MQ 7 一氧化碳传感器模块 15 3 6 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器模块 17 3 6 1 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器 17 3 6 2 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器模块 18 3 7 硬件设计工作流程 19 3 7 1 硬件安装 19 3 7 2 硬件调试 21 4 软件工作流程及软件编写 23 4 1 软件部分整体构思 23 4 2 编程语言选择 23 4 3 软件算法 24 4 4 软件调试 26 5 总体系统调试 27 6 结论 27 6 1 全文总结 27 6 2 不足与进一步改进 28 参考文献 29 致 谢 30 附 录 31 第 页 共 36 页1 1 引言 1 1 课题研究背景和意义 随着人们对环境及健康问题的日益重视 对室内空气中有害气体监测的种 类也越来越多 其中 人们日常生活中主要关心的气体污染问题主要存在于以 下两个方面 一方面 甲醛和苯都是确认的致癌物 可造成哮喘 心脑血管病 糖尿病 再生障碍性贫血 白血病 胎儿畸形 儿童智力大大降低以及 亚健 康 状态等多种急慢性症状 尤其到了夏季 30 或以上时 装修材料 家具 等释放出的有毒气体增多 室内污染相对较重 由此而造成的心脑血管疾病激 增 突发症状以中风 常见的半身不遂 口眼歪斜为多 中国室内装饰协会室 内环境监测工作委员会于 2004 年在北京地区千户新装修家庭中进行的抽检结果 显示甲醛超标的占 60 从其他地区青岛 南京 银川 重庆 深圳 乌鲁木 齐等地有关部门的检测数据看 新装修家庭中的甲醛不合格比率都在 60 以上 深圳市计量质量检测研究院 2004 年 1 至 7 月份 共对全市 400 多套房子进行了 室内环境检测 90 甲醛超标 室内空气污染已被世界银行列为全球四个最关 键的环境问题之一 全球每年因此而导致死亡的人数达 280 万人 根据中华人 民共和国国家标准 居室空气中甲醛的卫生标准 规定 居室空气中甲醛的最 高允许浓度为 0 08mg m3 60ppb WHO 提出的甲醛气体浓度室内环境指导限 值为 0 1 mg m3 74ppb 1 在我国 每年由于煤气 主要是 CO 中毒和天然气 又称甲烷 CH 中毒 的案例并不鲜见 煤气中毒即一氧化碳中毒 一氧化碳是一种无色无味的气体 不易察觉 血液中血红蛋白与一氧化碳的结合能力比与氧的结合能力要强 多倍 而且 血红蛋白与氧的分离速度却很慢 所以 人一旦吸入一氧 化碳 氧便失去了与血红蛋白结合的机会 使组织细胞无法从血液中获得足够 的氧气 致使呼吸困难 煤气中毒多见于冬天用煤炉取暖 门窗紧闭 排烟不 良 液化灶具漏泄或煤气管道漏泄等 煤气中毒时病人最初感觉为头痛 头昏 恶心 呕吐 软弱无力 大部分病人迅速发生抽筋 昏迷 两颊 前胸皮肤及 口唇呈樱桃红色 如救治不及时 可很快因呼吸抑制而死亡 所以 如果能够 及时测试到这些气体的浓度超过正常状态 并报警提醒人们做出一定措施 那 第 页 共 36 页2 么很多家庭灾难是可以避免的 我国现有的一氧化碳报警器 一般将 100ppm 200ppm 作为报警浓度 因为 这种浓度的一氧化碳在短时间内尚不会对健康人产生明显的影响 因此 有必 要设计一种针对甲醛 甲苯 水煤气 天然气 液化石油气这些人们日常生活 中经常遇到的致癌物质和常见燃气的浓度进行实时监测 为人们拥有一个健康 安全的日常生活环境提供保障 2 1 2 国内外应用与研究现状 在测试甲醛 甲苯等害气体方面 国外比较出名的有 美国 interscan 公司 生产的 4160 2 型甲醛分析仪 美国 ESC 公司生产的 Z 300 甲醛检测仪 英国 PPM 公司生产的 PPM 40 甲醛检测仪 国内的有 江苏安普电子工程有限公司 生产的 400 型甲醛分析仪 北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪 XP 300 长春吉大小天鹅有限公司生产的全自动室内空气甲醛 氨测定仪等 这些仪器可实现对有害气体的检测功能 适用于专业检测机构或实验研究机构 准确测定甲醛 苯 氨等有害气体的设备昂贵 如英国 PPM 公司生产的 PPM40 甲醛仪约两万多元 测定时间较长 每隔一段时间就需进行重新标定 如英国 PPM 公司生产的 PPM400 甲醛仪 需要专业人员进行操作 很难连 续测定 在检测可燃气体泄露方面 国外引进产品如法国奥德姆便携可燃气体检测 仪 美国 ISC 可燃性气体检测仪 日本新宇宙便携可燃气体检测仪 国内的产 品主要有北京燕山时代仪表有限公司生产的 KS 3 型遥控数字显示可燃性气体变 送器 沈阳市爱尔普仪器有限公司 GP 09C 便携式可燃气体检测仪 目前国内 外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用 操作方面 国外的产品操作界面方便 功能更加完备 3 1 3 本课题研究的意义 本设计利用 STC89C51 单片机作为监测器的控制中心即 CPU 用户它来控制 相关的传感器 如甲醛传感器 烟雾传感器 液晶显示器等 以此来检测室内 的环境 达到实时检测室内的有毒气体的目的 使用者可以对监测系统进行相 第 页 共 36 页3 关的设置 选择监控有毒气体的种类 一旦某项指标超过所限定的临界值 这 个系统可以自动的提醒家人进行相关的调节动作 例如 当有毒气体增多了 提示家人开窗通风并迅速关闭气体来源等 这样 系统在家人还没有发现危险 到来之前就能够进行相关的提示操作 避免一定的危险事故的发生 从而达到 监测报警实现未卜先知的目的 1 4 本文的主要任务及结构 本论文所完成的任务是对室内有害气体的监测方法的研究和设计 根据单 片机的工作原理 利用各个传感器的特性 设计相关的电路 用单片机来采集 相关的各个变量 在液晶屏上实时的显示各种状态 并且通过按键进行相关的 设置 超过设置界限时 进行声光报警 得到最优结果 本论文在总体结构上 共分为5章 第一章 引言 本章介绍了室内有害气体监测系统的基础知识及其发展 第二章 总体系统设计 本章介绍了本设计的设计原理和设计方案 第三章 元件选型与电路设计 本章主要介绍了本设计需要的元件以及其原 理电路以及硬件设计过程 第四章 软件工作流程及软件编写 本章主要介绍了本设计软件工作的流程 以及编写的软件 第五章 总体系统调试 主要介绍了对系统总体调试的方法与结果 第六章 总结 对全文进行总结 2 总体系统方案设计 2 1设计方案 本设计采用 STC89C52 单片机作为控制核心 直接利用甲醛传感器采集室 内甲醛浓度 利用一氧化碳传感器采集室内一氧化碳浓度 利用烟雾传感器来 监测烟雾的危害程序 经过处理后直接传给单片机 单片机综合分析以后 送 到数码管上显示 并且通过独立键盘来设置 真题电路设计简单 具体模块框 第 页 共 36 页4 图如下 图 2 1 模块框图 2 2设计原理 本设计的原理是根据51单片机的工作原理 利用各个传感器的特性 设计 相关的电路 用单片机来采集相关的各个变量 结合时钟芯片在液晶屏上实时 的显示各种状态 并且通过按键进行相关的设置 超过设置界限时 进行声光 报警 3 元件选型与电路设计 3 1单片机系统 3 1 1 STC89C51 型单片机简介 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微 第 页 共 36 页5 处理器 俗称单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 该器 件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指 令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片 中 ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器 89C2051 是它的一种精简版本 89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 89C51 总控制电路如下 图 3 1 89C51 总控制电路 3 1 2 STC89C51 引脚功能介绍 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据 存储器 它可以被定义为数据地址的低八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原 码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能 接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 第 页 共 36 页6 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作 为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于 内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进 行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作 为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘 故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 表 3 1 51 单片机 P3 口功能 口管脚备选功能 P3 0 RXD 串行输出口 P3 1 TXD 串行输入口 P3 2 INT0外部中断0 P3 3 INT1外部中断1 P3 4 T0计时器0外部输入 P3 5 T1计时器1外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高 电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用 作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存 储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该 引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每 第 页 共 36 页7 个机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 STC89C51 主要功能如下所示 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24MHz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2 3 1 3 系统的引脚接线 根据其系统工作原理设计出如图所示的引脚接线 第 页 共 36 页8 图 3 2 系统的引脚接线 为了能够实现使用按键进行设置监测气体的种类 我使用了 4 个按键 其 中三个是选择气体传感器 还有一个为复位按键 具体电路如下 图 3 3 4 个按键 根据 51 单片机的特点 我采用 11 0592M 晶振给单片机提供时钟信号 两 个各加一 30pf 的电容来稳定型号 由于 51 单片机是采用低电平复位 我又在 其旁边加了一个按键 便于手动复位 电路连接如图 第 页 共 36 页9 图 3 4 手动复位 由于担心声光报警时间过长 我在 INT1 及 INT2 接口处各加上两个按键 作为外部中断以停止声音报警及闪光报警 电路图如下 图 3 5 中断按键 3 2显示电路 3 2 1 LED 数码管 本设计采用 4 段 位 LED 数码管 能够显示 4 个 8 LED 数码管 LED Segment Displays 是由多个发光二极管封装在一起组成 8 字型的器件 引线 已在内部连接完成 只需引出它们的各个笔划 公共电极 led 数码管常用段数 一般为 7 段有的另加一个小数点 还有一种是类似于 3 位 1 型 位数有半位 1 2 3 4 5 6 8 10 位等等 led 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴 和共阳两类 它们的发光原理是一样的 只是它们的电源极性不同而已 颜色 有红 绿 蓝 黄等几种 LED 数码管广泛用于仪表 时钟 车站 家电等场 第 页 共 36 页10 合 选用时要注意产品尺寸颜色 功耗 亮度 波长等 下面 LED 数码管内部 引脚定义 图 3 6 引脚定义 每一笔划都是对应一个字母表示 DP 是小数点 4 3 2 2 设计电路 根据 LED 数码管原理设计出如图所示的引脚接线电路如图 图 3 7 引脚接线电路 由于 51 单片机 P0 口内部无上拉电阻 所以我在 P0 口外加了 1k 的上拉排 阻 总电路图如下 第 页 共 36 页11 图 3 8 总电路图 因为本设计使用的模块较多 绘制 PCB 板时使用了铺地的接地方法 铺地 的优点在于散热迅速 稳定性好 对模块及器件有保护作用 总 PCB 图如下 图 3 9 总 PCB 图 第 页 共 36 页12 3 3电源模块及声光报警模块 3 3 1 蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 采用直流电压供电 广泛应用于 计算机 打印机 复印机 报警器 电子玩具 汽车电子设备 电话机 定时 器等电子产品中作发声器件 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两 种类型 本设计采用压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器 压电蜂 鸣片 阻抗匹配器及共鸣箱 外壳等组成 多谐振荡器由晶体管或集成电路构 成 当接通电源后 1 5 15V 直流工作电压 多谐振荡器起振 输出 1 5 2 5kHZ 的音频信号 阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声 图 3 10 蜂鸣器外形图 3 2 2 设计电路 根据蜂鸣器的和 LED 二极管的特性 制作出的电路图如下 第 页 共 36 页13 图 3 11 声光报警及电源模块电路图 由于在总板上电源和接地接口过少 不能满足传感器等的需求 于是我在 模块里加入了两排 8 脚排针 总电路 PCB 图如下 图 3 12 声光报警及电源模块总 PCB 图 3 4MQ 2 一氧化碳传感器模块 3 4 1 MQ 2 烟雾传感器 MQ 2 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 SnO2 当传感器所处环境中存在可燃气体时 传感器的电导率随空气中可 燃气体浓度的增加而增大 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 2 气体传感器对液化气 丙烷 氢气的灵敏度高 对天然气和其它可 燃蒸汽的检测也很理想 这种传感器可检测多种可燃性气体 是一款适合多种 应用的低成本传感器 其结构和外形如图 第 页 共 36 页14 图 3 13 MQ 2 气体传感器外形图 图 3 14 MQ 2 气体传感器结构图 3 4 2 MQ 2 烟雾传感器模块 下图为 MQ 2 气体传感器实物图 图 3 15 MQ 2 气体传感器模块实物图 简要说明 尺寸 长 32mm 宽 22mm 高 27mm 长 X 宽 X 高 主要芯片 LM393 ZYMQ 2 气体传感器 工作电压 直流 5 伏 第 页 共 36 页15 特点 1 具有信号输出指示 2 双路信号输出 模拟量输出及 TTL 电平输出 3 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 4 模拟量输出 0 5V 电压 浓度越高电压越高 5 对液化气 天然气 城市煤气有较好的灵敏度 6 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 7 快速的响应恢复特性 其原理图如下 图 3 16 MQ 2 气体传感器模块电路图 3 53 5MQ 2 一氧化碳传感器模块 3 5 1 MQ 7 一氧化碳传感器 MQ 7 气体传感器的气敏材料 是用在清洁空气中电导率低的二氧化锡 SnO2 采用高低温循环检测方式低温 1 5V 加热 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 5 0 V 加热 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 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 其结构和外形如图 第 页 共 36 页16 图 3 17 MQ 7 一氧化碳传感器外形图 图 3 18 MQ 7 一氧化碳传感器结构图 3 5 2 MQ 7 一氧化碳传感器模块 下图为 MQ 7 一氧化碳传感器模块实物图 图 3 19 MQ 7 一氧化碳传感器模块实物图 简要说明 尺寸 长 32mm 宽 22mm 高 27mm 主要芯片 LM393 MQ 7 气体传感器 工作电压 直流 5 伏 第 页 共 36 页17 特点 1 具有信号输出指示 2 双路信号输出 模拟量输出及 TTL 电平输出 3 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 4 模拟量输出 0 5V 电压 浓度越高电压越高 5 对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性 6 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 其原理图如下 图 3 20 MQ 7 一氧化碳传感器模块电路图 3 6MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器模块 3 6 1 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器使用的气敏材料是在清洁空气中电导率 较低的二氧化锡 SnO2 当传感器所处环境中存在醛 酮 醇类气体时 传感 器的电导率随空气中醛 酮 醇类气体浓度的增加而增大 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 138 醛 酮 醇类气体传感器对醛 醇 酮 芳族化合物的灵敏度高 是一款适合多种应用的低成本传感器 其结构和外形如图 第 页 共 36 页18 图 3 21 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器外形图 图 3 22 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器外形图 3 6 2 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器模块 下图为 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器模块实物图 图 3 23 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器模块实物图 简要说明 尺寸 长 32mm 宽 22mm 高 30mm 主要芯片 LM393 甲醛感应探头 工作电压 直流 5V 特点 第 页 共 36 页19 1 具有信号输出指示灯指示 2 双路信号输出 模拟量输出及 TTL 电平输出 3 TTL 输出有效信号为低电平 低电平时信号灯亮 可接单片机 IO 口 4 模拟量输出随浓度增加而增加 浓度越高电压越高 5 对醛 醇 酮 芳族化合物具有很高的灵敏度 6 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 7 快速的响应恢复特性 8 带安装孔 方便固定安装 9 探头可以插拔设计 方便试验 其原理图如下 图 3 24 MQ 138 醛 酮 醇类气体传感器电路图 3 7硬件设计工作流程 3 7 1 硬件安装 根据电路图绘制出 PCB 图 在打印机中打印出来 随后通过加热器转印到 铜板上 腐蚀后得到电路板 我一共制作了三块电路板 第一块由于打印机墨 质不好 腐蚀后得到的电路板线路混乱 断线过多所以无法使用 第二块电路 板铜板质量过硬 得到的电路板钻孔困难 无法保证钻孔时焊盘固定 无法使 用 在制作第三块电路板时汲取了前两块电路板的失败经验 所做出的电路板 工作正常 在焊接元件的过程中发现电路图中使用的串口为公口 然而我能够 买到的串口只有母口 所以对电路进行了调整 使其能够使用母口电路 调整 后的电路板如下图 第 页 共 36 页20 图 3 25 串口调整后实物图 根据电路图将甲醛传感器模块 一氧化碳传感器模块 烟雾传感器模块 电源 声光报警模块和总板用杜邦线连接起来得到设计出的室内有害气体监测 系统 实物图如下 图 3 26 室内有害气体监测系统实物图 然而在整体调试的时候发现按键封装有错误 导致整块电路板在导入程序 的时候无法正常工作 在对电路进行研究之后 发现已经无法补救 于是又重 新做了第四块电路板 其 PCB 及实物图如下 第 页 共 36 页21 图 3 27 第四块电路板 PCB 图 图 3 28 第四块电路板实物图 3 7 2 硬件调试 电路板调试 利用鸿昌仪表生产的 DT9205N 万用表对电路板线路进行检测 以检查是否 有断线及焊盘脱落等情况 首先将万用表打开 将指针拨向欧姆档 将红黑两笔分别接触需要检测的 第 页 共 36 页22 线路两头 如果万用表发出 滴 的一声 说明无断线 将红黑两笔分别接触 需要检测的器件焊接点两端 如果万用表发出 滴 的一声 说明焊盘未脱落 通过调试 电路板无断线 焊盘未脱落 传感器模块调试 由于本设计使用的三个模块调试步骤相同 所以以下统一论述 利用 51 开发板对传感器模块进行调试 通过编写软件使其在检测到有害气 体后将 51 开发板上的 Led 二极管点亮 首先将传感器模块的 VCC 端接在 51 开发板的电源端口上 GND 端接在单 片机的地端 TTL 高低电平输出端接在单片机 P1 口 将 51 开发板的串口连接 至电脑 实物图如下 图 3 29 调试传感器模块电路图 打开电脑 打开 Uvision 软件编写调试程序 利用 if 语句使系统能够达到当 有害气体的测试浓度大于设定浓度时 单片机 P3 0 口输出低电平将 LED 排灯 点亮 编写好调试程序之后 通过 STC ISP 软件将程序录入 51 单片机 为了使 测试效果更加明显 拨动传感器模块上的电位器将其设定浓度调制适合值 利 用香烟燃烧后产生的有害气体调试模块 当传感器模块接收到有害气体时 LED 排灯点亮 证明传感器模块能够正常工作 如下图 第 页 共 36 页23 图 3 30 调试传感器模块电路图 4 软件工作流程及软件编写 软件设计是结合硬件结构共同完成整个系统设计的重要部分 软件和硬件 在系统设计中是相辅相成关系 硬件的结构决定着软件的算法 软件特定的算 法处理也决定了硬件的结构 另外 软件可以代替一些硬件电路 使电路结构 更加简化 大批量应用时更能节约不少成本 本课题中特别注重的一点就是体 积小 软件就有必不可少责任 除此之外 软件在低功耗处理上功劳也不小 系统在一般状态下能正常运行 进入低功耗模式后同样能正常实现各个功能 这一点对软件设计是一个考验 尽管如此 根据软件的具有较大灵活性和可编 程微控制器的特殊原理特性 采取了许多积极有效的处理方式 最终顺利完成 全套功能设计和综合调试 软件设计步骤 首先熟悉硬件结构和可编程器件的功能应用 再由系统功 能需求得到软件设计的整体构思 接着选择编程语言 然后给出软件算法 拟 制软件流程图 接下来实现各部分功能 最后调试细节问题并完善所有功能组 合 第 页 共 36 页24 4 1软件部分整体构思 软件部分主要对传感器模块检测到有害气体时 TTL 高低电平输出口输出的 低电平进行处理 首先对整个程序初始化 通过按键选择工作模式后 在数码 管上显示相应的工作模式 延时过后在数码管上显示目前的空气质量状态 默 认为 GOOD 当传感器模块检测到有害气体时 数码管显示 BAD 同时激活声光 报警系统 检测外部中断按键 通过外部中断按键来选择警报模式 最后通过 复位按键关闭警报并初始化系统 4 2编程语言选择 可编程器件只有 89C51 单片机 它支持汇编语言和 C 语言编程 鉴于 C 语 言的可读性好和 C 语言易移植等特点 软件开发设计采用 C 语言编程 5 4 3软件算法 软件功能流程图如下 初始化 甲醛传感器模块 是否输出低电 平 CO 传感器是否 输出低电平 GAS 传感器是否 输出低电平 否 数码管 显示 GOOD 是是 否 是 否 数码管 显示 GOOD 数码管 显示 GOOD 声光报警 数码管显示 BAD 声光报警 数码管显示 BAD 声光报警 数码管显示 BAD HCHO 模式 标志位 Flag1 1 数码管显示 HCHO CO 模式 标志位 Flag2 1 数码管显示 CO GAS 模式 标志位 Flag3 1 数码管显示 GAS 工作模式选 择 主程序运行 第 页 共 36 页25 图 4 1 软件功能流程图 软件的算法处理流程和外部中断的处理过程如图所示 系统开始运行时首 先定义数码管显示码以及管脚接口 初始化之后调用选择函数 利用 while 循 环语句判断选择按键是否按下 当按键 S1 被按下时调用显示函数 数码管显示 HCHO 标志位 FLAG1 打 开 终止 while 循环 继续 HCHO 工作模式 通过 if 语句判断甲醛传感器模块 是否输出低电平 如果是则调用显示函数 数码管显示 BAD 利用 if 语句判断 中断标志位 flag 如果其等于 0 则声光同时报警 如果等于 1 则只有声音报警 如果等于 2 则只有光照报警 如果超过 2 则从 0 开始循环 如果甲醛传感器 模块为输出低电平 则调用显示函数 数码管显示 GOOD 程序终止 图 4 2 外部中断功能流程图 外部中断 INT0 口 启用 标志位 Flag 标志位 Flag 0 标志位 Flag 1 标志位 Flag 2 声光同时报警声音报警光照报警 第 页 共 36 页26 当按键 S2 被按下时调用显示函数 数码管显示 CO 标志位 FLAG2 打开 终止 while 循环 继续 CO 工作模式 通过 if 语句判断一氧化碳传感器模块是 否输出低电平 如果是则调用显示函数 数码管显示 BAD 利用 if 语句判断中 断标志位 flag 如果其等于 0 则声光同时报警 如果等于 1 则只有声音报警 如果等于 2 则只有光照报警 如果超过 2 则从 0 开始循环 如果一氧化碳传 感器模块为输出低电平 则调用显示函数 数码管显示 GOOD 程序终止 当按键 S3 被按下时调用显示函数 数码管显示 GAS 标志位 FLAG3 打开 终止 while 循环 继续 GAS 工作模式 通过 if 语句判断气体传感器模块是否输 出低电平 如果是则调用显示函数 数码管显示 BAD 利用 if 语句判断中断标 志位 flag 如果其等于 0 则声光同时报警 如果等于 1 则只有声音报警 如果 等于 2 则只有光照报警 如果超过 2 则从 0 开始循环 如果气体传感器模块 为输出低电平 则调用显示函数 数码管显示 GOOD 程序终止 具体程序代码如附录 4 4软件调试 打开 keil 软件 打开程序 检查后单击编译按键 如果未发现错误和警告 则说明程序能够正常运行 编译结果如图所示 图 4 3 软件编译结果图 所以程序能够正常运行 然而在将程序烧入单片机时发现 数码管显示乱码 在研究了电路图后发 现并无异常 最后在程序中发现了问题 程序中数码管段码编写错误导致无法 第 页 共 36 页27 显示 并且显示工作模式和显示工作状态之间的延时太短 导致出现乱码 经 过调整后 数码管正常工作 如下图 图 4 4 数码管正常工作图 5 总体系统调试 通过串口将电脑中已经编写好的程序传输入 51 单片机中 打开电源 检查 各模块是否正常工作 首先将 STC ISP V483 这个串口通信软件打开 选择打开程序文件选项 找到需要录入单片机的 hex 文件 选择下载选项 点击后给单片机上电复位 等待信息框中显示已下载成功 说明程序已经录入单片机 接下来首先通过按 键选择工作模式 然后根据传感器模块的类型将相应的气体放置在传感器探头 附近 等待声光报警模块工作 当报警模块工作后 通过按下外部中断按键选 择报警模式 按一下则 led 二极管关闭 按第二下则蜂鸣器关闭 按第三下则 led 和蜂鸣器都打开 将三个传感器模块都检查完毕后 按下复位键 并关闭电 源 通过监测总体系统能够正常工作 第 页 共 36 页28 6 结论 6 1全文总结 本次设计的任务是实时监测室内有毒害气体 易燃易爆气体浓度 如果实 测浓度超限 则及时进行声光报警 本次设计使用了低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 STC89C52 单片机作为控制核心 总体电路具有运行速度快 稳定 结构简单 散热迅速等特点 采用模块化设计 这样不仅有利于系统硬件的设 计和调试 同时也方便对系统进行更改和系统硬件的升级 通过对 51 单片机及各种传感器模块的了解与学习 我对其工作原理以及工 作方法有了更深层次的认识和理解 为了监测室内有害气体的浓度 有害气体 传感器有着不可取代的作用 通过对有害气体传感器 MQ 2 MQ 7 MQ 138 监测有害气体的工作方式的深入研究 设计出了以 51 单片机为系统核心的室内 有害气体监测系统 并完成了硬件设计和软件设计 通过测试表明系统工作良 好 能够及时的告知使用者是否应该采取开窗通气等措施 同时 通过对 51 单 片机的硬件安装和软件编写等操作 使我更加熟悉 51 单片机的结构及工作方式 并且更加熟悉硬件的安装流程及软件的编写规范和语法 对我以后参加工作有 很大的帮助 MQ 2 MQ 7 MQ 138 气体传感器模块的特点在于其简易性和高效性 由 于其输出口在监测到有害气体时直接输出低电平 这样就免去了从气体传感器 上采集信号 这样硬件设计更加简洁 所需的器件也更加易于购买 硬件出错 率也就更小 更加符合本设计的目的 6 2不足与进一步改进 本次设计涉及到的知识面较多 由于本人理论水平和实践经验有限 加上 时间的限制 本次设计还存在一些有待改进和优化的地方 由于时间问题 在详细测量有害气体浓度并显示出来这一方面还有待研究 由于软件编程方面经验尚浅 程序的规范性和简练性也有待改进 可以考虑将浓度监测系统与室内换气系统连接 这样就不仅做到了气体监 第 页 共 36 页29 测和警报 还做到了对有害气体及时处理 使整个室内监控系统更加完善 参考文献 1 中华人民共和国国家技术监督局 GB T 16127 1996 居室空气中甲醛的卫生标准 北京 中国标准出版社 1994 07 01 2 刘永华 建筑装修导致室内空气污染的研究 硕士学位论文 重庆 重庆大学 2004 1 1 3 郑郁正 单片机原理及运用 四川 四川大学出版社 2005 30 38 4 李萍 基于 ARM 的室内空气质量监测系统的设计 硕士学位论文 四川 西南交通大学 2010 2 2 5 电子基础教学实验中心 电子技术基础实验 四川 四川大学出版社 2005 148 149 6 谭浩强 C 程序设计 北京 清华大学出版社 2005 7 7 第 页 共 36 页30 致 谢 本文是在王保强教授的热情关心和指导下完成的 他渊博的知识和严谨的 治学态度使我受益匪浅 对顺利完成本课题起到了极大的作用 在此向他表示 我最衷心的感谢 在论文完成过程中 本人还得到了陈波同学 赵玺同学的热心帮助 本人 向他们表示深深的谢意 最后向在百忙之中评审本文的各位专家 老师表示衷心的感谢 第 页 共 36 页31 附 录 具体程序 选择工作模式 void xuan 选择工作模式 uchar j while 1 if s1 0 判断 S1 按键是否按下 第 页 共 36 页32 delay 10 按键消抖 while s1 0 for j