室内有害气体监测系统的设计

室内有害气体监测系统的设计摘要目前，随着城市生活水平的提高，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）等致癌物质会对人体健康产生极为不利的影响。另一方面，居民生活用的水煤气，天然气，在给人们生活带来便利的同时，也是可燃性、有毒气体，具有极强的危害性。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。本设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件实现了对室内甲醛、甲苯、水煤气、天然气、液化石油气浓度的监测、显示以及报警等功能，设计中单片机选用AT89C51作为控制器件，传感器选用MQ-5、MQ-7型气体传感器实现对有害气体的检测。系统主要由气体信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路、显示电路和声光报警电路构成，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在该系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。关键词： 报警，单片机，传感器The Design of Indoor Harmful Gas Monitoring SystemAbstractAt present, with the enhancement of city living standards, the indoor air quality problems are mainly from two aspects. On the one hand, gases from house decoration, toys and insecticide sprays, such as formaldehyde, volatile organic compounds (VOCs: contains BTEX) and other carcinogenic substances, will eventually have a bad effect on ones health. On the other hand, water gas and natural gas can bring convenience to peoples lives which are also explosive, poisonous and extremely harmful. This project based on actual needs, design a set of these two aspects of the concentration of harmful gases monitoring as one of the portable monitoring system with alarm, timely, accuratly and effectivly detect the harmful gases in these 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 effectively protect peoples health and property.The sensor and the microcontroller which are both the most important part of the design, with other devices can achieve gases concentration monitoring, display, alarm and other functions. IN design, microcontroller is used AT89C51, and I select MQ-5 and MQ-7 Gas Sensor to detect harmful gas. The system including the signal acquired circuit, A/D converted circuit, MCU controlled circuit,displayed circuit and alarming with sound and light circuit is reasonably designed, easy to use and inexpensive. As a result, the microcontroller in the control of the indoor harmful gas monitoring system is fully applied. Therefore, this design has practical value. Thesis give detailed introduction for the function and theory of the various component parts of the alarm system, and focus on the interface technology between its main controlled circuit and peripheral circuit. It also give the explanation of the software . Key words: Alarm, MCU, Sensor中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 I 页 共 II 页目录1 引言 .11.1 本课题研究的背景和意义 .11.2 本课题国内外研究现状及发展方向 .21.3 本文的主要任务及结构 .42 室内有害气体监测系统的方案设计 .52.1 设计要求及思路 .52.1.1 本课题设计要求 .52.1.2 本课题设计思路 .52.2 初始方案与确定 .52.2.1 初始设计思路 .52.2.2 方案确定 .63 硬件电路的元件选型 .83.1 单片机的介绍和选用 .83.1.1 AT89C51 功能特性概述 .83.1.2 AT89C51 的内存空间 .93.1.3 管脚说明 .103.2 气体传感器的介绍与选用 .123.2.1 传感器的概述 .123.2.2 气体传感器的选型 .133.2.3 MQ-5 半导体气体传感器 .163.2.4 MQ-7 半导体气体传感器 .183.3 ADC0804 芯片 .193.4 蜂鸣器 .203.5 发光二极管 .203.6 LCD1602 液晶显示屏 .204 硬件电路的设计 .22中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 II 页 共 II 页4.1 主控电路设计 .224.1.1 时钟电路的设计 .234.1.2 复位电路的设计 .234.2 气体采集电路 .244.3 A/D 转换电路 .254.4 浓度显示电路 .254.5 声光报警电路 .264.6 室内有害气体监测系统的总硬件原理图 .265 软件程序设计及 Protues 仿真 .275.1 软件部分整体构思 .275.2 编程语言选择 .275.3 相关软件介绍 .275.3.1 KEIL 编程环境介绍 .275.3.2 Protues 仿真软件介绍 .285.4 程序流程图 .285.5 Protues 仿真结果 .306 总结 .32附录 A 程序清单 .33附录 B 系统硬件原理图 .41附录 C PCB 图 .42附录 D Protues 仿真图 .43参 考 文 献 .44致 谢 .46中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 46 页1 引言1.1 本课题研究的背景和意义人们在经历了“煤烟型污染”和“光化学污染”后，正进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。美国已将室内空气污染归为危害公共健康的5大环境因素之一。室内是人们接触最频繁的环境，人们约有80以上的时间在室内度过，室内空气质量(Indoor Air Quality IAQ)的优劣直接关系到每个人的健康。中国标准化协会联合医学专家组调查结果也显示，中国一年之内因室内环境污染而死亡的人达到11.1万人 1。随着人们对环境及健康问题的日益重视，室内空气品质状况的监控得到越来越多的关注。室内有害气体的来源主要来自以下两方面。一方面，室内装修所产生的挥发性有机物。装修在使居室变得舒适与美观的同时，也会给室内环境造成了污染。世界卫生组织将由室内污染引起的一系列人体损害症状称为“不良建筑物综合征” 。一般而言，甲醛、苯等挥发性有机化合物都会造成室内装修污染。常用的装修材料，如油漆、涂料、地板革、壁纸、胶合板、塑料、以及室内人造板材都会释放出挥发性有机化合物。美国环保局已鉴定出350种，以芳香烃类和脂肪烃类为主。不同装饰材料的污染期也不尽相同。国内对地板革、涂料和壁纸这三种常用装饰材料进行了跟踪测量，研究发现这三种材料的污染期分别为1个月、2个月和3个月。室内挥发性有机化合物可刺激皮肤、黏膜及神经系统，产生一系列过敏症状及神经行为异常，病理研究发现受检者泪膜稳定性降低，泪液细胞成分发生变化，白蛋白含量增高，鼻咽部充血，存在大量炎症细胞。动物试验表明有潜在的致突变、致畸、致癌性 2。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。另一方面，随着生活水平的提高，液化石油气、管道煤气进入了大多数家庭，人们在享受这些现代化设施带来的便利的同时，却也增加了火灾隐患和有害气体中毒的危险。在我国，每年由于煤气(主要是一氧化碳)中毒和天然气（又称甲烷）中毒的案例并不鲜见。煤气中毒即一氧化碳中毒。一氧化碳（CO）为无色、无味、中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 46 页无刺激性气体，几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。当煤气泄漏时，会散发CO气体，如人体短时间内吸收较高浓度的CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200-300倍，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，达到60%时就会昏迷，达到90%就会死亡。此外，煤气及天然气都是易燃易爆气体，人们在享受这些现代设施带来了便利的时候，却也增加了火灾隐患。如果没有安装火灾自动报警器，一旦在家庭中发生火灾，火灾容易由不被发现的早期火灾而演变成为大型火灾。结果是由于一家的起火，而火势不能得到有效控制，使得火势迅速蔓延并很快出现大面积燃烧。这不仅使用户本身遭受重大的损失，还容易形成“火烧连营”的局面，给周边场所造成无法估计的损失。据公安部消防局2011统计，近年来，我国每年发生家庭火灾5万余起，死亡800余人，占火灾死亡人数的70%以上。随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们对住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。这时，传统的家庭住宅显然己经不能满足人们的需求，人们迫切需要一种智能型的家居室内有害气体监测报警系统，能可靠地进行日常安全防范工作，及时发现各种险情并通知户主和物业，以便将险情消灭在萌芽状态。随着科学技术的不断进步，室内有害气体的安全监测和智能化报警系统的研究已成为当前的发展趋势 3。1.2 本课题国内外研究现状及发展方向在测试室内装修产生的有害气体方面，美国Interscan公司产品甲醛检测仪、美国ESC公司生产的Z一300甲醛检测仪、英国TSI公司生产的PPM 400TM甲醛检测仪、德国生产的TG2000系列固定式有害气体检测仪、国内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一308、长春吉打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。这些装置适用于专业检测机构或实验研究机构。在净化室内装修产生的有害气体方面，韩国专利产品光触媒喷剂和纳米银杀菌保险盒，国内安徽泰康科技发展有限公司与韩国合作生产的甲醛消除液，中国中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 46 页科学院自然电子技术有限公司生产的光触媒灯管等，这些产品可实现对有害气体成分的分解，达到净化的效果。准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵(如日本生产甲醛测定仪约三十万日元、英国TSI公司生产的PPM400TM甲醛仪约一万多元，测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定，而且测试之后没有立即采取措施来净化室内空气质量。目前，室内环保领域，检测与控制相互脱离，国内尚未见到检测与控制一体化的装置与仪器的应用实例。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。现代微电子技术的发展使得测量装置的精度越来越高，促进了室内有害气体监测监控仪器向着智能化的方向发展 4。如能高精度测量出小信号，并不失真放大它；能对采集的信号进行复杂的数学处理：自动计算，记忆测量数据，并根据数据进行预测和估计等。新的智能化仪表具有以下特点。(1)操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作。(2)测量智能化，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。(3)具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决的问题，可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值等复杂的数据处理功能，有效地提高了仪器的测量精度。(4)具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 46 页还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。(5)具有可编程操作能力。一般智能仪器都配有GPIB、RS232C、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。1.3 本文的主要任务及结构本论文所完成的任务是室内有害气体监测系统的设计，要求其精度高，适用于居室、综合办公楼、车箱、商场等室内空气中有害气体的浓度监测与报警，而且具有操作简便、成本低的特点。通过阅读大量的文献，进行充分的调研工作，综合分析、比较有害气体的各种测量方法以及各种改善室内空气质量的方法，考虑满足本课题的各项要求，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，用传感器来采集相关气体的浓度 5，浓度值经过单片机处理，在液晶屏上实时显示，并且超过设置界限时，进行声光报警。得到最优结果，本论文在总体结构上共分为6部分。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，本章主要介绍了本设计需要的元件第四章 硬件电路的设计 本章介绍了系统的原理电路以及硬件设计过程。第五章 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。第六章 总结，对全文进行总结。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 46 页2 室内有害气体监测系统的方案设计2.1 设计要求及思路2.1.1 本课题设计要求本设计监测室内空气中一氧化碳、液化气等有毒易燃有害气体含量。测量数据超过设置浓度值或浓度变化很快时，发出声光报警，并显示测量的浓度 6。2.1.2 本课题设计思路采用一氧化碳及甲烷气体传感器检测气体浓度，将检测结果通过滤波、放大电路后送入 A/D 转换芯片中进行转换，传给单片机进行数据处理。处理后的信息将通过单片机控制，驱动声光报警电路。2.2 初始方案与确定2.2.1 初始设计思路（1）根据该设计要实现的基本功能，设计大概应该分为信号采集，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。A.信号采集部分即通过检测一氧化碳、甲烷气体浓度，并将这种变化量转换成电压或者电流等模拟量的变化。B.信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等变化进行必要放大，为后一部分信号控制提供准备。C.信号控制部分是通过预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。D.信号响应是通过事故处理部分和显示部分实现控制部分的要求。 （2）对上述四个部分进行分析，得到如下一些基本的结论：A.信号采集部分为了能准确采集到气体浓度值应选用传感器敏感器件。B.信号处理部分应该根据实际情况选用电容、运算放大器等装置进行放大滤 波，这部分电路将包含在传感器接口电路中。C.控制部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 46 页D.信号响应及报警部分，用蜂鸣器和 LED 灯即可。根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图 2.1 所示：图 2.1 设计思想框图2.2.2 方案确定本课题设计的室内有害气体监测系统包含了大学四年所学的电工技术，传感器技术，单片机技术。该系统是能够检测室内环境中的一氧化碳和甲烷浓度，并具有显示和声光报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、浓度值显示电路、声光报警电路。图 2.2 原理图一氧化碳、甲烷气体采集电路一般由气体传感器和滤波、模拟放大电路组成7,8。气体传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合 A/D 转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合 A/D 转换器的输入等级时，就需要放大器放大。而我们选择前者，不需要用信 号接 收装 置信 号处 理装 置信 号控 制装 置信 号响 应装 置传感器滤波放大电路A/D转换单片机发光二极管蜂鸣器中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 46 页放大器，选择数值符合 A/D 转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。模数转换电路将从气体采集电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机好比一个桥梁，联系着传感器和显示、报警电路设备。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于则启动报警电路，反之则为正常状态。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的有害气体浓度值，可将浓度值送到显示屏中。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警， 变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据室内有害气体监测系统应具备的功能，提出的整体设计思路。气体传感器及单片机是该系统的两大核心，根据系统功能的需要，选择合适、精确、经济的气体传感器及单片机芯片是至关重要的。气体传感器和单片机作为硬件电路的核心,它的选型将在下文进行详细叙述。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 46 页3 硬件电路的元件选型3.1 单片机的介绍和选用单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、 只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以应用于室内有害气体监测系统，使系统的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要 9。单片机是室内有害气体监测系统的心脏，用来接收有害气体信号并启动报警装置。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的有害气体浓度值，并进行相应处理 10。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。在单片机家族的众多成员中，MCS 系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。其中，51 系列单片机的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。因此，测控系统中，使用 51 系列单片机是最理想的选择，因此本设计采用 AT89C51 单片机 11。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 46 页3.1.1 AT89C51 功能特性概述目前市面上使用的比较普遍的 51 系列单片机是 AT89C51。AT89C51 是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。其主要性能参数如下：(a) 与 MCS-51 产品指令系统完全兼容(b) 4k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器(c) 寿命：1000 次擦写周期(d) 全静态操作：0Hz24MHz(e) 三级加密程序存储器(f) 128 字节内部 RAM(g) 32 个可编程 IO 口线(h) 2 个 16 位定时计数器(i) 5 个中断源(j)可编程串行 UART 通道(k)低功耗空闲和掉电模式 (m)数据保留时间：10 年中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 46 页图 3.1 AT89C51 的引脚排列图 AT89C51 单片机提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 IO 口线，两个 16 位定时计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路 12。同时，AT89C51 可降至 0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.1.2 AT89C51 的内存空间1、内部程序存储器（FLASH）4K 字节。2、外部程序存储器（ROM）64K 字节。3、内部数据存储器（RAM）256 字节。4、外部数据存储器（RAM）64K 字节。表 3.1 程序存储器的 5 个特殊地址0000H 上电或复位入口地址 0003H000BH0013H001BH0023H外部中断 0 入口地址定时器 T0 中断入口地址外部中断 1 入口地址定时器 T1 中断入口地址串口中断入口地址在上述事件发生时，PC 指针获得固定的地址，然后 CPU 执行 PC 指针所指地址单元内的程序。 3.1.3 管脚说明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P0 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 外部必须接上拉电阻。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 口中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 46 页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 口作为低八位地址接收。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 3-2 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0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 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/ 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OG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 它中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 46 页可 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 。 ： 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PSN个 机 器 周 期 两 次 有 效 。 但 在 访 问 外 部 数 据 存 储 器 时 ， 这 两 次 有 效 的SE信 号 将 不 出 现 。EXTAL1： 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 。 振荡器特性:XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3.2 气体传感器的介绍与选用3.2.1 传感器的概述（1）传感器的定义人们通常将能把非电量转换成电量的器件称为传感器，传感器实质是一种功能模块，作用是将来自外界的各种信号转换成电信号：它是实现测试与自动控制系统的首要环节 13。（2）传感器的作用传感器是又称之为电五官，是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 46 页（3）传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成有时还加上辅助电源。通常可用方框图表示，如下图 3.2 所示：被测量图 3.2 传感器原理图敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。传感元件又称变换器，传感元件可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量。也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。测量电路能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。使用较多的是电桥电路，也是用其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、维持震荡的激振电路等 14。（4）传感器的分类1.根 据 传 感 器 工 作 原 理 ， 可 分 为 物 理 传 感 器 和 化 学 传 感 器 二 大 类 ： a.物 理 传 感 器 应 用 的 是 物 理 效 应 ， 诸 如 压 电 效 应 ， 磁 致 拉 伸 现 象 ， 离 化 、极 化 、 热 电 、 光 电 、 磁 电 等 效 应 。b.化 学 传 感 器 包 括 那 些 以 化 学 吸 附 、 电 化 学 反 应 等 现 象 为 因 果 关 系 的 传 感器 ， 被 测 信 号 量 的 微 小 变 化 也 将 转 换 成 电 信 号 。2.按 照 其 用 途 ， 传 感 器 可 分 类 为 ： 压 力 敏 和 力 敏 传 感 器 、 位 置 传 感 器 、液 面 传 感 器 、 能 耗 传 感 器 、 速 度 传 感 器 、 加 速 度 传 感 器 、 射 线 辐 射 传 感 器 以及 热 敏 传 感 器 等 。 3.按 照 其 原 理 ， 传 感 器 可 分 类 为 ： a.振 动 传 感 器 ， b.湿 敏 传 感 器 ， c.磁 敏 传 感 器 ， d.气 敏 传 感 器 ， e.真 空度 传 感 器 ， f.生 物 传 感 器 等 。 4.以 其 输 出 信 号 为 标 准 可 将 传 感 器 分 为 ： 模 拟 传 感 器 、 数 字 传 感 器 、 开敏感元件测量电路敏感元件中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 46 页关 传 感 器 等 。5.所 应 用 的 材 料 观 点 出 发 可 将 传 感 器 分 成 下 列 几 类 ： 按 照 其 所 用 材 料 的 类 别 分 ： 金 属 、 聚 合 物 、 陶 瓷 、 混 合 物 按 材 料 的 物 理 性 质 分 ： 导 体 、 绝 缘 体 、 半 导 体 、 磁 性 材 料 按 材 料 的 晶 体 结 构 分 ： 单 晶 、 多 晶 、 非 晶 材 料 6.按 照 其 制 造 工 艺 ， 可 以 将 传 感 器 区 分 为 ： a.集 成 传 感 器 b.薄 膜 传 感 器 c.厚 膜 传 感 器 d.陶 瓷 传 感 器 3.2.2 气体传感器的选型气体传感器是本课题所设计系统的首要环节。气体传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能 15。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。气体传感器作为本系统中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的气体浓度信号的准确性和可靠性。图 3.3 气体传感器及其结构图气体传感器是模拟传感器。它能将空气中的气体浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。当烟雾探头碰到某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，气体传感器利用烟雾敏感元件的电阻受气体浓度影响阻值变化的原理向单片机发送气体浓度相应的模拟信号。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体监测装置的体积也逐渐变小，提高了装置的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。（1）气体传感器的分类中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 46 页从构成气体传感器材料的形态上通常将它们分为干式和湿式气体传感器。由于对不同气体的检测方法不尽相同，目前主要的方法有：利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。 （2）常见的气体传感器种类及工作原理 为了确保家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。但是，由于有害气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的气体。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性气体，如 CO、H2、C2H5OH、CH3OH 等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机气体，如 O2、CO2、H2、Cl2、SO2 等。因此目前使用的气体传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同，下面就对一些常用的气体传感器进行介绍。(a)半导体气敏传感器半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。按照敏感机理分类，半导体气敏传感器可分为电阻式和非电阻式。当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻式半导体气敏传感器；当场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。 自 1962 年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。但是其最大的缺点就是选择性较差。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。(b)接触燃烧式传感器 当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝，使用时对铂丝通以电流，保持 300400的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 46 页催化层上燃烧，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。其最大的缺点是探头很容易发生阻缓和中毒现象。一般在连续使用两个月后应对该传感器进行维护。这无形中增加了报警器的维