河北工程大学 便携式有毒气体检测仪软件部分.docx

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河北工程大学便携式有毒气体检测仪软件部分

摘要

随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视,液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险,其中一氧化碳是最主要的危险源。

一氧化碳是一种无色无味同时这些气体燃料在使用中，若管道和阀门密封不好，它们泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。

由于这些原因，对于气体的检测与控制就变得很重要了，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。

本设计利用电化学式传感器，将置于测试环境中待测气体的浓度转换为模拟电压，再通过ADC0809将模拟电压转换为数字信号，送入单片机AT89C51中进行处理。

对气体浓度进行实时了解，进行静态显示。

通过设置报警值，用单片机控制发光二极管和音乐IC同时报警。

由于所设计的数字气体报警器采用单片机AT89C51，其价格便宜，性能稳定，易于产品化。

以电化学式传感器和AT89C51单片机为核心，设计气体泄漏报警器，该报警器设计方法简单易行，使用效果良好。

关键词：

一氧化碳；气体泄露报警器；AT89C51单片机；电化学式传感器

Abstract

Withtherapiddevelopmentofeconomyandthesciencetechnology，peoplebecomepaymoreandmoreattentiontothequalityoflifeandimprovingtheenvironment,andgasintothefamilytheuseofconvenienceforpeople,butalsotoimprovetheurbanenvironment,butalsotopeoplewithtothepotentialdangers,includingtheriskofcarbonmonoxideisthemostimportantsource.Ifnotsealedpipesandvalves,theyleaked,lightcausedpoisoning,causedbyheavyfire,endangeringpeople'slivesandproperty.Forthesereasons,soitisveryimportantforustoinspectandcontrolthesegaseswell.Anditisobviouslyveryimportanttostudyontheinspectionmethodsandsensorsofallkindsofgases.

Thedesignoftheseriesofsensors,willbeplacedonthetestenvironmentmeasuredtheconcentrationofgasconvertedtoanalogvoltage,andthenthroughtheADC0809willbeconvertedtoanalogvoltagedigitalsignal,intotheSCMAT89C51intheprocess.Tousersofgasconcentrationsinreal-timeunderstanding,canbestaticdisplay.Bysettingthealarmlevel,theMCUcontrolLEDandmusicICalarmatthesametime.SCMcontroluseoftechnology,producedaprogram-controlledcarbonmonoxidealarm.

AsdesignedbythenumberofgasalarmusingSCMAT89C51,itischeap,stableperformance,easy-production.GasesSensortogassensorsandAT89C51microcontrollerasthecoredesignofgasleakagealarm,thealarmsystemdesignmethodissimple,usegoodeffect.

Keywords：

CO;Leakinggasesalarm;AT89C51microcomtuper;GasesSensor

1绪论

1.1研究背景及意义

随着科学技术的进步和社会经济的发展，从工农业生产的各个领域到人们家庭生活的各个方面，人们直接或间接接触各种有毒有害气体的机会大大增加，由此而引起的中毒，火灾和爆炸事故屡见不鲜，严重威胁到人们的生命和财产安全，成为一种新的社会公害。

因此对环境气体进行检测和分析技术的研究日益受到人们的重视。

传统的分析气体组分和浓度的方法是以色谱法为代表的各种化学计量方法，尽管其测量精度很高，但操作手续繁杂，实验周期长，无法对有毒、有害气体进行实时、连续、瞬时检测，而气体传感器则满足这种要求，并且在人们日常生活中对减少气体爆炸、火灾等事故已经发挥着越来越大的作用。

目前世界各大强国都把传感器技术列为国家发展的重点技术，国防现代化、工业生产过程自动化、家庭电器化都与传感器的发展休戚相关，今天的传感器技术已渗透到国民经济的各个领域，日益突出它的重要作用。

集成化、多功能化、智能化、加工技术微精细化、指标高精度化和性能高稳定、高可靠化已经成为人们开发和研究传感器的重要方向。

泄漏检测报警系统被广泛的应用于各个领域，如石油化工企业、石油运输管线、城市自来水地下管线、锅炉炉管、发动机箱体、缸盖等各种领域。

由于要求数字气体报警器具有体积小巧，监控精度高，能长时间稳定工作的特点。

传统的纯硬件报警器已经不能满足这种要求了，可以用单片机设计。

单片机在工业控制和仪器仪表智能化的应用中扮演着极为重要的角色。

其设计出的产品体积小、成本底、运用灵活、易于产品化、抗干扰能力强、适应范围广，在各种恶劣的环境下都能可靠工作。

1.2研究目标及实现功能

本文所设计的数字气体报警器采用单片机AT89C51，其价格便宜，易于产品化。

本设计能将置于测试环境中的气体传感器输出的模拟电压通过A/D转换器送入单片机AT89C51中进行处理并通过数码管显示，通过设置报警值，当检测到的浓度达到或者超过设定值时，用单片机控制发光二极管发光报警，同时打开喇叭发出声音报警，来达到报警的目的.而当系统出现故障时，黄色LED亮启，便于用户及时对报警器进行维修。

系统以电化学式传感器和AT89C51单片机为核心,设计气体泄漏报警器。

实现：

对一氧化碳等有害气体进行监测

具有显示实测浓度，超标百分比及报警功能

能快速、精确的进行有害气体浓度检测和声光报警；

1.3研究方案

设计是利用单片机控制技术，制作了程控一氧化碳报警器。

该仪器对一氧化碳进行实时监控，当一氧化碳的浓度超过允许值时，单片机控制电路进行报警。

基于AT89C51性价比高的优势，主要运用了AT89C51单片机进行控制。

而对与报警器而言至关重要的部分是传感器，由于电化学式传感器其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平.用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置，可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭，所以在设计中采用的是电化学式传感器。

在模数转换这块，利用ADC0809实现模数转换，ADC0809是8位逐次渐进型的A/D转换器，它采用COMS工艺20个引脚双列直插式封装，它有三态琐存器，直接驱动数据总线，与微机相连时不需要附加接口电路。

为了方便用户了解浓度信息，好提前准备，还采用了显示环节。

显示器显示常用两种方法：

静态显示和动态扫描显示。

所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。

这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。

可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，这里运用了常用的74LS1648位移位寄存器串并转换电路。

总的来说，设计主要利用了以上的检测模块，A/D转换模块，显示模块，事故处理模块，控制模块五大模块，组成了可燃气体探测报警器。

1.4报警器行业的发展

国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。

据有关统计，美国1996年~2002年气体传感器年均增长率为27%~30%。

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，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。

1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。

在国家的支持下，“八五”以来，我国的报警器技术及其产业取得了长足进步。

在学术交流方面，1989年10月由敏感元器件与报警器分会发起主办的“STC〃89首届全国敏感元件与报警器学术会议”已延续至今，固定每两年召开一次，每逢活动不但国内学者、企业家云集且有不少其它国家的人士参加。

目前，其论值组织机构为：

“全国敏感元件与报警器学术团体联合组织委员会”。

在原电子工业部的努力及敏感元器件与报警器分会的积极组织下，实施的“双加工程”即：

加快力度加快发展，的方针指导下，建立了我国敏感元器件与报警器生产基地。

这三大基地分别为：

“安徽基地”，主要是建立力、光敏规模经济。

“陕西基地”，1990年2月成立了“陕西省敏感技术产业集团公司”主要是建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济为主要目标。

“黑龙江基地”主要建立气、湿敏规模经济为主要目标。

多年来，三大基地在发展过程中虽然兴衰不一，历史地看，它对我国敏感元件与报警器行业的建设起到了一定的推动作用。

“九五”期间报警器技术研究国家重点科技攻关项目取得了51个品种86个规格的新产品。

初步建立了敏感元件与报警器产业。

产品已进入到亿万人民的家庭生活中，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用。

近年来，在研发主力军的建设方面，主要表现在：

建立了“传感技术国家重点实验室”、“微米/纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工程中心”等研究开发基地。

全国已有1688家企事业从事报警器的研制、生产和应用，其中从事MEMS研制生产的已有50多家。

目前全行业正在执行“十五”规划，MEMS等5项新型报警器已列入研究开发的重点；国家计委决定从2002年开始组织实施的新型电子元器件产业化专项中有5项新型敏感元件与报警器已经启动；一些省、市新建立的“报警器产业基地”、“MEMS科技股份有限公司”，呈现出良好的发展态势。

燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品。

（1）民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器,一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。

有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。

（2）工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。

工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。

检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。

若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。

控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。

探测器安装在防爆现场，控器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。

当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。

此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加气站、锅炉房等工业场所。

报警器技术及其产业的特点是：

基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、产业两大分散。

基础、应用两头依附，是指报警器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。

敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，报警器技术难以为继。

2总体设计方案

2.1设计思路

有毒气体检测仪的设计要根据基本功能来确定，设计方案分为信号接收，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。

信号采集接收部分即通过有毒气体检测房间气体浓度，并将这种变化量转换成电压或者电流等模拟量的变化

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。

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。

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。

对上述四个部分进行分析，得到如下一些基本的结论：

信号接收部分为了能准且采集到气体浓度的变化应选用传感器敏感器件，为使其有效部分的检测房间中气体浓度，必须选用高温有毒气体传感器。

信号处理部分应该根据实际情况选用电荷放大，或比较器等装置，这部分电路将包含在传感器接口电路中。

控制部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。

信号响应及报警部分，用蜂鸣器和LED灯即可。

系统的组成框图如图2-1所示。

浓度显示

单片机

气体浓度检测

工作状态设置

报警控制

图2-1系统组成框图

2.2控制方法的选择

确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。

总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。

总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的.

由于本系统被控对象是复杂的，且受被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。

此时最好选用数字化PID（比例积分微分）控制。

在PID控制算法中，以位置型和增量型2种PID为基础，根据系统的要求，可对PID控制进行必要的改进。

通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。

3硬件部分的设计

3.1单片机的选择

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes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位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，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，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.2AT89C51引脚功能说明

51系列单片机的引脚图

VCC

AT89C51电源正极输入，接+5V电压。

GND

电源接地端。

XTAL1

接外部晶振的一个引脚。

在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

它采用外部振荡器时，些引脚应接地。

XTAL2

接外部晶振的一个引脚。

在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。

当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。

RST

AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。

ALE/PROG

ALE是英文"ADDRESSLATCHENABLE"的缩写，表示允许地址锁存允许信号。

访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口P0的地址总线（A0-A7）锁存进入锁存器中。

在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。

当问外部存储器期间，将以1/12振荡频率输出。

/EA/VPP

该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。

因此在8031中，EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。

如果是使用AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC值超过片内程序存储器地址（如8051/8751/89C51的PC超过0FFFH）时，将自动转向外部程序存储器继续运行。

此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM、89C51内部FALSH时，可以利用此引脚来输入提供编程电压（8751为2lV、AT89C51为12V、8051是由生产厂方一次性加工好）。

PSEN

此为"ProgramStoreEnable"的缩写。

访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。

在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。

在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号。

P0

P0口（P0.0~P0.7）是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。

外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I／O口用。

P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。

P2

P2口（P2.0~P2.7）口是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I/O口），当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。

外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I／O口用。

每一个引脚可以推动4个LSTL负载。

P1

P1口（P1.0~P1.7）口是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I/O口），其输出可以推动4个LSTTL负载。

仅供用户作为输入输出用的端口。

P3

P3口（P3.0~P3.7）口是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I/O口），它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。

其特殊功能引脚分配如下：

P3.0RXD串行通信输入

P3.1TXD串行通信输出

P3.2INT0外部中断0输入，低电平有效

P3.3INT1外部中断1输入，低电平有效

P3.4T0计数器0外部事件计数输入端

P3.5T1计数器1外部事件计数输入端

P3.6WR外部随机存储器的写选通，低电平有效

P3.7RD外部随机存储器的读选通，低电平有效__

3.3硬件总体结构

3.3.1系统的组成

整个报警器由三个部分组成：

浓度检测及显示模块。

主控模块和报警及事故处理模块。

3.3.2系统各模块功能

1.气体浓度检测模块

系统采用三点单独检测的方法,可用来巡回检测三个不同的房间;也可用来巡回检测同一个房间的不同方位.检测器件选用电化学式传感器,该传感器对一氧化碳具有很高的灵敏度,稳定性和抗湿性良好,加活性碳罩后,可防止乙醇等有机气体的干扰.检测结果经高精度运放器OP07放大后,送入ADC0809模P数转换芯片进行模数转换。

2.模数转换模块

在本设计中，另一重要模块就是A/D模数转换模块。

因为模拟信号不能直接送往单片机进行处理，必须进行A/D转换。

模数转换的过程有四个阶段，即：

采样，保持，量化和编码。

3.显示电路

由P0口输入的数据,在单片机内部进行标度变换后,从单片机的串行口输出进行显示.系统的工作状态和气体浓度,采用LED数码管显示,每30秒刷新一次.为了不再扩展IPO口,系统采用串行口的移位功能扩展为4位静态显示电路.第一位为系统工作状态显示,后三位为一氧化碳气体浓度显示.当第一位为“00”时,表示系统工作在三点巡回检测同一个房间状态;为“8”时表示系统工作在三点巡回检测同一个房间正常工作状态;为“1”、“2”、“3”时表示系统工作在单独检测状态,此时后三位显示的数据分别为第1号、第2号、第3号传感器所检测到的一氧化碳气体浓度。

浓度显示单位为5ppm.74LS164为串行输入,并行输出寄存器,当P2.0=1且AT89C51的TXD端有输出时,74LS164接收串行数据,更新显示;当P2.0=0时,显示的内容不变。

4.主控模块

系统采用单片机进行控制,选用AT89C51单片机.该单片机为ATMEL公司的产品,其指令系统完全与8031/8051兼容,内带4K字节的内存和程序保护系统,便于程序的调试修改和保密,各管脚的功能如下:

1）ALE端的功能:

ALE端与ADC0809的CLOCK相连,为ADC0809输入时钟脉冲.

2）P0口的功能:

P0口与ADC0809的数据输出口相连,接收APD转换结果.

3）P1口的功能:

P1.0端接工作状态控制开关,开关闭合时,系统进入正常工作状态;P1.1端外接的开关为三点巡回测量同一个房间控制开关,当开关闭合时有效;P1.2~P1.4端接ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC三端,控制ADC0809的八路模拟输入转换.

4）P2口的功能:

P2.1端与WR端通过外接的与门求反后与ADC0809的START和ALE相连,用以启动APD转换,且将8路地址锁存;P2.1端与RD端通过外接的与门求反后与ADC0809的OE端相连,用以允许将APD转换结果输出,让单片机读取转换结果;P2.2端用作系统音乐报警信号控制端,高电平有效.

5）P3口的功能:

P3.0、P3.1端和P2.0端用于控制系统的显示输出.

5.报警模块

当气体浓度超过允许值时,该模块动作,发出警报信号.P2.2端为音乐控制端,均为高电平有效.系统各模块之间的接线图如图3-1所示.

图3-1单个传感器电路图

3.3.3系统主要器件的介绍

3.3.4.1电化学式传感器介绍

设计中所用到的气体传感器是电化学式传感器，下面具体介绍一下电化学式气体传感器：

由膜电极和电解液灌封而成。

浓度（气体）信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。

它的优点是：

反映速度快、准确（可用于ppm级），稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大于等于两年）。

它主要适用于毒性气体的检测。

目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

3.3.4.274LS164移位寄存器介绍

74LS1648位移位寄存器（串行输入，并行输出）简要说明164为8位移位寄存器,其主要电特性的典型值如下：

当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。

串行数据输入端（A，B）可控制数据。

当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，