基于单片机的空气质量检测系统Word下载.docx
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摘要
近些年来空气污染、雾霾等成为人们日常讨论的主要问题之一，空气污染已经导致了一些人类健康的问题，而且这种趋势越来越严重。
目前二氧化硫是空气中的最主要的污染物，人们对二氧化硫有害物的监测力度越来越重视，现在对二氧化硫气体有很多种监测方法。
本设计是一种用于监测空气中二氧化硫浓度的仪器，可用作为对远程空气环境监测中的二氧化硫浓度的监测。
本设计详细的介绍了目前经常用于测量二氧化硫的方法以及所采用的电化学传感器的工作原理和运行特性，所使用的STC90C51单片机的特点和性能，以及RS232串口通信，AD转换，液晶显示的原理等相关的的问题。
介绍了从方案设计，器件选择，电路设计，程序设计，及仪器进行零点标定，浓度标定和校准的一个完整的思路。
设计的以90C51为核心的测量系统达到了测量二氧化硫的目的，测量结果有液晶屏显示出来，通过串口线可以和上位机进行通信，上位机也可以通过串口线来改变仪器的报警值，报警器根据预先设定的报警值进行报警。
关键词：
空气污染，二氧化硫；
浓度；
监测；
STC90C51
Abstract
Oneofthemainproblemsinrecentyears,airpollution,hazeandsobecomeaneverydaydiscussion,airpollutionhasledtoanumberofhumanhealthproblems,andthistrendisgettingworse.Sulphurdioxideiscurrentlythemostimportantpollutantsintheair,peopleareharmfulsulfurdioxidemonitoringeffortsmoreandmoreattention,therearemanymethodsformonitoringsulfurdioxidegas.Thisdesignismonitoringtheconcentrationofsulfurdioxideintheairforaninstrumentthatcanbeusedasaremoteairconcentrationsofsulfurdioxideinthemonitoringofenvironmentalmonitoring.
Adetaileddescriptionofthedesignprinciplesofthecurrentworkingmethodsareoftenusedtomeasuresulfurdioxideandelectrochemicalsensorsusedandoperatingcharacteristics,featuresandperformanceareusedSTC90C51microcontrollerandRS232serialcommunication,ADconverter,LCDprinciplesTheproblemsassociated.Thissectiondescribesthezerocalibration,calibrationandcalibrationconcentrationfromprogramdesign,componentselection,circuitdesign,processdesign,andequipmentofacompletethought.90C51coredesignedtoachievethepurposeofthemeasurementsystemtomeasuresulfurdioxide,themeasurementresultsaredisplayedwithanLCDscreen,andthehostcomputercancommunicatewiththehostcomputerviaaserialcablecanalsochangethevalueoftheinstrumentviaseriallinealarm,alarmalarmbasedonpre-setalarmvalue.
Keywords:
airpollution,sulfurdioxide;
concentration;
monitoring;
STC90C51
第一章概述
1.1关于二氧化硫监测的背景和应用
随着现代社会工业的发展，空气污染致使空气质量的越来越差。
空气是人类生产和生活活动中永远都离不开的重要部分，空气质量状况对人们的日常生活和社会发展有着重要的作用，必然受到人们的高度重视。
为了更进一步的解空气环境质量，达到保护、管理和改良环境的目的，就必须有计划地进行空气环境的调查研究和监测，以便得到明确的认识，同时有效地采取措施，控制和减少空气污染。
空气污染物中的二氧化硫对人体健康的影响很大。
二氧化硫通过呼吸进入气管，对局部组织产生刺激和腐蚀作用，影响呼吸道，诱发支气管等疾病。
特别是当它与烟尘等气溶胶共存时，更加重对呼吸道粘膜的损害。
二氧化硫对人们的日常生活、工作、娱乐等方面也有不同程度的影响。
高浓度二氧化硫中毒主要引起不同程度的呼吸道及眼的刺激症状。
轻微时会发生流泪、畏光、咳嗽严重者则可在数小时内发生肺水肿而出现呼吸困难。
工业生产中的二氧化硫急性中毒，一般仅见于事故发生时。
吸入极高浓度时可立即引起发射性声门痉挛而致窒息死亡。
二氧化硫排放导致了严重的酸雨、光化学烟雾等全球环境问题。
当空气中的二氧化硫（还有氮氧化物）转换为酸性降水，形成酸雨。
它对地理和生态环境有重大影响，这种影响是直接的和潜在性的。
会造成土壤的酸化、腐蚀各种建筑物材料。
目前中国已有62.3%的城市，二氧化硫的过量排放己成为中国酸雨污染的最主要的原因。
天然降水的本底pH值为5.65，一般将pH值小于5.6的降水称为酸雨，形成酸雨的主要物质是二氧化硫和氮氧化物，而我国酸雨以硫酸为主，当二氧化硫经液相氧化或者气相氧化反应生成，被降水洗脱降到地面后形成酸雨。
酸雨对水生生态系统、农业生态系统、森林生态系统、建筑物和材料以及人体健康等方面均有危害，并己造成了较大的损失。
80年代，中国的酸雨主要发生在西南地区，面积约为170万平方公里，到了90年代，酸雨污染扩展到华中、华南、华东、华北和东北等地区，面积已占全国面积的40%。
二氧化硫及其所形成的酸雨已成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素之一。
因此，对周围环境中二氧化硫进行监测是断定二氧化硫污染程度、进行二氧化硫污染治理的必要工作。
空气中二氧化硫的浓度经常以每立方米空气中的二氧化硫含量来表示，可以用质量体积比（
）或者气态时的体积比（
）表示。
它们之间的换算公式为：
（1.1）
所以对于二氧化硫，
。
由于环境条件复杂，随机变化明显，浓度范围较宽，二氧化硫的浓度值具有极强的时间性和空间性，受人为和空间环境影响特别大，为了实现监测数据的准确性、精密性和可比性，以及使监测数据更具权威性和法律性。
加强空气环境监测的质量保证尤为重要。
在国家环保部的指导下，环境监测质量保证工作逐步地走向规范，并陆续出台了一系列各种环境监测标准方法与文件，以及管理规定和制度。
如《水和废水监测分析方法》、《环境空气监测质量保证手册》。
这在制度和方法上对空气环境的监测进行了统一，体现了环境监测的科学性和严肃性，同时对空气环境的质量保证也有了明确的规定。
特别是近期《环境监测质量保证管理规定》、《环境监测人员上岗证管理规定》等制度的出台，在很大程度上，一方面规范了环境监测的科学方法，另一方面又对环境监测人员提出了更高的要求。
逐步实现环境监测质量保证工作的系统。
1.2二氧化硫监测仪器的现状
目前对二氧化硫的监测手段有很多种，常用的方法有分光光度法，碘量法，荧光光度法，紫外荧光法，离子检谱法，电化学SO2传感器法。
生物（苔藓，蔷薇）法等用于SO2测量的新技术也在研发过程中。
这几种方法的优缺点如下：
分光度法主要基本原理是利用空气中的SO2被四氯汞钾溶液吸收后，与甲醛和盐酸副玫瑰苯胺（PRA）反应生成紫红色化合物，其颜色深浅与SO2含量成正比，用分光光度法测定其颜色成分。
其优点是灵敏度高，选择性好，易于操作，设备简单等。
缺点是使用毒性极大的四氯汞钾作吸收液，不仅对操作人员健康产生影响，而且分析后大量含汞废液往入会造成环境污染。
碘量法的基本原理是利用氨基磺酸铵-硫酸铵混合溶液吸收SO2是固定污染源排气的SO2浓度和SO2排放速率测定的经典方法。
其优点是具有测定浓度范围宽，所需设备简单，易操作等特点。
荧光光度法是根据奎宁与SO2反应能够生成荧光物质，利用荧光光度计在365nm处激发和450nm处测定荧光强度即可计算出SO2的浓度。
优点是灵敏度高。
缺点是易受氧气的干扰。
紫外荧光法的基本原理为由光源发射出的紫外光，通过光源滤光片进入反应室，样气中的SO2分子吸收紫外光生成激发态SO2,当它回到基态时放射出荧光紫外线,其放射荧光强度与SO2浓度成正比,通过第二个滤光片,用光电倍增管接受荧光紫外线并转化为电信号,经过放大器输出,即可知道SO2浓度。
离子监测法工作原理为待测空气被连续地抽入仪器，经过选择性过滤器，除去干扰物后进入库仑池，库仑池中有三个电极铂丝阳极，铂网阴极和活性炭参比电极，电解液为0.3mol/L碱性碘化钾溶液，若将一恒流电源加于库仑池阴阳极之间，则电流将从阳极流入，经阴极和参比电极流出。
因参比电极通过负载电阻和阴极连接故阴极电位是参比电极电位和负载上电压降之和。
缺点是不易便携，结构复杂。
电化学气体传感器是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过监测电信号的大小得到相应气体的浓度。
二氧化硫传感器其优点是:
对二氧化硫气体有很高的灵敏度，具有良好的重复性，对二氧化硫气体有很好的选择性，体积小集成化高，易便携。
缺点是易受干扰。
可用于工业、民用对SO2气体的监测。
例如：
SO2监测仪,SO2报警仪及实验室用监测报警器等监测含有SO2类气体的场所或需要SO2气体浓度数值的产品。
生物法主要是利用苔藓等一些对空气二氧化硫敏感的植物，利用其对不同的二氧化硫浓度的变色和变形等特点，对大气的二氧化硫浓度进行大概的监测，其优点是绿色环保，缺点是精度较低，具体标准及实施方法尚在试验阶段。
1.3二氧化硫监测系统的总体设计方案
本设计的二氧化硫监测仪是采用3SFC.T传感器，传感器与二氧化硫气体反应输出电流信号，经串联电阻转换成电压信号，在经过仪用放大器放大后，传给TLC2543AD转换器，经过AD将模拟信号转换成数字信号，再由单片机将数字信号进行计算，输出浓度值有1602液晶显示屏输出。
并由RS232串口经过串口线交给上位机（电脑），电路还有浓度报警装置，上位机也可以通过串口来设定报警值。
二氧化硫监测系统的框图如图1.1所示。
图1.1二氧化硫监测系统框图
在进行设计和制作的过程中，以各模块为单位，来进行电路设计和程序的编写，将各个模块有机的连接在一起，在与上位机连接，形成一个监测系统。
第二章硬件部分设计方案
硬件设计概述
硬件电路的设计是本课题的一个重点，硬件电路的设计要考虑到传感器的特性，放大电路的放大倍数，共模干扰，AD转换的基准的稳定性，电源电路的稳定性，单片机端口的特性等问题。
本次电路设计主要包括信号采集电路的设计，点偏激系统的设计，AD转换器的电路的设计，串口电路的设计，LCD显示器的电路设计，报警驱动电路的设计以及电源电路的设计。
并考虑到其中的一些有关稳定性的问题。
2.1空气质量检测仪系统简介
基于STC90C51的智能空气质量监测仪是以空气中有毒有害气体二氧化硫的监测监控为背景，能够实现对空气中二氧化硫气体的实时采集处理、显示、报警等功能。
仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。
同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。
本文研究的智能空气品质监测仪是以STC工公司的一款8位超低功耗单片机STC90C51为控制核心。
空气中有害气体通过传感器输出一个与气体浓度相对应的电压信号,该信号经过A/D转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理，温湿传感器直接与单片机相连。
单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测空气中二氧化硫气体浓度值。
若被测空气有害气体气体的浓度有超过国家标准或设定的危险值超出设定范围时报警电路对应的发出声光报警信号。
2.2STC90C51单片机简介
随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。
根据上述几方面及本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:
一是要有较强的抗干扰能力。
由于一般室内电子电器产品比较多，这对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。
二是要有较高的性价比。
单片作为整个系统的中央处理器，承担着整个系统的数据处理和过程控制，以及通信等功能。
由于高度的通用性和出色的稳定性，本系统采用宏晶公司产的低功耗，高性能CMOS8位单片机的STC90C51作为控制器。
片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，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8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，可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。
2.2.1.输入输出引脚
（1）P0端口[P0.0-P0.7]P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。
作为输出口时能驱动8个TTL。
对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节;
校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。
在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址（低8位）/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。
（2）P1端口[P1.0－P1.7]P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。
（3）P2端口[P2.0－P2.7]P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
对内部Flash程序存储器编程时，接收到高8位地址和控制信息。
在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。
而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。
（4）P3端口[P3.0－P3.7]是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
对内部Flash程序存储器编程时，接到控制信息。
除此之外P3端口还用于一些专门功能，p3端口的引脚功能如表2.2所示。
表2.2P3端口引脚兼用功能表
P3引脚
兼用功能
P3.0
串行通讯输入（RXD）
P3.1
串行通讯输出（TXD）
P3.2
外部中断0（INT0）
P3.3
外部中断1（INT1）
P3.4
定时器0输入（T0）
P3.5
定时器1输入（T1）
P3.6
外部数据存储器写选通WR
P3.7
外部数据存储器写选通RD
2.2.2单片机的最小系统
单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/EA=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。
Vcc电源端,GND接地端。
工作电压为5V，另有AT89C51工作电压则是2.7-6V,引脚功能一样。
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。
内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频。
在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。
经过上述介绍，结合一般用的比较多的情况，单片机的外围电路如图2.5所示。
2.2.3STC90C51主要性能参数
1、与MCS.51产品指令系统完全兼容
2、4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
3、1000次擦写周期
4、4.0-5.5V的工作电压范围
5、全境态工作模式：
0Hz-33MHz
6、三级程序加密锁
7、128×
8字节内部RAM
8、32个可编程I／O口线
9、2个16位定时器／计数器
10、6个中断源
11、全双工串行UART通道
12、低功耗空闲和掉电模式
13、中断可从空闲模唤醒系统
14、看门狗（wDT）及双数据指针
15、掉电标识和快速编程特性
16、灵活的在线系统编程
STC90C51芯片管脚如图2-1。
图2-1STC90C51引脚布置
图2.5单片机外围电路
2.2.4时钟电路模块
时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个30pF的瓷片电容组成。
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。
单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。
其电路如图2-2所示：
图2-2时钟电路模块
2.2.5复位电路模块
复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位电路以重新启动。
本设计采用的是按键复位电路。
其电路如图2-3所示：
图2-3复位电路模块
§
2.3传感器的选用
现在传感器的种类有很多种的，大致的分为电阻传感器、电容传感器、电感传感器以及半导体传感器等。
2.3.1气体传感器
1．气体传感器基础知识
按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：
半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。
（1）半导体型气体传感器的优缺点
半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。
不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。
（2）半导体传感器需要加热的原因
半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。
气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。
为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。
传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。
（3）电化学气体传感器的工作原理
电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以监测许多有毒气体和氧气，后者还能监测血液中的氧浓度。
电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。
不足之处是有寿命的限制一般为两年。
（4）半导体传感器和电化学传感器的区别
半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用。
而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合。
（5）固态电解质气体传感器
顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。
它介于半导体和电化学之间。
选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。
（6）接触燃烧式气体传感器
接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。
又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。
后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。
（7）光学式气体传感器
光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。
由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来监测气体。
目前因为它的结构关系一般造价颇高。
基于本文的实时要求和性价比等方面的原因，本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器。
本设计选用3SFCT传感器，具有极高的灵敏度和稳定性，体积小巧。
实物如图2-4，使用时的连接电路如图2-5。
图2-4二氧化硫传感器实物图图2-5传感器接线图
2.4二氧化硫传感器
对几种二氧化硫监测方法的优缺点的比较，考虑到工作量和可操作性的问题。
本次设计所采用的方法是二氧化硫电化学传感器的方法。
2.4.1电化学气体传感器检测原理
电化学气体传感器是一种新型的传感器技术，它是利用电解池原
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