基于AT89C52單片機(jī)的室內(nèi)有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：介紹了基于AT89C52單片機(jī)的室內(nèi)有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。著重說(shuō)明了中紅外發(fā)光二極管作為紅外光源的優(yōu)勢(shì)；詳細(xì)介紹了紅外氣體傳感器的工作原理及其在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用；AD7896在模／數(shù)轉(zhuǎn)換中的運(yùn)用；最后給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖。該系統(tǒng)對(duì)提高有害氣體的檢測(cè)效率、降低儀器成本，改善室內(nèi)空氣環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：有害氣體；紅外光譜；中紅外發(fā)光二極管；AT89C52單片機(jī)

0 引言
    當(dāng)前我國(guó)環(huán)境保護(hù)的形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，環(huán)境污染和生態(tài)破壞己經(jīng)在一定程度上嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展并日益威脅副現(xiàn)代人的健康安全，其中由于空氣污染所造成的經(jīng)濟(jì)損失和人群發(fā)病率的升高都十分驚人?？諝馕廴驹谶@里是一個(gè)廣義的概念，它既指通常意義上的大氣污染，也指室內(nèi)空氣的污染，同時(shí)也指某些特定生產(chǎn)行業(yè)如采煤、冶煉等的空氣環(huán)境的高危險(xiǎn)性。不論是何種情形，其成因都是由于空氣中有害氣體的含量超過(guò)甚至大大超過(guò)其最小容許濃度所致。
    有害氣體泛指對(duì)人體健康或生命安全構(gòu)成威脅的各種氣體，比如能使人中毒的有毒氣體、無(wú)毒但會(huì)使人窒息的氣體、可引發(fā)爆炸或易燃的氣體以及那些破壞生態(tài)、危及人類生存環(huán)境的氣體，如溫室氣體等。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體濃度的在線檢測(cè)，以lambert-beer定律為定量分析基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)定有害氣體對(duì)紅外光的吸收度來(lái)計(jì)算被測(cè)氣體濃度的實(shí)時(shí)分析儀器。整個(gè)系統(tǒng)按功能劃分為：(1)單色紅外光發(fā)射系統(tǒng)；(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(3)單片機(jī)控制系統(tǒng)三大部分。單色光發(fā)射系統(tǒng)包括中紅外發(fā)光二極管陣列及其驅(qū)動(dòng)電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括紅外探測(cè)器及其偏置電路、信號(hào)放大電路及模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)控制電路包括邏輯控制電路及顯示、報(bào)警電路等。
    圖1是系統(tǒng)的整體框圖。整個(gè)系統(tǒng)盡管按照功能劃分為幾個(gè)模塊，但在外部時(shí)鐘及單片機(jī)控制下步調(diào)統(tǒng)一地工作，實(shí)現(xiàn)了有害氣體的實(shí)時(shí)測(cè)量。

    本文所設(shè)計(jì)的有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)是以光的紅外吸收原理為理論基礎(chǔ)，單色光源所采用的中紅外發(fā)光二極管是一種非常適合進(jìn)行氣體分析檢測(cè)的紅外光源，保證了在中紅外區(qū)既能獲得很好的單色性又能得到較大的發(fā)射功率。新型的銻化錮(InSb)紅外探測(cè)器除了具有很寬的光譜范圍(2μm～7μm)，還具有很快的響應(yīng)速度(時(shí)間常數(shù)<1μs)，其很高的探測(cè)靈敏度保證了檢測(cè)的精度。通過(guò)研究幾種主要有害氣體在中紅外區(qū)的吸收峰位置，例如：甲烷—3．35 μm，氧化碳—4．65 μm，二氧化碳—4．26μm，甲醛—3．5 μm，氧化氮—5．25μm，氨氣—3．03μm。系統(tǒng)選取了一組中紅外二極管作為紅外光源，整個(gè)硬件電路圍繞著紅外光源與單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。外部獨(dú)立脈沖既驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的電流源也作為系統(tǒng)各功能模塊的同步時(shí)鐘。為了取得光電轉(zhuǎn)換后微弱信號(hào)的準(zhǔn)確值，設(shè)計(jì)了直流信號(hào)放大電路。單片機(jī)控制的A／D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，液晶顯示屏幕實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)狀態(tài)以及測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，不但易于調(diào)試、維護(hù)，還可滿足系統(tǒng)的功能升級(jí)。

2 系統(tǒng)硬件組成
    由于本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的自動(dòng)化檢測(cè)儀器，對(duì)于小規(guī)模的信號(hào)檢測(cè)，其數(shù)據(jù)處理任務(wù)并不十分繁重，所以這里選用了ATMEL公司的AT89C52，相對(duì)于89C51，AT89C52有更豐富的片內(nèi)資源。例如有8 k字節(jié)的片內(nèi)EEP-ROM，以及256字節(jié)的片內(nèi)RAM，對(duì)于本系統(tǒng)的控制程序來(lái)說(shuō)，已經(jīng)足夠，因此可以省去片外程序存儲(chǔ)器和片外RAM，降低了成本和簡(jiǎn)化了控制電路。AT89C52有3個(gè)16位的時(shí)鐘(計(jì)數(shù)器)，而且32個(gè)I／O線全部可編程，時(shí)鐘可高達(dá)24 M，和89C51相比，它的使用更加靈活。本文僅對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的外部控制與顯示、報(bào)警模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)工作流程為：由裝在室內(nèi)的紅外氣體傳感器獲得被測(cè)量對(duì)象的原始信號(hào)，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和取樣放大得到矯正后的可匹配信號(hào)，采樣保持后進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換，得到被測(cè)對(duì)象的數(shù)字量信號(hào)，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到最終的室內(nèi)有害氣體的濃度值，將此數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)碼管顯示并保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的限值參數(shù)判斷環(huán)境濃度是否超標(biāo)。
    主程序流程圖如圖2所示。

3．1 濃度顯示子程序流程圖及設(shè)計(jì)
    移位寄存器74LS164僅有串入并出作用沒(méi)有譯碼功能。
因此，在編寫(xiě)顯示驅(qū)動(dòng)程序之前，首先需要計(jì)算列寫(xiě)出與本電路對(duì)應(yīng)的LED段選碼，然后由80C52的P3．0口送入74LS164的串行輸入端，再并行輸出到LED的段選端。圖3為濃度顯示子程序流程圖。

3．2 報(bào)警子程序流程圖及設(shè)計(jì)
    當(dāng)室內(nèi)有害氣體濃度超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器會(huì)發(fā)出鳴叫聲，為防止誤報(bào)，在程序設(shè)計(jì)上，對(duì)氣體濃度進(jìn)行快速重復(fù)檢測(cè)和延時(shí)報(bào)警。圖4為報(bào)警子程序流程圖。

4 結(jié)論
    氣體檢測(cè)在環(huán)境保護(hù)和工業(yè)應(yīng)用方面都有重要價(jià)值。由于紅外區(qū)的特點(diǎn)，用紅外吸收法在這個(gè)波段探測(cè)氣體是一種可行的、優(yōu)點(diǎn)明顯的測(cè)量方法，與傳統(tǒng)的濕化學(xué)法相比，它具有反應(yīng)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單、精度高等特點(diǎn)。本文著重闡述了應(yīng)用紅外吸收法設(shè)計(jì)一種新型便捷的氣體檢測(cè)儀的總體思路，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理。
    本文提出的針對(duì)室內(nèi)環(huán)境污染的檢測(cè)方法，還有待于在實(shí)際運(yùn)用中進(jìn)一步完善與提高，比如采用更先進(jìn)的微信號(hào)檢測(cè)技術(shù)可以提高精度，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等理論可以實(shí)現(xiàn)多組分氣體檢測(cè)等等，以便切實(shí)為改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。