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甚至大大超過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)，通過測(cè)定有害氣體對(duì)紅外光的吸收度來計(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)的控制程序來說，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)。
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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有譯碼功能。
因此，在編寫顯示驅(qū)動(dòng)程序之前，首先需要計(jì)算列寫出與本電路對(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)。