室内有害气体监测系统设计毕业论文.doc

分类号： TB21 U D C：D10621-408-（2012）0719-0密 级：公 开 编 号：2008023018成都信息工程学院学位论文室内有害气体监测系统设计论文作者姓名：申请学位专业：生物医学工程申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：论文提交日期：独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名： 日期： 2012年 6月09日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权成都信息工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名： 日期： 2012年 6月09日毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日室内有害气体监测系统设计摘 要目前，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；另一方面，是人们日常生活中由于粗心或设备故障引起的诸如水煤气、天然气、液化石油气之类的有害气体泄露，给人体带来危害。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。本文首先分析了室内空气中甲醛、甲苯等挥发性有机物的来源及其对人体身体健康的影响，指出家庭燃气泄漏等安全隐患；然后根据51单片机系统的特点和应用方法，对有害气体监测系统的总体设计方案作了详细的论述；之后分析了各种气体传感器工作原理和性能指标；最后，重点描述了本系统的软、硬件设计原理及方案。在室内有害气体监测系统设计中，选用ATMEL公司的8位STC89C51微处理器芯片作为核心，采用了Keil操作系统作为软件开发平台，开发了基于Keil操作系统的程序。通过安装调试，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、显示以及超限及时报警等功能,达到预期设计效果。关键词：传感器；有害气体；实时监测；STC89C51Research and design of the system for indoorharmful gase monitoring AbstractAt present, the indoor air quality problems are mainly from two aspects: The one hand, gases from house decoration, toys, insecticide sprays, such as formaldehyde, volatile organic compounds (VOCs: contains BTEX) and other carcinogenic substances; On the other hand, is due to carelessness or equipment failure caused in the peoples daily life such as water gas, natural gas, liquefied petroleum gas and the like of hazardous gas leak, do harm to the human body.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.This paper first analyzes the sources of indoor air formaldehyde, toluene and other volatile organic compounds and their impact on human health and the safety hazards that household gas leak caused; then the characteristics of 51 single-chip system, the overall design methodology, as well as harmful gas monitoring system design is discussed in detail; then introduce the gas sensor working principle and the choice of gas sensor performance indicators; at last highlight the system hardware and software design principles and programs.In the indoor harmful gas monitoring system, I choose 8 ATMEL Corporation STC89C51 microprocessor chip as the core, and use the Keil operating system as a software development platform, development of procedures based on Keil operating system through installation and commissioning, achieving gases concentration monitoring, display, and alarm in time and other functions. After some adjustments，Iacheved expected results.Key words:sensor; indoor harmful gas; monitoring; STC89C51目 录1 引言11.1 课题研究背景和意义11.2 国内外应用与研究现状21.3 本课题研究的意义21.4 本文的主要任务及结构32 总体系统方案设计32.1 设计方案32.2 设计原理43 元件选型与电路设计43.1 单片机系统43.1.1 STC89C51型单片机简介43.1.2 STC89C51 引脚功能介绍53.1.3 系统的引脚接线73.2 显示电路93.2.1 LED数码管93.2.2 设计电路93.3 电源模块及声光报警模块113.3.1 蜂鸣器113.2.2 设计电路123.4 MQ-2一氧化碳传感器模块133.4.1 MQ-2 烟雾传感器133.4.2 MQ-2烟雾传感器模块143.5 MQ-2一氧化碳传感器模块153.5.1 MQ-7一氧化碳传感器153.5.2 MQ-7一氧化碳传感器模块153.6 MQ-138 醛、酮、醇类气体传感器模块173.6.1 MQ-138醛、酮、醇类气体传感器173.6.2 MQ-138 醛、酮、醇类气体传感器模块183.7 硬件设计工作流程193.7.1 硬件安装193.7.2 硬件调试214 软件工作流程及软件编写234.1 软件部分整体构思234.2 编程语言选择234.3 软件算法244.4 软件调试265 总体系统调试276 结论276.1 全文总结276.2 不足与进一步改进28参考文献29致 谢30附 录311 引言1.1 课题研究背景和意义随着人们对环境及健康问题的日益重视，对室内空气中有害气体监测的种类也越来越多，其中，人们日常生活中主要关心的气体污染问题主要存在于以下两个方面。一方面，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，由此而造成的心脑血管疾病激增，突发症状以中风、常见的半身不遂、口眼歪斜为多。中国室内装饰协会室内环境监测工作委员会于2004年在北京地区千户新装修家庭中进行的抽检结果显示甲醛超标的占60%。从其他地区青岛、南京、银川、重庆、深圳、乌鲁木齐等地有关部门的检测数据看，新装修家庭中的甲醛不合格比率都在60%以上，深圳市计量质量检测研究院2004年1至7月份，共对全市400多套房子进行了室内环境检测，90%甲醛超标。室内空气污染已被世界银行列为全球四个最关键的环境问题之一，全球每年因此而导致死亡的人数达280万人。根据中华人民共和国国家标准居室空气中甲醛的卫生标准规定：居室空气中甲醛的最高允许浓度为0.08mg/m3(=60ppb），WHO提出的甲醛气体浓度室内环境指导限值为0.1 mg/m3(=74ppb）1。在我国，每年由于煤气(主要是CO)中毒和天然气（又称甲烷，CH）中毒的案例并不鲜见。煤气中毒即一氧化碳中毒。一氧化碳是一种无色无味的气体，不易察觉。血液中血红蛋白与一氧化碳的结合能力比与氧的结合能力要强多倍，而且，血红蛋白与氧的分离速度却很慢。所以，人一旦吸入一氧化碳，氧便失去了与血红蛋白结合的机会，使组织细胞无法从血液中获得足够的氧气，致使呼吸困难。煤气中毒多见于冬天用煤炉取暖、门窗紧闭、排烟不良、液化灶具漏泄或煤气管道漏泄等。煤气中毒时病人最初感觉为头痛、头昏、恶心、呕吐、软弱无力，大部分病人迅速发生抽筋、昏迷，两颊、前胸皮肤及口唇呈樱桃红色，如救治不及时，可很快因呼吸抑制而死亡。所以，如果能够及时测试到这些气体的浓度超过正常状态，并报警提醒人们做出一定措施，那么很多家庭灾难是可以避免的。我国现有的一氧化碳报警器，一般将100ppm-200ppm作为报警浓度。因为这种浓度的一氧化碳在短时间内尚不会对健康人产生明显的影响。因此，有必要设计一种针对甲醛、甲苯、水煤气、天然气、液化石油气这些人们日常生活中经常遇到的致癌物质和常见燃气的浓度进行实时监测，为人们拥有一个健康、安全的日常生活环境提供保障2。1.2 国内外应用与研究现状在测试甲醛、甲苯等害气体方面，国外比较出名的有：美国interscan公司生产的4160.2型甲醛分析仪、美国ESC公司生产的Z.300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-40甲醛检测仪；国内的有：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.300、长春吉大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，适用于专业检测机构或实验研究机构。准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵（如英国PPM公司生产的PPM40甲醛仪约两万多元），测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定（如英国PPM公司生产的PPM400甲醛仪），需要专业人员进行操作，很难连续测定。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3。1.3 本课题研究的意义本设计利用STC89C51单片机作为监测器的控制中心即CPU,用户它来控制相关的传感器。如甲醛传感器、烟雾传感器、液晶显示器等。以此来检测室内的环境。达到实时检测室内的有毒气体的目的。使用者可以对监测系统进行相关的设置，选择监控有毒气体的种类。一旦某项指标超过所限定的临界值，这个系统可以自动的提醒家人进行相关的调节动作。例如，当有毒气体增多了，提示家人开窗通风并迅速关闭气体来源等。这样，系统在家人还没有发现危险到来之前就能够进行相关的提示操作，避免一定的危险事故的发生，从而达到监测报警实现未卜先知的目的。1.4 本文的主要任务及结构本论文所完成的任务是对室内有害气体的监测方法的研究和设计，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，用单片机来采集相关的各个变量，在液晶屏上实时的显示各种状态，并且通过按键进行相关的设置，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5章。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 元件选型与电路设计，本章主要介绍了本设计需要的元件以及其原理电路以及硬件设计过程。第四章 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。第五章 总体系统调试，主要介绍了对系统总体调试的方法与结果。 第六章 总结，对全文进行总结。2 总体系统方案设计2.1 设计方案本设计采用 STC89C52 单片机作为控制核心，直接利用甲醛传感器采集室内甲醛浓度，利用一氧化碳传感器采集室内一氧化碳浓度，利用烟雾传感器来监测烟雾的危害程序，经过处理后直接传给单片机，单片机综合分析以后，送到数码管上显示，并且通过独立键盘来设置，真题电路设计简单，具体模块框图如下：图2-1 模块框图2.2 设计原理本设计的原理是根据51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，用单片机来采集相关的各个变量，结合时钟芯片在液晶屏上实时的显示各种状态，并且通过按键进行相关的设置，超过设置界限时，进行声光报警。3 元件选型与电路设计3.1 单片机系统3.1.1 STC89C51型单片机简介89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。89C51总控制电路如下：图3-1 89C51总控制电路3.1.2 STC89C51 引脚功能介绍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P1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外部必须被拉高。 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口作为第八位地址接收。 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3-1 51单片机P3口功能口管脚备选功能P3.0RXD串行输出口P3.1TXD串行输入口P3.2/INT0外部中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0计时器0外部输入P3.5T1计时器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD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/PROG：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。 /PSEN：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，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：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。STC89C51 主要功能如下所示：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路23.1.3 系统的引脚接线根据其系统工作原理设计出如图所示的引脚接线：图3-2系统的引脚接线为了能够实现使用按键进行设置监测气体的种类，我使用了4个按键，其中三个是选择气体传感器，还有一个为复位按键。具体电路如下：图3-3 4个按键根据51单片机的特点，我采用11.0592M晶振给单片机提供时钟信号，两个各加一30pf的电容来稳定型号，由于51单片机是采用低电平复位，我又在其旁边加了一个按键，便于手动复位，电路连接如图：图3-4 手动复位由于担心声光报警时间过长，我在INT1 及INT2 接口处各加上两个按键作为外部中断以停止声音报警及闪光报警。电路图如下：图3-5 中断按键3.2 显示电路3.2.1 LED数码管 本设计采用4段/位LED数码管（能够显示4个8），LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类。它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。下面LED数码管内部引脚定义 图3-6 引脚定义 每一笔划都是对应一个字母表示 DP是小数点. 43.2.2 设计电路根据LED数码管原理设计出如图所示的引脚接线电路如图：图3-7 引脚接线电路 由于51单片机P0口内部无上拉电阻，所以我在P0口外加了1k的上拉排阻。总电路图如下：图3-8 总电路图因为本设计使用的模块较多，绘制PCB板时使用了铺地的接地方法，铺地的优点在于散热迅速，稳定性好，对模块及器件有保护作用。总PCB图如下：图3-9 总PCB图3.3 电源模块及声光报警模块3.3.1 蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。本设计采用压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 图3-10 蜂鸣器外形图3.2.2 设计电路根据蜂鸣器的和LED二极管的特性，制作出的电路图如下：图3-11 声光报警及电源模块电路图由于在总板上电源和接地接口过少，不能满足传感器等的需求，于是我在模块里加入了两排8脚排针。总电路PCB图如下：图3-12 声光报警及电源模块总PCB图3.4 MQ-2一氧化碳传感器模块3.4.1 MQ-2 烟雾传感器MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。其结构和外形如图：图3-13 MQ-2气体传感器外形图图3-14 MQ-2气体传感器结构图3.4.2 MQ-2烟雾传感器模块下图为 MQ-2气体传感器实物图。图3-15 MQ-2气体传感器模块实物图简要说明：尺寸：长32mm *宽22mm *高27mm 长X宽X高主要芯片：LM393、ZYMQ-2气体传感器工作电压：直流5伏特点：（1）具有信号输出指示。（2）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）（3）TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机） （4）模拟量输出05V电压，浓度越高电压越高。（5）对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。（6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性（7）快速的响应恢复特性其原理图如下：图3-16 MQ-2气体传感器模块电路图3.5 MQ-2一氧化碳传感器模块3.5.1 MQ-7一氧化碳传感器 MQ-7气体传感器的气敏材料， 是用在清洁空气中电导率低的二氧化锡（SnO2）。采用高低温循环检测方式低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5 . 0 V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-7传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体， 是一款适合多种应用的低成本传感器。 其结构和外形如图：图3-17 MQ-7一氧化碳传感器外形图图3-18 MQ-7一氧化碳传感器结构图3.5.2 MQ-7一氧化碳传感器模块下图为 MQ-7一氧化碳传感器模块实物图：图3-19 MQ-7一氧化碳传感器模块实物图简要说明：尺寸：长32mm *宽22mm *高27mm主要芯片：LM393、MQ-7气体传感器工作电压：直流5伏特点：（1）具有信号输出指示。（2）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）（3）TTL输出有效（信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）（4）模拟量输出05V电压，浓度越高电压越高。（5）对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性。（6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性其原理图如下：图3-20 MQ-7一氧化碳传感器模块电路图3.6 MQ-138 醛、酮、醇类气体传感器模块3.6.1 MQ-138醛、酮、醇类气体传感器MQ-138醛、酮、醇类气体传感器使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。 当传感器所处环境中存在醛、酮、醇类气体时，传感器的电导率随空气中醛、酮、醇类气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-138醛、酮、醇类气体传感器对醛、醇、酮、芳族化合物的灵敏度高。，是一款适合多种应用的低成本传感器。其结构和外形如图：图3-21 MQ-138醛、酮、醇类气体传感器外形图图3-22 MQ-138醛、酮、醇类气体传感器外形图3.6.2 MQ-138 醛、酮、醇类气体传感器模块下图为MQ-138 醛、酮、醇类气体传感器模块实物图：图3-23 MQ-138 醛、酮、醇类气体传感器模块实物图简要说明：尺寸：长32mm *宽22mm *高30mm主要芯片：LM393、甲醛感应探头工作电压：直流 5V特点：（1）具有信号输出指示灯指示；（2）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；（3）TTL输出有效信号为低电平；（低电平时信号灯亮，可接单片机IO口） （4）模拟量输出随浓度增加而增加，浓度越高电压越高；（5）对醛、醇、酮、芳族化合物具有很高的灵敏度；（6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；（7）快速的响应恢复特性；（8）带安装孔，方便固定安装；（9）探头可以插拔设计，方便试验。其原理图如下：图3-24 MQ-138醛、酮、醇类气体传感器电路图3.7 硬件设计工作流程3.7.1 硬件安装根据电路图绘制出PCB图，在打印机中打印出来，随后通过加热器转印到铜板上，腐蚀后得到电路板。我一共制作了三块电路板，第一块由于打印机墨质不好，腐蚀后得到的电路板线路混乱，断线过多所以无法使用，第二块电路板铜板质量过硬，得到的电路板钻孔困难，无法保证钻孔时焊盘固定，无法使用。在制作第三块电路板时汲取了前两块电路板的失败经验，所做出的电路板工作正常。在焊接元件的过程中发现电路图中使用的串口为公口，然而我能够买到的串口只有母口，所以对电路进行了调整，使其能够使用母口电路，调整后的电路板如下图：图3-25 串口调整后实物图根据电路图将甲醛传感器模块、一氧化碳传感器模块、烟雾传感器模块、电源、声光报警模块和总板用杜邦线连接起来得到设计出的室内有害气体监测系统。实物图如下：图3-26 室内有害气体监测系统实物图然而在整体调试的时候发现按键封装有错误，导致整块电路板在导入程序的时候无法正常工作，在对电路进行研究之后，发现已经无法补救，于是又重新做了第四块电路板，其PCB及实物图如下：图3-27 第四块电路板PCB图图3-28 第四块电路板实物图3.7.2 硬件调试电路板调试：利用鸿昌仪表生产的DT9205N万用表对电路板线路进行检测，以检查是否有断线及焊盘脱落等情况。首先将万用表打开，将指针拨向欧姆档，将红黑两笔分别接触需要检测的线路两头，如果万用表发出“滴”的一声，说明无断线；将红黑两笔分别接触需要检测的器件焊接点两端，如果万用表发出“滴”的一声说明焊盘未脱落。通过调试，电路板无断线，焊盘未脱落。传感器模块调试：由于本设计使用的三个模块调试步骤相同，所以以下统一论述。利用51开发板对传感器模块进行调试，通过编写软件使其在检测到有害气体后将51开发板上的Led二极管点亮。首先将传感器模块的VCC端接在51开发板的电源端口上，GND端接在单片机的地端，TTL高低电平输出端接在单片机P1口，将51开发板的串口连接至电脑。实物图如下：图3-29 调试传感器模块电路图打开电脑，打开Uvision软件编写调试程序，利用if语句使系统能够达到当有害气体的测试浓度大于设定浓度时，单片机P3.0口输出低电平将LED排灯点亮。编写好调试程序之后，通过STC-ISP软件将程序录入51单片机。为了使测试效果更加明显，拨动传感器模块上的电位器将其设定浓度调制适合值，利用香烟燃烧后产生的有害气体调试模块。当传感器模块接收到有害气体时，LED排灯点亮，证明传感器模块能够正常工作，如下图：图3-30 调试传感器模块电路图4 软件工作流程及软件编写软件设计是结合硬件结构共同完成整个系统设计的重要部分。软件和硬件在系统设计中是相辅相成关系，硬件的结构决定着软件的算法，软件特定的算法处理也决定了硬件的结构。另外，软件可以代替一些硬件电路，使电路结构更加简化，大批量应用时更能节约不少成本。本课题中特别注重的一点就是体积小，软件就有必不可少责任。除此之外，软件在低功耗处理上功劳也不小。系统在一般状态下能正常运行，进入低功耗模式后同样能正常实现各个功能，这一点对软件设计是一个考验。尽管如此，根据软件的具有较大灵活性和可编程微控制器的特殊原理特性，采取了许多积极有效的处理方式，最终顺利完成全套功能设计和综合调试。软件设计步骤：首先熟悉硬件结构和可编程器件的功能应用，再由系统功能需求得到软件设计的整体构思，接着选择编程语言，然后给出软件算法，拟制软件流程图，接下来实现各部分功能，最后调试细节问题并完善所有功能组合。4.1 软件部分整体构思软件部分主要对传感器模块检测到有害气体时TTL高低电平输出口输出的低电平进行处理。首先对整个程序初始化，通过按键选择工作模式后，在数码管上显示相应的工作模式，延时过后在数码管上显示目前的空气质量状态，默认为GOOD，当传感器模块检测到有害气体时，数码管显示BAD，同时激活声光报警系统，检测外部中断按键，通过外部中断按键来选择警报模式，最后通过复位按键关闭警报并初始化系统。4.2 编程语言选择 可编程器件只有89C51单片机，它支持汇编语言和C语言编程。鉴于C语言的可读性好和C语言易移植等特点，软件开发设计采用C语言编程。54.3 软件算法软件功能流程图如下：主程序运行初始化甲醛传感器模块是否输出低电平CO传感器是否输出低电平GAS传感器是否输出低