基于AT89S52的大氣監(jiān)測儀的設(shè)計

摘 要：設(shè)計了一款以AT89S52單片機為核心，利用電化學(xué)SO2傳感器3STF CiTipeL，將數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器采樣，AD量化，單片機處理后傳至LCD顯示，并利用按鍵設(shè)置報警值，在超過報警值時可通過點亮發(fā)光LED發(fā)出警報。該設(shè)計精確實現(xiàn)了大氣環(huán)境實時監(jiān)測，可廣泛運用于工作及生活環(huán)境大氣監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：單片機；傳感器；大氣監(jiān)測；AD采樣；外設(shè)控制

1 概述

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，能源消耗總量中原煤占的比例高達70%左右。其主要排放物為SO2，因SO2排放造成的空氣污染也日益加重。我國硫酸型酸雨在西南地區(qū)覆蓋面積廣，對土壤和植物都產(chǎn)生了生態(tài)損害；且據(jù)多項實驗表明，大氣中SO2濃度超標會產(chǎn)生對人類眼和呼吸道的強烈刺激作用，極大的威脅人類健康。國內(nèi)標準的傳統(tǒng)監(jiān)測方法主要為分光光度法，該方法采用取樣后處理的方法，操作復(fù)雜，不具有實時性。針對以上問題，本文基于AT89S52單片機設(shè)計了一款SO2濃度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用電化學(xué)傳感器采集數(shù)據(jù)，通過A/D轉(zhuǎn)換器進行處理后，將數(shù)據(jù)在LCD上實時顯示，通過按鍵設(shè)備人為設(shè)定報警值，超過該值后通過點亮發(fā)光二極管發(fā)出警報。本檢測儀結(jié)果可靠性高，可廣泛運用在生活及工作環(huán)境。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

本檢測系統(tǒng)將SO2濃度通過電化學(xué)傳感器將信息采集后，發(fā)送到單片機進行處理，再發(fā)送至LCD顯示，當(dāng)超出按鍵設(shè)置的報警值時，發(fā)光二極管亮起報警提醒外界操作處理。

本系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心，檢測儀結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計框圖如圖1所示：

3 硬件設(shè)計

3.1 傳感器的檢測原理

傳感器采用電化學(xué)原理。設(shè)計中選用3STF CiTipeL電化學(xué)傳感器來檢測SO2濃度，該傳感器由三個電極構(gòu)成，分別為：工作電極、參比電極、對電極。

發(fā)生在3STF CiTipeL傳感器的電極總反應(yīng)為：

2SO2+O2+2H2O=2H2SO4

以上為反應(yīng)機理，通過轉(zhuǎn)移電子而形成可供監(jiān)測的電流，且該電流值與當(dāng)當(dāng)前SO2濃度呈正相關(guān)關(guān)系，由此可通過計算測得得濃度。通過I/F轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換器

由于該電化學(xué)化學(xué)傳感器輸出的是電流信號，為了實現(xiàn)監(jiān)測信號與單片機之間的接口，必須使用A/D轉(zhuǎn)換器將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。本設(shè)計采用美國MAXIM公司的MAX197。MAX197是一種多量程、高精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，它只需+5V電源供電，輸入電壓范圍可由使用者靈活選擇，且具有良好的性價比。MAX197引腳功能如圖2。

3.3 中央控制單元AT89S52單片機

本設(shè)計要求系統(tǒng)達到低能耗、高性能、成本低、靈活高效等優(yōu)點，所以系統(tǒng)采用Atmel公司AT89S52單片機作為系統(tǒng)CPU，該單片機與MCS-51兼容，具有8k字節(jié)（Byte）Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，1個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。AT89S52單片機引腳圖如圖3，其中P0腳接8位AD量化輸出。

通過AT89C52的P0.0～P0.7與MAX197的D0～D7相連，既用于輸入MAX197的初始化控制字，也用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。用AT89C52單片機的P2.7作片選信號（低電平有效），則MAX197的高位地址為7FH（01111111）。AT89C52單片機的P1.1腳用做判讀高、低位數(shù)據(jù)的選擇線，直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳可與AT89C52的INT0相連，以便實現(xiàn)中斷，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

3.4 鍵盤電路

鍵盤是智能儀器中重要的人機交流接口，本設(shè)計中鍵盤是用來輸入預(yù)定的濃度范圍，以達到人為根據(jù)環(huán)境設(shè)定SO2報警濃度值的目的。本系統(tǒng)設(shè)計了三個按鍵，分別為+鍵、-鍵、向下一位移動光標鍵，來完成對參數(shù)的調(diào)整。鍵盤電路為獨立按鍵式，初始時顯示為00.0ppm，利用移動光標鍵選擇設(shè)置的位置，+鍵及-鍵可讓選中位置數(shù)字由0到9依次變化。

3.5 顯示電路

本設(shè)計濃度顯示部分采用液晶顯示器12864，以ppm為單位實時顯示SO2濃度，報警值參數(shù)設(shè)定時模塊采用8段共陽極數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA，可顯示設(shè)定值，通過單片機的功能引腳可控制液晶顯示指令。12864接口如圖4。

3.6 發(fā)光二極管報警

發(fā)光二極管用于提醒外界環(huán)境SO2濃度超過設(shè)定值，提示信號為一個單一發(fā)光二極管亮起，其電路簡單、成本低，但仍可以很好的實現(xiàn)提示報警的功能。發(fā)光二極管與單片機P1.0引腳相連，通過外部上拉電阻控制電平的高低，點亮或關(guān)掉二極管。（如圖5）

4 軟件設(shè)計

主程序軟件流程設(shè)計如圖6。

在主流程中，對采樣點進行了實時監(jiān)測，采樣點的空氣質(zhì)量變化會被實時更新，并由顯示程序顯示出來動態(tài)值，LED燈也會在濃度變化后做出及時的反應(yīng)。

其中，數(shù)據(jù)處理子程序的軟件流程設(shè)計如圖7所示。

數(shù)據(jù)處理子程序?qū)Σ蓸拥降臄?shù)據(jù)進行了去抖，防止采樣點附近突然的大氣擾動影響了測試的準確性。

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