室內有害氣體智能檢測系統研發

泰山學院物理與電子工程學院 趙一元

室內有害氣體智能檢測系統研發

泰山學院物理與電子工程學院 趙一元

本文設計研究一套可以檢測室內存在的有害氣體，將檢測的氣體濃度展現給居民并且溶度超標時給出報警的系統裝置。

有害氣體；單片機；氣體傳感器；氣體檢測

現在房屋裝修完成后由于各種原因難免會有有害氣體殘留，如甲醛、苯系物等，平時在生活中也可能會產生各種有害氣體，如泄露的煤氣等。這些有害氣體嚴重影響身體健康甚至會危及生命。我們旨在研發一種室內氣體監測報警系統，隨時監測室內有害氣體濃度，將檢測結果顯示出來，并且當有害氣體濃度過高時會給出報警。

一、方案選擇

本設計采用單片機作為控制核心，直接利用氣敏傳感器采集室內氣體的溶度經過處理后直接傳到單片機控制系統。單片機分析后，將信號送到顯示屏上，并且當溶度超過設置值時蜂鳴器將發生報警。

在設計中，包括硬件部分和軟件部分，硬件部分包括數據收集部分、控制部分、顯示部分以及報警裝置；軟件部分主要為用到單片機的程序編寫。

二、硬件部分設計

1.市場調研

在設計初期，先對設計中用到的傳感器、單片機、顯示器進行市場調研，選擇適當的器件型號。最終選擇傳感器型號為MQ138甲醛傳感器及MQ2氣敏傳感器，其實物圖如圖1、圖2所示：

圖1　MQ138甲醛

圖2　MQ2 模塊

2.方案設計

為了實現室內有害氣體的檢測并且進行顯示，該系統運用傳感器進行數據收集，采集到的信息進行放大，保持之后，送到單片機中，生成可顯示的數據信息，并運用液晶顯示部分實現氣體濃度的展示，運用報警部分實現氣體濃度超標時給出警告的功能。

該檢測系統是以單片機為核心的，整個系統包括控制模塊、數據采集模塊、顯示和報警模塊等。控制模塊是即以單片機為主的控制部分。單片機作為控制器，主要負責將收集到的數據進行整合、處理，并且通過軟件編程將數據編寫成能夠發送到顯示模塊的格式。數據采集模塊的主要任務是通過傳感器采集室內有害氣體的濃度，將結果送至控制器。顯示報警模塊，顧名思義，就是將氣體濃度等信息發送到顯示屏，實現氣體濃度實施監控。

（1）控制模塊

控制模塊包括AD轉換器和單片機系統。由于傳感器輸出的為模擬信號，需經過模數轉換為數字信號才能被單片機識別。系統采用ADC0832模數轉換器。ADC0832模數轉換器具有8位分辨率、雙通道A/D轉換、工作頻率為250kHz、轉換時間為32μs、一般功耗僅為15mw等優點，適合于本系統。

系統采用STC89C52作為主控核心，設計的單片機最小系統如圖二，其中包括芯片、晶振電路和復位電路構成。其中晶振電路是在單片機的XTAL1和XTAL2拐角之間接石英晶體，使其構成自激振蕩作為單片機的時鐘；復位電路采用按鍵復位，由按鍵，電容和電阻組成，按下開關系統自動復位。

（2）數據采集模塊

MQ138傳感器是一種專用于檢測甲醛濃度的半導體傳感器，具有價格低廉、響應速度快、靈敏度高，性能穩定及外圍驅動電路簡單等優點。主要應用于家庭、環境的有害氣體探測，適宜于醇類、醛類、芳族化合物等有機溶劑的探測。MQ138型氣敏器件對不同的種類、不同的濃度的氣體有不同的電阻值。

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。

在本系統中甲醛傳感器、MQ2傳感器模塊所檢測的電流信號經電位器轉換為電壓信號，再經AD轉換為單片機識別的數字信號。

（3）顯示報警模塊

顯示報警模塊主要由液晶顯示屏和蜂鳴報警器組成。液晶顯示部分采用藍屏LCD12864顯示屏。此顯示屏具有漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字、128個字符及64X256點陣顯示RAM，內置升壓電路，可以采取串口活并口傳輸數據，具有光標顯示、畫面移位以及其他自定義功能，能較好的實驗所需功能。

蜂鳴器采用IC貼片工藝組合而成的有源電磁式蜂鳴器，其性能穩定，耐高溫，壽命長。在發聲時聲發音節奏長短可隨設計要求，任意開發，其電壓范圍寬廣，采取DC供電并且音量大小可隨意控制，頻率可任意選定。

三、軟件部分設計

軟件設計是結合硬件部分完成系統設計、實現系統功能的重要組成部分。本系統的軟件部分即單片機處理數據并將相應數據發送到顯示部分的編程設計。軟件部分的設計與硬件部分應密切聯系，根據硬件要求對軟件部分程序的編寫進行設計。充分運用編程所能帶來的功效降低對硬件的要求，簡化電路。在此系統中，要實現小體積、大功能的特點，軟件部分承擔著重要責任。因此采取具有比較大靈活性的可編程微控制器，實現所需功能。進行軟件設計的步驟如下：

（1）對硬件的結構和可編程器件進行了解，以便選擇最為恰當的編程方式。

（2）根據系統的功能要求進行軟件設計的整體構思，選擇編程所用語言。

（3）進行代碼的編寫，并且燒錄到單片機中進行調試。

四、結語

本次設計實現了實時探測室內有害氣體以及易燃易爆氣體的濃度，當濃度超限時進行報警。設計中使用了低電壓、小體積、高性能的微處理器STC89C52單片機作為控制核心，整個系統具有結構簡單、運行速度快、能實現常態化檢測的特點。除此之外，在系統設計過程中采取模塊化的設計方式，使系統硬件的設計、調試變得簡易，同時也方便了系統的升級。

[1]沈晉明,等.室內空氣品質的新定義與新風直接入室的實驗測試[J].1995(6):16-18.

[2]石金寶,魏復盛.定電位電解傳感器的特點和應用[J].中國環境監測,1998(2):17-20.

[3]王化祥.傳感器原理與應用[M].天津:天津大學出版社,1998:18-27.

[4]馬學童.室內空氣品質監控系統的開發與研制[D].西北工業大學碩士論文,2002.20-34.

趙一元（1995—），男，大學本科，現就讀于泰山學院物理與電子工程學院2013級物理學專業，研究方向：物理學。