基于單片機的氣體質量檢測系統的設計

王琳輝

摘?要：面對不斷加重的大氣污染問題，對日常活動區域內的大氣質量進行準確、實時的檢測十分必要。因此，對于室內活動區域尤其是公共場所中的空氣質量以及甲醛濃度進行超限報警功能的檢測系統進行有效的設計研究具有重要的實踐意義。本文主要介紹了一種三極管驅動的單音頻報警電路裝置用于檢測采樣地點的甲醛濃度以及天然氣濃度，通過設置不同的報警上限值來進行合理化空氣質量提醒。

關鍵詞：甲醛檢測;天然氣檢測;AT89C52單片機

在人類室內活動區域中，空氣質量好壞主要取決于甲醛濃度以及天然氣濃度，目前我國對這些室內污染氣體濃度的檢測方法主要采用化學分析法，通過對化學實驗室儀器，例如比色計、分光光度計、酸堿氧化滴定以及氣液色譜等，這些方法在檢測過程中通常會存在費時費力或者自動化程度低而成本價值高等多種問題，且檢測過程需要人工操作，無法進行自動化的現場實時檢測。近些年來，隨著傳感器技術在不同行業的廣泛應用，目前已經研發出一種通過單片機進行空氣質量自動檢測的系統，經過驗證具有測試范圍廣、分辨率高，精度準等多方面的應用優勢。基于以上研究，本文設計了適合我國當前需要且適用的空氣質量自動檢測系統的設計方案及具體實現過程。

1?總體方案設計

該系統的控制核心是單片機，通過對單片機技術的把握來實現對空氣質量檢測儀的基本控制，在應用及檢測過程中主要由基礎數據處理階段，時間及測試階段，超標報警?及自動休眠等多個部分功能。在運行過程中，儀器若出現不稱量操作等現象便會在五分鐘后進行自動休眠，來降低運行過程中的電源損耗，該系統在設計過程中采用功能模塊化的設計理念，通過對方案設計、硬件把握以及軟件防控等三個部分的管理來實現。

在軟件的設計方面需要實現對數據語言的編寫，主程序的設計把握以及功能模塊的程序實現這三大基礎，最后還需要通過硬件與軟件的結合不斷展開調試，來強化功能需求。在系統的功能模塊主要由51驅動、數據液晶顯示、時鐘電路和模數轉換這幾個部分組成。具體作用路徑如下圖所示。

2?硬件實現及單元電路設計

2.1?單片機

單片機作為系統的控制中心具有51基本型和52增強型這兩種模式，后者在運行過程中的功能作用相對較強，在存儲空間方面具有兼容性和發展性，因此，選擇了52增強型作為該系統的單片機種類，并結合實際情況，應用AT89C52單片機進行系統數據的采集的硬件電路設計。在硬件傳感器的選擇上結合本研究的實際情況，選擇了CH20/S-10甲醛傳感器和MQ-5氣體傳感器，購于瑞士蒙巴波公司。

2.2?復位電路

復位電路的設計是以開關的斷開閉合來實現的。其中，開關斷開便是上電復位電路，由于在上電過程中電容電壓不能突變，電容處于導通狀態，這一階段中RST腳的電壓與VCC相同，隨著電容的不斷充電，RST腳的電壓逐漸下降。因此，在充電階段選擇合理的充電常數，能夠保障開關閉合狀態下RST腳端的兩個機器的高電平，從而使AT89C52內部復位。開關閉合過程是手動實現的電路復位，RST腳端能夠通過電阻與VCC的電源相連接形成電阻分壓狀態，繼而實現單片機的復位。

2.3?時鐘電路

時鐘電路的設置是通過時鐘芯片來實現的，在設計過程中需要同時滿足低功耗和編程簡單的要求，這樣就能夠在縮短開發時間的基礎上實現開發成本的最小化，因此，選擇了DS1302時鐘芯片。

2.4?報警電路

日常監測設備中的報警信號通常有閃光報警、鳴音報警和語音報警三種類型，前兩種在單片機中應用相對頻繁，主要是由于硬件結構與編程相對簡單，但語音報警盡管具有警報信息相對直接的重要優勢，但其在設計過程中存在成本較高以及編程復雜等特點。在本系統的設計要求中，以低功耗為基礎需求選擇了三極管驅動的單音頻報警電路。

2.5?顯示電路

顯示電路的設計需要以數據濃度顯示來實現，在相關的產品中選取了AMPIRE128X64液晶顯示模塊，該型號的顯示器與其他類型相比具有耗電低和功能齊全等特點，動態化的液晶驅動顯示是以5V供電，符合本設計的基礎設計需求。

2.6?按鍵

由于本系統只有UP、DOWN、OK、CANCEL4個控制命令，所需按鍵較少，所以本系統選擇獨立式按鍵。獨立式按鍵是直接用I/O口線構成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵占有一根I/O口線。各根I/O口線之間不會相互影響。在此電路中，按鍵輸入部采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O口線有確定的高電平，（AT89C52.P1口內部接有上拉電阻）所以就不需要再外接上拉電阻。

在按鍵的物理應用方面需要進一步通過消除抖動作用來強化功能提升，由于硬件削抖在安裝方面還需要額外增加其余的部件，因此，本系統在按鍵電路中選擇了軟件延時削抖。

3?軟件程序設計方案

在軟件程序的設計過程中，其主模塊是管理模塊，在設計階段需要在充分考慮系統資源合理使用的前提下保障系統程序的最簡化，以此來縮短設計周期，減少調試工作量。在本系統的設計開發過程中，主模塊需要充分考慮A/D轉換與通信之間的關系問題，然后在結合不同模塊的功能情況展開層次化考慮。

設計過程中的主程序的功能發揮需要與硬件系統相結合實現便攜式甲醛檢測儀運行中的各項功能，完善以時間調整顯示、數據分析儲存及功能子函數的調用等多項程序。

4?小結

甲醛含量超量，將對人體健康造成很大的影響。隨著使用天然氣的居民越來越多，天然氣存在的潛性危害、天然氣泄露也在一步步威脅著居民的身體健康，因此，對室內空氣質量的安全檢測及及時預警便顯得十分重要。本文中設計的用于公共場所及室內甲醛濃度檢測報警系統的應用對于提升居民的生活質量，保障日常生活安全具有十分重要的應用價值。

參考文獻：

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