1、基于单片机的便携式有害气体检测装置毕业设计说明书基于单片机的便携式舱室有害气体采集装置学生姓名： 赵亚西 学号： 09020341X26 学 院： 信息商务学院 系 名： 机械工程与自动化 专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 黄晋英 2013年6月摘 要随着我国经济的快速发展，人们对生活水平和空气质量提出了更大挑战。通常，密闭空间内都可能会存在很多的有毒气体，它既可以是在密闭空间内已经存在的，也可能是在工作过程中产生的。有时，某些物质的短期突然挥发还会出现一些莫名其妙的物质，因此密闭空间内的有毒气体的种类可能是多种多样的。空气中的有毒物质一般是根据它们对于处在其空间中的人的生理学影响分为
2、两类：（1）刺激性气体，是指对眼和呼吸道粘膜有刺激作用的气体，它是化学工业常遇到的有毒气体。刺激性气体的种类甚多，最常见的有氯、氨、氮氧化物、光气、氟化氢、二氧化硫、三氧化硫和硫酸二甲酯等。（2）窒息性气体，是指能造成机体缺氧的有毒气体，窒息性气体可分为单纯窒息性气体、血液窒息性气体和细胞窒息性气体。如氮气、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳、硝基苯的蒸气、氰化氢、硫化氢等。有毒物质可以对人造成两种时间段的症状：急性或慢性。因此必须制订工作空间中各类物质的暴露水平为安全防护提供依据。在其中所待的时间和有毒气体的存在浓度有一定的关系，超过这些规定的暴露水平就会对人身安全构成极大的威胁。基于以上可以看出，
3、有关气体的浓度问题显得尤为重要。为便于设计和测量，本文选取了CH4和酒精传感器（本设计为四通道，可按需要自由添加其它传感器），研究设计了一种可以测量多种气体浓度的便携式舱室有害气体采集装置，其设计方案基于STC89C52单片机，有关气体浓度传感器来实现。系统将传感器回路输出的信号通过A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，由LCD显示浓度值。考虑到单片机计算能力有限，难以进行复杂数据处理，故单片机系统与PC机系统通过USB通信端口进行互连，从而单片机用作下位机进行数据采集和设备控制，而PC机用做上位机进行复杂的数据处理和对单片机的控制。文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程、数据显示
4、子系统以及单片机与PC机通信的设计方法和过程。关键词：有害气体，数据采集，单片机，多通道，USB通信、VCAbstractWith Chinas rapid economic development, people put forward more challenges to living standards and air quality.Usually, there may be many poisonous gases within an enclosed space, it can be both already exists in a confined space, may also
5、 be produced in the course of their work. Sometimes, some substances volatile short-term suddenly will appear some be rather baffling material, so the species of poisonous gas in closed space may be varied. Toxic substances in the air is generally based on their physiological in its space for people
6、s influence is divided into two categories: (1) irritant gas, refers to a gas stimulation irritating to eyes and respiratory tract, it is a toxic gas chemical industry encountered. Many kinds of irritant gas, the most common are chlorine, ammonia, nitrogen oxides, phosgene, hydrogen fluoride, sulfur
7、 dioxide, sulfur dioxide and two acid methyl ester, three. (2) suffocating gas, refers to toxic gases can cause hypoxia, asphyxiating gas can be divided into simple asphyxiant gases, blood asphyxiating gas and cell asphyxiating gases. Such as nitrogen, methane, ethane, ethylene, carbon monoxide, nit
8、robenzene vapor, hydrogen cyanide, hydrogen sulfide. Toxic substances can cause two kinds of time of the symptoms: acute or chronic. So we must provide the basis for all kinds of material exposure levels in the workspace for safety protection. There is a certain relationship in the presence of conce
9、ntration of the stay time and toxic gases, exceeding exposure level will these regulations pose a great threat to personal safety.Based on the above can be seen, concentration problems related to gas is very important. In order to facilitate the design and measurement, this paper selects CH4 and alc
10、ohol sensor (the design of four channel, can be free to add other sensor), the research and design of the gas collection device is harmful to a portable cabin can be a variety of gas concentration measurement, the design scheme based on STC89C52 microcontroller, the gas concentration sensor to achie
11、ve. The system will signal sensor circuit output conversion circuit by A/D after conditioning, data processing by the MCU, the LCD display the concentration. Considering the limited computing capability of MCU, difficult to carry out complex data processing, the MCU system and PC system are intercon
12、nected through the USB communication port, thus single-chip microcomputer for data acquisition and control equipment used for the lower position machine, PC machine used for data processing of complex upper machine and the control of mcu. This paper describes the data acquisition subsystem, data pro
13、cessing, data display system and the design method of communication between PC and single chip microcomputer and process.Key Words: Harmful Gas, Data Acquisition, MCU, Multi-channel, USB, VC第1章 绪论1.1选题的目的和选题的意义随着我国经济的快速发展，全国机动车辆数量和驾驶员人数猛增，在各种密闭的移动舱室环境中，由于舱室空间较小，密闭性较强，强制通风虽然可在一定程度上降低有害气体的浓度，但在某些作业条件下
14、，有害气体浓度仍可维持在一定水平1。存在大量气体状态污染物，这些气体污染物以分子状态存在，大部分为无机气体，例如CO、NO2、H2S、LEL、VOC等。在行驶条件下，车内CO、SO2、NO2、H2S和总烃冬季高于夏季，而TSP和苯夏季高于冬季，CO2，甲苯的浓度无显著性季节差异2。而长期接触低浓度CO者可出现头痛、头晕、耳鸣、无力、记忆力减退及睡眠障碍灯神经系统症状；NO2虽不溶于水，但可经O3氧化后与水结合形成酸，它对肺组织可产生剧烈的腐蚀和刺激作用，使肺泡毛细血管通透性增加，进而形成肺水肿，并可启动细胞膜质过氧化作用，进一步导致细胞膜结构损伤和功能障碍；其他气体如NH3被大量吸入后可出现流
15、泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽等，并伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等,甲醛也有潜在的致癌危险性3-5。汽车内有害气体的污染主要由苯、甲苯、二甲苯、甲醛、丙酮等有机溶剂蒸气造成。有害气体主要来自于两个方面，首先是汽车本身的内饰件。目前我国家庭汽车市场的需求十分旺盛，很多厂家的汽车下了生产线就直接进入市场。如果总装厂对汽车零部件的质量把关不严格，不符合环保要求的塑料件、地毯、车顶毡、座椅等会直接造成车内的空气污染。其次是源于车主选择的汽车装饰。含有有害物质的真皮、海绵、地胶、地垫、黏合剂等不同程度地造成车内的空气污染，威胁到人体健康6,7。1.2国内外研究现状日本在车内气体检测方面研究起步较早。自19
16、62年，日本学者Seiyama等人首先报道了半导体金属氧化物的气敏特性，并进一步做了理论研究，他们首先导入了气体检测器(Gas Detector)概念。而后，各国研究者相继在这方面做了大量工作。上个世纪七八十年代，日本株式会社电装设计出了一种基于粉尘有害气体的传感器的车载空调控制系统，这种系统能控制车内在粉尘有害气体较多情况下启动空调系统换气8。1992年，意大利的Palazzetti等人申请了关于应用于为车内空调提供控制信息的传感器单元的系统专利；1996年，加拿大Sorensen等人研究提出了基于气体传感器的车内污染控制理论方法与系统设计；2005年，韩国HWANG INSUNG等人设计出
17、一种应用于汽车或室内的多种传感器集成系统，它集成了温度检测、湿度检测、气体检测等多种功能，它可以应用于有限空间的空气参数提取，并应用到相应控制系统中9。在气体检测方面的研究近些年在国内外进展很快，但也问题不少，如检测精度灵敏度稳定性有限10。国内目前有人研制出采用气体类检测模块，通过无线遥测的方法，使远方的监测站可靠地获得移动舱室内各种有害气体的环境数据。该系统采用无线遥测技术实时采集和记录车辆在静止和行进过程中舱室内的有害气体、温湿度等状态参数和环境参数，以便分析有害气体对舱室人员身心健康的影响11,12。系统可实时监测静止及移动中密闭舱室环境中的多项指标，测试数据可全部存储，同时能通过无线
18、方式实时传送到数公里外监控车上的监测中心。测试方法是让监测系统事先把有害气体监测仪安装在舱室内的固定位置上，在监测过程中监测仪将采集到的信号一方面进行本地存贮，另一方面通过RS 485接口协议送入遥测发射装置，遥测发射装置将接收到的数据流进行编码，形成标准的PCM数据流送人发射机。发射机变成无线电波向空间发射出去，遥测地面监测中心把这些信号接收下来进行处理并绘成曲线，这样就可直观地实时监测到舱室在移动过程中的环境变化情况。1.3 论文主要内容本论文主要完成气体浓度采集装置的设计，设计的内容包括：A/D转换模块、键盘检测、数据显示、接口通信等。本系统采用单片机为控制核心，以实现装置的基本控制功能
19、。系统主要功能内容包括：数据信号采集滤波、开始测量、键盘检测控制、数据显示、USB通信等。本系统设计采用功能模块化的设计思想，本论文内容分为以下几个章节：设计器件简介和选择；硬件的设计；软件的设计和系统调试。第2章 总体方案及元器件简介本次设计的总体框图如下图2.1： 2.1数据采集系统的硬件基本组成硬件设计部分主要模块包括采集模块、转换模块、处理模块、显示模块、数据传输模块以及控制模块，主要元器件包括：MCU、A/D、LCD、电源、数据选择器、传感器、USB等芯片，以下做一些器件的简介。2.1 MCU简介本系统的数据采集以及控制部分以单片机为核心。我们选择单片机STC89C52为控制核心，主
20、要基于考虑STC89C52低功耗、超低价高速度、高可靠、超强抗静电，超强抗干扰、无法解密等优点。此外，其8K 在系统可编程Flash 存储器，512字节RAM对于本系统的程序大小而言，已基本够用。STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内振荡器及时钟电路，STC89C5X可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。同时STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护
21、方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本。STC单片机有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。STC89C52单片机引脚功能图如图2.2所示:VCC:电源电压VSS:即地XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。图2.2单片机引脚图P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻
22、辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问器件激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输
23、入(P1.1/T2EX)。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表2.1为 P1.0和P1.1的第二功能。 表2.1引脚号功能特性P1.0T2： 定时器/计数器2外部计数脉冲输入，时钟输出P1.1T2EX： 定时器/计数器2捕获重装载触发和方向控制 P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，同时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOV
24、XDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口：P3口时一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入1时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.2所示。此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作
25、时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程器件，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位复位，可禁止ALE操作。该位置复位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE
26、禁止位无效。 PSEN ：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当89C5X单片机由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为000H-FFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA 端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。表2.2 P3
27、口的第二功能 端口引脚具体第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD (外部数据存储器读选通) 2.2 模数转换器简介实现A/D转换的基本方法很多，有计数法、逐次逼近法、双斜积分法和并行转换法。由于逐次逼近式A/D转换具有速度快，分辨率高等优点，而且采用这种方法的ADC芯片成本低，所以我们采用逐次逼近式A/D转换器。逐次逼近型ADC包括1个比较器、一个数模转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元。
28、逐次逼近型是将采样信号和已知电压不断进行比较，一个时钟周期完成1位转换，依次类推,转换完成后，输出二进制数。这类型ADC的分辨率和采样速率是相互牵制的。优点是分辨率低于12位时，价格较低，采样速率也很好。ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0-5V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其具体特点如下：.8位分
29、辨率； .双通道A/D转换； .输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； .5V电源供电时输入电压在05V之间； .工作频率为250KHZ，转换时间为32S； .一般功耗仅为15mW； .8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装； .商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C； 芯片接口说明： .CS 片选使能，低电平芯片使能。 .CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 .CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 .GND 芯片参考0 电位（地）。 .DI 数据信号输入，选择通道控制。 .DO 数据信号输出，转换数据输出。 .CLK 芯片
30、时钟输入。 .VCC/VREF 电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832引脚图如图2.4所示图2.4 ADC0832引脚图ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。主要特点：ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器, 它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。其引脚图如图2.5所示。图2.5 ADC0809引脚下面说明各引脚
31、功能：IN0IN7：8路模拟量输入端。 .8位数字量输出端。 .ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 .ALE：地址锁存允许信号，输入高电平有效。 .START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 .EOC： A/D转换结束信号输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 .OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 .CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。
32、 .REF（+）、REF（-）：基准电压。 .VCC：电源，单一5V。 .GND：地。鉴于ADC0832 8位分辨率、双通道A/D转换、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容、5V电源供电时输入电压在05V之间、工作频率为250KHZ、转换时间为32 微秒、一般功耗仅为15MW等特点完全能满足设计所需要求，并且价格便宜，所以在本设计中采用ADC0832作为模数转换器件。2.3液晶显示器的简介 为了从单片机上直接了解当前采集信号的信息和机器状态，可在单片机上安装数码管（LED）或液晶屏（LCD）。数码管只能显示一些数字信息，很难从这些数字了解机器的状态。液晶显示模块是一种常用的人机界面，其在单片机系统中应用极为广泛。液晶显示模块既可显示字符，又可显示简单图形。在本设计中选用液晶屏LCD1602来作为显示模块。LCD16
