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1、 高等教育自学考试本科毕业论文 基于单片机的气体检测系统设计 考生姓名： 准考证号： 专业层次： 院 （系）： 指导教师： 职 称： 重庆科技学院 二 O 一三年九月十五 日 摘 要 本论文研究设计了一种用于公共场所及室内具有检测及超限报警功能的室内空气 质量检测系统。其设计方案基于 89C51 单片机，选择瑞士蒙巴波公司的 CH20/S-10 甲 醛传感器和 MQ-5 气体传感器。系统将传感器输出的 420mA 的标准信号通过以 AD0832 为核心的 A/D 转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由 LCD 显示甲醛浓度 值。文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程以及数据显示子系
2、统和报警电路 的设计方法和过程。系统对于采样地点超出规定的甲醛容许浓度和天然气规定浓度时 采用三极管驱动的单音频报警电路提醒监测人员。同时，操作人员对于具体报警点的 上限值可以通过单片机编程进行设置。 另外，该系统对浓度信号进行了信号补偿等处理，减少了测量误差，因此，具有 较高的测量精度，而且结构简单，性能优良。本系统的量程为 0-10ppm，精度为 0.039ppm 。 关键词关键词: : 甲醛检测，天然气检测，AT89C52 单片机 A ABSTRACTBSTRACT This thesis design of a paper for public places and indoor te
3、sting and over-limit alarm functions with indoor air quality testing system. Its design is based on 89C51 single chip, with the choice of MQ-5 gas sensors and CH20/S-10 formaldehyde sensor from Switzerland mengbabo company. Sensor system will output 4 20mA standard signal through the core ADC0832 fo
4、r A / D conversion circuit after conditioning, by the single-chip microcomputer for data processing, at last display the formaldehyde concentration on the LCD . The article detailed the data acquisition subsystem, data processing and data display and alarm system circuit design method and process. W
5、hen the sampling sites when the formaldehyde and Natural gas concentration exceeded，To the single-transistor drive circuit audio alarm will sound the alarm，Testing staff to remind. At the same time，The concentration of formaldehyde, Can be set through the single-chip programming. In addition, the sy
6、stem signals a concentration compensation signal processing, a reduction of measurement error, therefore, have a high measurement accuracy, and simple structure, excellent performance. The range of the system for 0-10ppm, accuracy 0.039ppm. Keywords: Formaldehyde detection, Natural gas detection, AT
7、89C52 single-chip 目 录 摘摘 要要.I ABSTRACTABSTRACTII 1 1 绪论绪论.1 1.11.1 设计的意义设计的意义.1 1.21.2 设计的内容设计的内容1 1.31.3 发展背景发展背景1 总体方案设计总体方案设计3 2.12.1 总体方案设计总体方案设计3 2.22.2 总体电路概念图设计总体电路概念图设计.3 3 3 硬件设计硬件设计4 3.13.1 主控芯片主控芯片 AT89C52AT89C52 的设计的设计.4 3.23.2 传感器设计传感器设计.5 3.33.3 模数转换设计模数转换设计.7 3.43.4 按键设计按键设计.9 3.53.5
8、外围扩充存储器设计外围扩充存储器设计10 3.63.6 时钟芯片设计时钟芯片设计.10 3.73.7 LCDLCD 显示器设显示器设计11 4 4 软件设计软件设计13 4.14.1 主程序模块设计主程序模块设计.13 4.24.2 模数转换设计模数转换设计13 4.34.3 按键模块设计按键模块设计13 4.44.4 时钟模块设计时钟模块设计14 4.5LCD4.5LCD 显示模块设计显示模块设计15 5 5 系统仿真系统仿真16 5.15.1 编译软件介绍编译软件介绍16 5.25.2 主程序主程序.16 结论结论22 致致 谢谢23 参考文献参考文献24 1 绪论 1.1 设计的意义 甲
9、醛是一种无色，有强烈刺激性气味的气体。易溶于水、醇和醚。甲醛在常温下 是气态，通常以水溶液形式出现。其 37%的水溶液称为福尔马林，医学和科研部门常 用于标本的防腐保存。此溶液沸点为 19.5故在室温时极易挥发，随着温度的上升甲 醛的挥发速度加快。在我国有毒化学品优先控制名单中甲醛列居第二位。甲醛已被世 界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。甲醛是原浆毒物，能与蛋白质结合，吸入高浓 度甲醛后会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘皮肤 直接接触甲醛，可引起皮炎、色斑、坏死。经常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出 现粘膜充血、皮肤刺激症、过敏性皮炎、指甲角化和脆弱等。全身症状有头
10、痛、乏力、 心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等。 天然气、液化天然气（俗称煤气罐）是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃， 其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧 化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以 气体状态存在，戊烷以上为液体。天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健 康的物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的 40%左右，产生的二氧化硫也很少。天然气易 燃易爆和空气混合后，温度达到 550左右就会燃烧；其混合物浓度达到 5%15%，遇 到火种就会爆炸。天然气热值高，约 850010000 千卡/米 3，天然气燃烧
11、后发出的热 量是相同体积的城市煤气的 2.5 倍左右。 1.2 设计的内容 本论文主要完成室内空气质量检测仪的软件设计，设计内容包括：A/D 转换器程序、 控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示等。 本系统采用单片机为控制核心，以实现室内空气质量检测仪的基本控制功能。系 统主要功能内容包括：数据处理、时间设置、开始测量、超标报警、键盘检测、自动 休眠：仪器若不进行称量操作，5 分钟后自动进入休眠模式，以降低电源消耗。 本系统设计采用功能模块化的设计思想，系统主要分为总体方案设计、硬件和软 件的设计三大部分。 1.3 发展背景 室内甲醛污染和天然气泄露对人身体健康影响较大，标准规定的方法绝大多数
12、是 化学分析法,使用的手段是实验室分析仪器 主要有比色计、 分光光度计、化学滴定、 气相和液相色谱。但这些方法费力费时、成本高、自动化程度低过程复杂、大多数过 程是人工操作很难做到现场实时控制随着传感器和计算机技术的不断发展，现已有了 基于单片机的空气质量检测仪，并且测试测试范围、分辨率、精度、稳定性已接近标 准要求。因此本设计可选用基于电化学原理的甲醛传感器与 MQ-5 气体传感器。甲醛传 感器其原理是空气中的甲醛在电极下发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的 甲醛浓度成正比，通过检测放大电路和放大倍数的调整经 A/D 转换后送单片机；MQ-5 气体传感器由微型 AL2O3 陶瓷管、Sn
13、O2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件组 成，通过检测放大电路和放大倍数的调整经 A/D 转换后送单片机，由单片机现场自动 控制检测并显示甲醛浓度和煤气、天然气主要参数。 外围扩充存储器 传感器 AT89S52 时钟 信号调制 A/D LCD 按键 总体方案设计 2.1 总体方案设计 室内甲醛污染和天然气泄露对人身体健康影响较大，标准规定的方法绝大多数是 化学分析法,使用的手段是实验室分析仪器 主要有比色计、 分光光度计、化学滴定、 气相和液相色谱。但这些方法费力费时、成本高、自动化程度低过程复杂、大多数过 程是人工操作很难做到现场实时控制随着传感器和计算机技术的不断发展，现已有了 基于
14、单片机的空气质量检测仪，并且测试测试范围、分辨率、精度、稳定性已接近标 准要求。因此本设计可选用基于电化学原理的甲醛传感器与 MQ-5 气体传感器。甲醛传 感器其原理是空气中的甲醛在电极下发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的 甲醛浓度成正比，通过检测放大电路和放大倍数的调整经 A/D 转换后送单片机；MQ-5 气体传感器由微型 AL2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件组 成，通过检测放大电路和放大倍数的调整经 A/D 转换后送单片机，由单片机现场自动 控制检测并显示甲醛浓度和煤气、天然气主要参数。 2.2 总体电路概念图设计 总体的硬件系统结构框图如图 2-1
15、 所示 图 2-1 硬件电路结构图 3 硬件设计 3.1 主控芯片 AT89C52 的设计 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内 含 8K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和 256K bytes 的随机存取 数据存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准 MCS-51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器和 FLASH 存储单元，功能强大，AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。 主要性能参数： 与 MCS-51 产品指令和引脚完全兼容 8K 字
16、节可重擦写 FLASH 闪存存储器 1000 次写/擦循环 时钟频率：0Hz24MHz 三级加密存储器 256 字节内部 RAM 32 个可编程 I/O 口线 3 个 16 位定时/计数器 6 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗的空闲和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 图 3-1 引脚图 3.2 传感器设计 从传感器过来的电压信号，必须放大，滤波，采集，转换才能被 MCU 识和 处理。由于假若每一路都设置放大、滤波等器件，那么成本会很大，所以信号 的采集一般用多路模拟通路进行选择。然而选择多路模拟开关时必须考虑以下 的几个因素：通道数量、切换速度、开关电阻和器件的封装形式。总之数据采 集与硬件的选择有很大的关系4。 甲醛传感器的选择： 甲醛传感器由甲醛探头 CH20 传感器组成。甲醛传感器/甲醛模块（CH2O 传 感器）详细介绍如下表 3-3：
