泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 趙一元

室內(nèi)有害氣體智能檢測系統(tǒng)研發(fā)

泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 趙一元

本文設(shè)計研究一套可以檢測室內(nèi)存在的有害氣體，將檢測的氣體濃度展現(xiàn)給居民并且溶度超標(biāo)時給出報警的系統(tǒng)裝置。

有害氣體；單片機(jī)；氣體傳感器；氣體檢測

現(xiàn)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(chǎn)生各種有害氣體，如泄露的煤氣等。這些有害氣體嚴(yán)重影響身體健康甚至?xí)＜吧?。我們旨在研發(fā)一種室內(nèi)氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)，隨時監(jiān)測室內(nèi)有害氣體濃度，將檢測結(jié)果顯示出來，并且當(dāng)有害氣體濃度過高時會給出報警。

一、方案選擇

本設(shè)計采用單片機(jī)作為控制核心，直接利用氣敏傳感器采集室內(nèi)氣體的溶度經(jīng)過處理后直接傳到單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)分析后，將信號送到顯示屏上，并且當(dāng)溶度超過設(shè)置值時蜂鳴器將發(fā)生報警。

在設(shè)計中，包括硬件部分和軟件部分，硬件部分包括數(shù)據(jù)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(jī)的程序編寫。

二、硬件部分設(shè)計

1.市場調(diào)研

在設(shè)計初期，先對設(shè)計中用到的傳感器、單片機(jī)、顯示器進(jìn)行市場調(diào)研，選擇適當(dāng)?shù)钠骷吞?。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(shè)計

為了實現(xiàn)室內(nèi)有害氣體的檢測并且進(jìn)行顯示，該系統(tǒng)運(yùn)用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，采集到的信息進(jìn)行放大，保持之后，送到單片機(jī)中，生成可顯示的數(shù)據(jù)信息，并運(yùn)用液晶顯示部分實現(xiàn)氣體濃度的展示，運(yùn)用報警部分實現(xiàn)氣體濃度超標(biāo)時給出警告的功能。

該檢測系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的，整個系統(tǒng)包括控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示和報警模塊等?？刂颇K是即以單片機(jī)為主的控制部分。單片機(jī)作為控制器，主要負(fù)責(zé)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、處理，并且通過軟件編程將數(shù)據(jù)編寫成能夠發(fā)送到顯示模塊的格式。數(shù)據(jù)采集模塊的主要任務(wù)是通過傳感器采集室內(nèi)有害氣體的濃度，將結(jié)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(fā)送到顯示屏，實現(xiàn)氣體濃度實施監(jiān)控。

（1）控制模塊

控制模塊包括AD轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)系統(tǒng)。由于傳感器輸出的為模擬信號，需經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能被單片機(jī)識別。系統(tǒng)采用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換、工作頻率為250kHz、轉(zhuǎn)換時間為32μs、一般功耗僅為15mw等優(yōu)點，適合于本系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用STC89C52作為主控核心，設(shè)計的單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖二，其中包括芯片、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。其中晶振電路是在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2拐角之間接石英晶體，使其構(gòu)成自激振蕩作為單片機(jī)的時鐘；復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位，由按鍵，電容和電阻組成，按下開關(guān)系統(tǒng)自動復(fù)位。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊

MQ138傳感器是一種專用于檢測甲醛濃度的半導(dǎo)體傳感器，具有價格低廉、響應(yīng)速度快、靈敏度高，性能穩(wěn)定及外圍驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點。主要應(yīng)用于家庭、環(huán)境的有害氣體探測，適宜于醇類、醛類、芳族化合物等有機(jī)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(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)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(yīng)用的低成本傳感器。

在本系統(tǒng)中甲醛傳感器、MQ2傳感器模塊所檢測的電流信號經(jīng)電位器轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為單片機(jī)識別的數(shù)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(lán)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(nèi)置8192個中文漢字、128個字符及64X256點陣顯示RAM，內(nèi)置升壓電路，可以采取串口活并口傳輸數(shù)據(jù)，具有光標(biāo)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(wěn)定，耐高溫，壽命長。在發(fā)聲時聲發(fā)音節(jié)奏長短可隨設(shè)計要求，任意開發(fā)，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(shè)計

軟件設(shè)計是結(jié)合硬件部分完成系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要組成部分。本系統(tǒng)的軟件部分即單片機(jī)處理數(shù)據(jù)并將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示部分的編程設(shè)計。軟件部分的設(shè)計與硬件部分應(yīng)密切聯(lián)系，根據(jù)硬件要求對軟件部分程序的編寫進(jìn)行設(shè)計。充分運(yùn)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(tǒng)中，要實現(xiàn)小體積、大功能的特點，軟件部分承擔(dān)著重要責(zé)任。因此采取具有比較大靈活性的可編程微控制器，實現(xiàn)所需功能。進(jìn)行軟件設(shè)計的步驟如下：

（1）對硬件的結(jié)構(gòu)和可編程器件進(jìn)行了解，以便選擇最為恰當(dāng)?shù)木幊谭绞健?/p>

（2）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行軟件設(shè)計的整體構(gòu)思，選擇編程所用語言。

（3）進(jìn)行代碼的編寫，并且燒錄到單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試。

四、結(jié)語

本次設(shè)計實現(xiàn)了實時探測室內(nèi)有害氣體以及易燃易爆氣體的濃度，當(dāng)濃度超限時進(jìn)行報警。設(shè)計中使用了低電壓、小體積、高性能的微處理器STC89C52單片機(jī)作為控制核心，整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行速度快、能實現(xiàn)常態(tài)化檢測的特點。除此之外，在系統(tǒng)設(shè)計過程中采取模塊化的設(shè)計方式，使系統(tǒng)硬件的設(shè)計、調(diào)試變得簡易，同時也方便了系統(tǒng)的升級。

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趙一元（1995—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院2013級物理學(xué)專業(yè)，研究方向：物理學(xué)。