基于51单片机的有害气体检测系统设计

基于51单片机的有害气体检测系统设计

一、选题简介、意义

当气体传感器技术发展的如火如荼之时，气体传感器测试家属的发展并未跟上气体传感器技术发展的速度。目前我国气体传感器行业已有十几家中小规模的生产企业，气体传感器生产线已经很大，具备很强的生产能力，但是对于研究探索气体传感器应用的科研人员来说,有个很大的困难就是实现气体传感器的检测和选择。基于气体检测系统在现实生活中的重要作用和测试系统的发展价值，国内外的科研人员对气体检测系统的测试做了深入研究。随着可燃性气体的种类和应用范围的增加，其使用场所和贮存仓库内的泄漏，火灾爆炸事故日益增多，从安全、环保及经济上考虑，设计一种检测可燃气体自动报警装置的控制器是非常必要的。单片机具有通用性强、体积小、价格低、稳定可靠等优点，在智能产品、测控系统等领域得到了广泛的应用，本课题的可燃气体监测系统可显示被测气体的报警等级以及改变报警标准，当其电压值小于规定标准值时一切正常，当电压超过规定的标准值时根据蜂鸣器报警级数以此提醒人们危险。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

研究的内容

本设计的主要内容是基于单片机控制的气体监测电路，显示电路等外围电路。主要包含以下几个方面：一方面是组合测量电路与A/D转换器以完成信号到电压的转换，二是用单片机控制外围电路的显示，三是设计外围电路和单片机的接口电路，四是编写主程序、数据采集子程序、报警程序等程序。

（1）主要介绍了国内及国外的气体检测的要求，现状及发展。了解气体浓度检测系统在现实生活中的重要作用和测试系统的发展价值。

（2）主要介绍室内空气主要污染物及危害。室内主要污染物包括酒精、甲烷、一氧化碳等，当浓度超过一定的限度，会对人的身体健康造成不利影响。

（3）主要介绍半导体气体传感器工作原理。为了对甲醛、甲烷、一氧化碳检测，分别采用了MQ-138、MQ-7、MQ-4三种传感器，本部分详细介绍了传感器的工作原理，及测量信号与浓度值得对应关系。

（4）主要介绍系统硬件设计。硬件电路由数据采集、数据转换、数据处理、结果显示和报警等部分组成，本设计所用到的芯片有AD0809模数转换芯片、AT89C51单片机还有一些气体传感器、复位电路、驱动电路、LED显示模块。

（5）主要介绍系统软件设计。软件部分包括数据采集、处理、显示、报警等部分。

解决的问题

（1）如何组合测量电路与A/D转换器以完成信号到电压的转换，

（2）如何用单片机控制外围电路的显示，

（3）如何设计外围电路和单片机的接口电路，

（4）如何编写主程序、数据采集子程序、报警程序等程序。

预期目标：

本课题的气体测试仪可显示被测气体的报警等级以及改变报警标准，当其电压值小于规定标准值时一切正常，当电压超过规定的标准值时根据蜂鸣器报警级数以此提醒人们危险。

研究步骤：

查找资料，了解气体浓度监测系统设计的主要内容和难点

1.查找相关文献，提出系统设计方案；

2.根据方案需求选择硬件；

3.使用仿真软件编写程序；

4.制作并调试硬件电路；

5.进行功能测试并记录实验结果；

6.撰写论文。

研究方法、措施：

1、图书馆搜索相关书籍及期刊论文。

2、从internet网搜索课题相关设计方案及理念

3、询问指导老师，解决问题。

三、设计（论文）体系、结构（大纲）

第一章绪论

第二章气体浓度监测系统的总体设计

第三章气体浓度监测系统的硬件设计

第四章气体浓度监测系统的软件设计

第五章气体浓度监测系统的硬件和软件调试

第六章总结

参考文献

设计结构：

第一章绪论

第二章气体浓度监测系统的总体设计

第三章气体浓度监测系统的硬件设计

3.1 气体传感器放大电路设计

3.2 数据转换设计

3.3 数据处理设计

3.4 声光报警电路设计

3.5 显示电路设计

第四章气体浓度监测系统的软件设计

4.1 主程序流程图设计

4.2 显示子程序流程图设计

4.3 数据处理

4.4 读取和中断程序设计

第五章气体浓度监测系统的硬件和软件调试

第六章总结

参考文献

第一章绪论

1.1 项目的研究背景

随着人民生活水平的提高和对环境问题及健康问题的日益重视，室内空气品质状况受到越来越多的关注。仅以人类自身来说，其日常生活和生产活动都与周围的大气环境密切相关，大气的变化对人类有极大的影响。空气中还有有毒气体，会给人类带来灾难。可燃气体的泄露会引起爆炸和火灾使人类的生命和财产遭受损失。随着工业规模逐渐扩大，产品的种类不断增多，气体原料和生产过程中的产生的气体种类和数量不断增多，尤其是石油﹑ 化工﹑ 煤炭和汽车等工业发展，致使大气污染日益严重。酸雨﹑温室效应和臭氧层破坏成为严重的环境问题。环境污染已逐渐影响到人类的生存。因此，对人类生存和生产环境中的各种气体，气味进行准确的检测和分析是必要的。长期生活和工作在有污染的室内环境中，易出现不适感，症状多为头痛﹑ 流鼻涕﹑ 眩晕﹑ 行动迟缓和记忆力衰退等，世界卫生组织将此种现象称为“致病建筑物综合症” 。有资料显示新装修的家庭居室中常见的有害物质大约 300 多种，其中易对人体造成伤害，甚至致癌的有 20 多种，主要包括苯﹑ 甲苯﹑ 二甲苯﹑ 乙苯等挥发性有机气。易燃易爆气体也是不容忽视的有害气体。如果此方面未得到有效控制与管理的话，为其后果所付出的代价是极为巨大的。

现代化生活的飞速发展，导致了城市气体越来越复杂，对人类的影响也越来越大。液化石油气的开发利用大大造福于家庭生活，同时也带来了更多的爆炸或火灾隐患。为了确保大气环境的“质量” 和家庭用气的安全，就离不开准确有效的气味检测与报警手段: 许多作业过程(如炼钢、发酵、冶金、矿井以及汽车)都需要对相关气体进行严格监控或快速调节，否则将招致重大事故与损失。正因为气体与人类的生存和活动如此密切相关，人类很早就开始了对气体的检测及控制方法的研究。

酒类、烟草、茶叶等食品的质量主要是靠人的感官来进行判断，感官评

定主要依赖人的生理和心理条件，其本身是一门精巧的技术。这类工作通常需要训练有素、经验丰富的专家进行。人工鉴别带有很大的主观因素。从某种意义上讲，由于受经验、情绪等主观因素的影响，感官评定方法的评判结果随鉴别人员的不同而存在相当大的个体差异，即使同一人员也随其身体状态、情绪变化等的不同而产生不同结果。由此可见，人的感觉器官的缺点包括主观性，重复性差(即，结果随测试时间，健康情况，先前分析的气味，疲劳程度，等等因素波动) ，耗时长和花费人力巨大。另外，人的感觉器官不能用于检测有毒气味、连续工作和远程操作。

1.2国内外研究现状

由于现代生活节奏的加快，人们在起居室、办公室等室内环境的滞留时间越来越长。如果把工作、居住和休闲的时间都加在一起，在西方工业发达国家人们在室内停留的时间己达全天的93%左右，而我国也超过了全天的85%室内空气品质状况直接影响人们的身体健康。恶劣的室内空气是不良建筑物综合症的主要原因。美国环境保护局(EPA) 与世界卫生组织(WHO) 进行的联合调查表明，有大约20%的美国建筑存在严重的室内空气污染， 40%有一定程度的室内空气污染，另40%存在轻微或没有室内空气污染。根据美国环境健康总署的调查，室内主内空气污染常常是室外空气污染浓度的2-3倍，在冬季缺乏通风，使用燃料取暖炉等情况下甚至高达100倍。一般家庭室内可检测到的污染物多达300种，而有68%的人体疾病与室内空气污染有关。美国职业安全及健康局的报告认为，在美国，企业因室内空气恶劣而造成的工时损失平均约每人每日14-15分钟。

工程师和化学家利用一般比较廉价和简便的化学或生化传感器，或利用

昂贵复杂的分析化学仪器，如气相色谱仪(GC) 和质谱仪(MS) ，对有毒和无毒气味进行分析。这两种方法的共同缺点是其试验结果并不是直接与一个气味的鉴别相关联。例如，单个化学传感器不能直接用来鉴别具体的咖啡香味。分析化学家们用气相色谱仪和质谱仪(GC/MS) 检测的结果也是如此。而且， GC 和 GC/MS 系统结构复杂，操作繁琐，造价昂贵，测试周期长，需要人进行大量的干预以进行分析，不能进行连续检测，等等。

从上面可以看出有许多种气体检测技术可帮助今天的工业来保护人类和生产，当然，每一种技术都有优点和缺点。从实际生活中可以了解没有单一最好的方法，而只有根据具体的实际情况由多种技术组合成的最好的气体检测系统。当气体传感器技术发展的如火如荼之时，气体传感器测试家属的发展并未跟上气体传感器技术发展的速度。目前我国气体传感器行业已有十几家中小规模的生产企业，气体传感器生产线已经很大，具备很强的生产能力，但是对于研究探索气体传感器应用的科研人员来说, 有个很大的困难就是实现气体传感器的检测和选择。基于气体检测系统在现实生活中的重要作用和测试系统的发展价值，国内外的科研人员对气体检测系统的测试做了深入研究。

1.3主要研究内容与论文结构

本课题主要内容包括室内空气主要污染物及危害，半导体气体传感器的工作原理，以及检测系统的软硬件组成。

第一章主要介绍了国内及国外的气体检测的要求，现状及发展。了解气体浓度检测系统在现实生活中的重要作用和测试系统的发展价值。

第二章主要介绍室内空气主要污染物及危害。室内主要污染物包括酒精、甲烷、一氧化碳等，当浓度超过一定的限度，会对人的身体健康造成不利影响。

第三章主要介绍半导体气体传感器工作原理。为了对甲醛、甲烷、一氧化碳检测，分别采用了 MQ-138、 MQ-7、 MQ-4 三种传感器，本部分详细介绍了传感器的工作原理，及测量信号与浓度值得对应关系。

第四章主要介绍系统硬件设计。硬件电路由数据采集、数据转换、数据处理、结果显示和报警等部分组成，本设计所用到的芯片有 AD0809 模数转换芯片、AT89C51 单片机还有一些气体传感器、复位电路、驱动电路、 LED 显示模块。

第五章主要介绍系统软件设计。软件部分包括数据采集、处理、显示、报警等部分。

第六章主要介绍毕业设计总结，主要讲述本人在做毕业设计的过程中的一些心得体会。

参考文献

[1] 孙福生, 张丽君, 等. 环境监测实验. 化学工业出版社. 2007.

[2] 曲建翘, 薛丰松. 室内空气质量检验方法指南. 中国标准出版社. 2002.

[3] K. Persuade and G. H. Dodd. Nature(London) , 299(1982) .