臭氧气体浓度检测系统之硬件电路实现部分.docx
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臭氧气体浓度检测系统之硬件电路实现部分
基于单片机的臭氧气体检测系统
——硬件电路分析与实现部分
摘要:
MQ131气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。
当传感器所处环境中存在臭氧气体时,传感器的电导率随空气中臭氧气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ131气体传感器对臭氧的灵敏度高,对氯气、二氧化氮等强氧化性气体也有一定的灵敏度,对有机干扰气体向与臭氧相反的方向反应。
关键字:
臭氧气体检测,QM—N313气敏传感器,臭氧报警电路
1引言
1.1目的和意义
近日,上海市消保委在不断接到市民咨询之后,实施了一次空气净化器比较大测试。
消保委通过各种渠道购买了22台空气净化器,均为各品牌中高端型号。
之后消保委委托上海市环境保护产品质量监督检验总站按照国标等标准对消费者普遍关心的PM2.5净化效率、甲醛净化效率、能效等级等性能指标进行了测试。
消保委比较测试,结果并非全如广告所言很多产品都夸大宣传。
其实,这样的测试早在今年的三月份,《广州日报》就联合第三方检测机构对空气净化器做了测试,发现松下、飞利浦等品牌的空气净化器效果被厂家夸大。
号称的PM2.5祛除率98%实测仅40%。
更有专家指出,空气净化器在运行时产生臭氧可致癌。
据了解,负离子型和静电型空气净化器是松下的主打机型。
记者走访中发现,松下等品牌空气净化器在运行时产生臭氧早已是业内“皆知的秘密”,但当消费者问起时,销售人员却常常是避而不谈。
而大多数空气净化器外包装上也没有关于臭氧产生情况的说明或提示。
与之相反,记者发现市场中还是有负离子机器既不产生臭氧,也没有静电。
此款产品就是上海赛路美研发制造的负离子发生器。
经多家检测中心检查,该公司的产品释放的负离子是等同于自然界负离子的负离子。
中国室内环境监测工作委员会秘书长宋广生介绍:
“负离子空气净化器在工作时如果产生臭氧,达到一定浓度时对人体也有害,不仅有臭味,也可能致癌。
”下面我们就来认识下“臭氧”是什么?
●臭氧是什么?
高空臭氧是天然大气的重要微量成分,它在平流层中因其吸收大部分太阳辐射中对生物有害的紫外线,起到保护人类及其他生物的重要作用;但近地臭氧是种污染物,浓度升高会造成一系列不利于人体健康的影响,如刺激眼睛和呼吸道,影响肺功能等。
值得注意的是,室内复印机也会产生臭氧,就是复印机工作时可以闻到的独特味道,所以大家要避免长时间待在复印机边上。
● 臭氧超标有啥危害?
每天吸入6微克的颗粒物,患心脏疾病的风险就会增加4.6%。
空气中臭氧浓度的增加同样也会增加罹患心脏疾病的风险,臭氧浓度增加千万分之一,患病风险就会提高4.4%,尤其是对于男性更加明显。
根据我国目前实行的标准,臭氧浓度超过200微克/立方米时,儿童、老年人及心脏病、呼吸系统疾病患者就应该减少长时间、高强度的户外锻炼。
1.2研究概况及发展趋势
臭氧是一种强氧化剂,具有很强的杀菌消毒、漂白、除味等特性,因此广泛应用于水消毒、食品加工杀菌净化、食品贮藏保鲜、医疗卫生和家庭消毒净化等方面的产品。
在臭氧发生器生产和应用中,一定的臭氧浓度是保证消毒氧化效果、节约能源和防止污染的重要参数。
1.臭氧发生器产量的标定
发生器的臭氧产量是其最主要、最基本的技术指标,而产量又是通过测定臭氧浓度后计算得出的。
严格说,没有测定臭氧浓度的可靠手段就不可能生产出合格产品,目前市场臭氧发生器产量虚报假冒主要表现为没有臭氧浓度指标或不真实。
2.臭氧浓度保证消毒效果
只有保证和其它消毒杀菌剂一样,只有达到足够的剂量,作用一定时间才能达到消杀效果。
例如当臭氧浓度为0.08~0.6ppm时,对空气中细菌繁殖体中的大肠杆菌作用30min,其平均杀灭率达84.60~99.9%,而空气中臭氧浓度为0.34~0.85ppm时,作用10~30min,其杀灭率可达99.47~99.97%。
又如臭氧对空气消毒时,当浓度为0.21mg/L时,作用10min对金黄色葡萄球菌杀灭率达90.81%,如提高浓度为0.72mg/L时,作用时间仍为10min,杀灭率可达99.99%。
一般讲臭氧的浓度愈高其杀菌效果愈好。
3. 环境臭氧浓度不能过高
臭氧除了对人类有益的一面外,同时它又是一种对环境污染的物质,我国环境空气质量标准(GB3095-1996)中规定臭氧的浓度限值(1小时平均)一级标准为0.12mg/m3;二级标准为0.16mg/m3;三级标准为0.20mg/m3。
臭氧的工业卫生标准大多数国家最高限值为0.1ppm(0.20mg/m3)。
因此利用臭氧消毒杀菌浓度不应过高,臭氧发生器的产量不是越高越好。
例如:
一般家庭用室内杀菌的臭氧发生器产量应在200mg/h左右,最高不要超过400mg/h。
这样,在臭氧杀菌工作30~60min后,室内残余浓度低于果品家卫生标准要求。
需要注意的是,一些过敏体质的人,长时间暴露在臭氧含量超过0.18mg/m3的环境下,回出现皮肤刺痒,呼吸不畅,咳嗽及鼻炎等症状。
浓度再高,会给人体造成更大的伤害
国家标准臭氧浓度测定方法
氧浓度检查方式大致可分为―化学分析法、―物理化学分析法、―物理分析法三类。
1.化学检查法
1.1 碘量法
碘量法是最常用的臭氧测定方式,我国和许多国家均把此法作为测定气体臭氧的标准方式,我国建设部发布的《臭氧发生器臭氧浓度、产量、电耗的测量》标准CJ/T3028.2—94中即规定使用碘量法。
其原理为强氧化剂臭氧(O3)与碘化钾(KI)水溶液反应生成游离碘(I2)。
臭氧还原为氧气。
反应式为:
O3+2KI+H2O→O2+I2+2KOH 游离碘显色,依在水中浓度由低至高呈浅黄至深红色。
利用硫代硫酸钠(NaS2O3)标准液滴定,游离碘变为碘化钠(NaI),反应终点为完全褪色止。
反应式为:
I2+2Na2S2O3→2NaI+NaS4O6两反应式建立起O3反应量与NaS2O3消耗量的定量关系为1molO3:
2molNaS2O3,则臭氧浓度CO3计算式为:
CO3=40x3x1000/1000(mg/L)式中:
CO3——臭氧浓度,mg/L;ANa——硫代硫酸钠标准液用量,ml;B——硫代硫酸钠标准液浓度,mol/L;V0——臭氧化气体取样体积,ml。
操作程序及方式参照标准CJ/T3028.2—94。
测定标准型发生器浓度很方便。
臭氧化气体积用流量计计数,NaS2O3浓度一般配制为0.100mol/L,测定精度可达±1%。
测定空气中臭氧浓度时,应用在气采样器抽气定量。
为保证测定精度,NaS2O3配为0.10mol/L。
测定水溶臭氧浓度亦可用此公式计算,只是V0代表采水量,取1000ml。
NaS2O3浓度为0.10mol/L。
碘量法优点为显色直观。
不需要贵重仪器。
缺点是易受其氧化剂如NO、CI2等物质的干扰,在重要检查时应减除其它氧化物质的影响。
1.2 比色法
比色法是根据臭氧与不同化学试剂的显色或脱色反应程度来确定臭氧浓度的方式。
按比色手段分为人工色样比色与光度计色.此法多用于检查水溶解臭氧浓度.国内检查瓶装水臭氧溶解浓度有使用碘化钾、邻联甲胺等比色液的。
其方式是利用检查样品显色液管相比较,确定测样臭氧溶解度值(0.05~0.08mg/L),要求精确的,则利用分光光度计检查。
国外利用此法做成仪器,配制标准工具与药品作为现场抽检使用,很方便。
如美国HACH公司、日本荏原公司的DPD(二己基对苯二胺)比色盘,范围为0.05~2mg/L。
美国HACH公司微型比色仪,利用靛蓝染料脱色反应。
在600nm波长比色,0.05~0.75nm/L浓度数字显示,精度±0.01nm/L。
受其它氧化剂干扰少。
1.3 检查管
将臭氧氧化可变化试剂浸渍在载体上,作为反应剂封装在标准内径的玻璃管内做成测管,使用时将检查管两端切断,把抽气器接到检查管出气端吸取定量臭氧气体,臭氧浓度与检查管内反应剂柱变色长度成正比,通过刻度值读取浓度值。
德国、日本和我国都生产臭氧检查管,浓度范围分为高(1000ppm)、中(10ppm)、低(3ppm)三种,用于检查空气臭氧浓度,适于现场应用,使用简便,但精度低(为±15%)。
2.物理方式 物理方式分析臭氧现在在国际上最流行的是紫外线吸取法。
它是利用臭氧对254nm波长的紫外线特征吸取的特性,依据比尔—郎伯(Beer-Lambert)定律制造出的分析仪器,只要选择合适长度的吸取池,就可以检查0.002mg/m3~5%(vol)浓度的臭氧。
其线形在4~5个数量级内都很好。
该法已被我国作为环境空气中测定臭氧的标准方式(GB1/T1154348)。
紫外线吸取法不但可以适用于检查气体中臭氧浓度,也可以检查水中溶存的臭氧浓度。
紫外线吸取法的仪器在美国、的国、瑞士、日本都有产品。
我国北京分析仪器厂于1985年引进了美国莫尼特(MONITORLABS)公司的 ML-8810 型紫外吸取式臭氧分析器,用于环境检查,1992年以后又陆续扩展量程到100ppm、1000ppm。
北京超能自控实验技术研究所在1999年开发了ZX-01系列紫外线吸取式臭氧分析器,其测量范围从0~10ppm(用于环境检查)、0~100ppm、0~1000ppm、0~10000ppm到0~25000ppm。
2.总体方案论证与设计
根据所要实现的功能划分,系统一共需要以下几个模块:
主控电路模块、显示模块、传感器数据采集和AD采样模块,我们根据各自分工的介绍不同的模块。
今天我在这里主要介绍主控电路模块的实现。
2.1基本硬件电路设计
1:
目的:
设计电路,用QM-N313这种气敏传感器来检测臭氧气体,设计过程中,先利用软件进行模拟电路仿真,达到瓦斯报警的效果,然后按照模拟图连接实物图以实现臭氧报警的功能。
2:
要求:
设计出的电路要能检测臭氧、有毒气体,并且实现报警的功能,既可以用于臭氧报警。
另外,装置还应该具有高灵敏度和抗干扰强的的优点。
二:
设计原理
1:
基本测试电路设计图:
传感器基本原理图
报警系统模拟电路图仿真设计
2:
电路图分析:
我们将所设计电路图分为四个部分:
1)电源电路部分:
电源由电池、稳压管Dw、电容C1等组成,电池选用12V叠成电池,经开关SA为电路提供12V电压,同时稳压管Dw为检测与放大电路提供6V的电源。
2)电路检测部分:
电路检测部分是该电路的主体部分,检测元件为低功耗、高灵敏度的QM-N313型气敏传感器,在仿真时鉴于QM-N313型气敏传感器的工作原理,我们利用一个滑动变阻器来代替它进行仿真。
如图所示为自动检测部分电路和该类传感器的电路图和实物图。
对QM-N131气敏传感器的简介:
MQ131气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。
当传感器所处环境中存在臭氧气体时,传感器的电导率随空气中臭氧气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ131气体传感器对臭氧的灵敏度高,对氯气、二氧化氮等强氧化性气体也有一定的灵敏度,对有机干扰气体向与臭氧相反的方向反应。
1、传感器模块部分:
图一:
电路图
图二:
实物图
2、MQ131基本技术指标
3、MQ131测试参数:
下成正比。
如下图所示
MQ-N313气敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内,加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有4只针状管脚,其中2个用于信号取出。
其中QM-N313气敏传感器的工作原理:
1、当气敏传感器QM-N313不接触臭氧时,其A、B两极间呈高阻状态;当气敏传感器QM-N313处于某一个浓度的臭氧环境中时,当测量浓度大于设定浓度时,单片机IO口输出低电平。
3)信号放大部分:
由晶体管9014或者9013构成的放大电路,用来放大检测到的信号。
如图所示为信号放大部分电路和三极管9014的实物图。
4):
显示电路部分:
显示电路选用LED条形驱动器集成块LM324,下图为显示电路的电路结构图。
其中LM324的引脚图为:
芯片LM324:
其实质为四个比较器,比较器的工作原理是:
当正输入引脚的电压比负输入引脚的电压大时,比较器输出电压。
三:
电路工作过程分析
1:
无臭氧气体存在时:
当气敏传感器QM-N313不接触烟雾或可燃气体时,其A、B两极间呈高阻抗,使得LM324内部四个比较器的正输入端电压趋于0V,所以比较器输出为零,LED1到LED4均不亮。
2:
有臭氧气体存在时:
当气敏传感器QM-N313处于一个浓度的可燃性气体时,QM-N313的A、B两电极端电阻变小,使得LM324四个正输入端引脚有一定的电压,当比负输入引脚大时,比较器输出电压,经放大器放大,使相应的发光二极管点亮,LED被点亮的只数,取决于四个正输入端引脚电位的高低。
当正输入端引脚电位比2这个负引脚的电位还低时,LEDl-LED5均不亮。
当正输入端引脚电位随着A、B两电极端电阻的变小而逐渐变大时,依次大于2、6、9、13这四个负输入引脚,比较器输出正电压,使三极管导通,LEDI~LED5被依次点亮。
即可燃性气体的浓度越高,气敏传感器QM-N313的电阻越小,LM324正输入引脚的电压越高,比较器输出正电压的个数越多,则LED1到LED4依次被点亮的只数越多。
参数计算
负输入电压:
第一个比较器的负输入电压,即LM324引脚2的输入电压V2=1/5Vcc=1V;第二个比较器的负输入电压,即LM324引脚6的输入电压V6=2/5Vcc=2V;第三个比较器的负输入电压,即LM324引脚9的输入电压V9=3/5Vcc=3V;第四个比较器的负输入电压,即LM324引脚13的输入电压V13=4/5Vcc=4V。
比较器与三级管之间串接的电阻:
我们将发光二极管的阳极经100Ω的电阻和5V的电源相接。
三极管集电极的饱和电流Ic=Vcc/R’=5/100=0.05A
三极管基极的饱和电流Ib=Ic/β=0.05/200=0.00025A
在此我们将三极管的放大倍数β取为200,将比教器的输出电压取为4V,对硅三极管而言,其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特可,
所以串接的电阻为R=(4-0.6)/Ib=13600Ω=13.6KΩ
注:
实际我们在仿真时,R取多大都不影响实际的运行效果。
仿真图画好后,我们进行了运行,以下是我们的运行过程:
1:
亮一个灯时:
2:
亮两个灯时:
3:
亮三个灯时:
4:
亮四个灯时:
2.2单片机主控模块的选型和论证
方案一:
采用MSP430系列单片机,该单片机是TI公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。
其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处理器,提供强大的功能。
不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。
方案二
采用51系列的单片机,该单片机是一个高可靠性,超低价,无法解密,高性能的8位单片机,32个IO口,且STC系列的单片机可以在线编程、调试,方便地实现程序的下载与整机的调试。
因此选用方案二中的51系列单片机作为主控芯片。
2.3显示模块的选型和论证
方案一:
采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成,对于显示文字比较合适,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以不用此种作为显示。
方案二:
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格虽适中,对于显示数字也最合适,而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用单片机口线少。
但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位,该芯片在电路调试时往往有很多障碍,所以不采用LED数码管作为显示。
方案三:
采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,对于本设计而言一个LCD1602的液晶屏即可,价格也还能接受,需要的借口线较多,但会给调试带来诸多方便。
所以本设计中方案三中的LCD1602液显示屏作为显示模块。
2.4AD数据采集模块的选型和论证
由于本设计需要把烟雾传感器的模拟信号转换成数字信号给单片机进行读取,这里我们选用了10位的AD转换器ADC0832进行采集。
采集到的信号最终通过数学运算转换成烟雾浓度进行显示。
2.5系统整体设计概述
图2-1系统结构框图
系统由STC89C52,LCD1602,臭氧气体传感器,ADC0832,以及按键模块组成。
用户可以通过按键设置臭氧浓度的上限浓度,当超过浓度后,单片机会控制蜂鸣器报警。
3.系统硬件电路设计
3.1主控模块
主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用,需要检测键盘,温度传感器等各种参数,同时驱动液晶显示相关参数,在这里我们选用了51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。
51系列单片机最初是由Intel公司开发设计的,但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商,譬如SST、Philip、Atmel等大公司。
因此市面上出现了各式各样的均以51为内核的单片机。
这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51指令、并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的。
STC89C52有40个引脚,4个8位并行I/O口,1个全双工异步串行口,同时内含5个中断源,2个优先级,2个16位定时/计数器。
STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM),和128B的数据存储器(RAM)组成。
STC89C52单片机的基本组成框图见图3-1。
图3-1STC89C52单片机结构图
3.1.1STC89C52单片机主要特性
1.一个8位的微处理器(CPU)。
2.片内数据存储器RAM(128B),用以存放可以读/写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等,SST89系列单片机最多提供1K的RAM。
3.片内程序存储器ROM(4KB),用以存放程序、一些原始数据和表格。
但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM,如8031,8032,80C31等。
目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单片机里面,这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。
SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器,可供用户根据需要选用。
4.四个8位并行I/O接口P0~P3,每个口既可以用作输入,也可以用作输出。
5.两个定时器/计数器,每个定时器/计数器都可以设置成计数方式,用以对外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。
为方便设计串行通信,目前的52系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器。
6.五个中断源的中断控制系统。
现在新推出的单片机都不只5个中断源,例如SST89E58RD就有9个中断源。
7.一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。
8.片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率为12MHz。
SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz,因而大大的提高了指令的执行速度。
图3-2STC89C52单片机管脚图
部分引脚说明:
1.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2:
XTAL2(18脚):
接外部晶体和微调电容的一端;片内它是振荡电路反相放大器的输出端,振荡电路的频率就是晶体固有频率。
若需采用外部时钟电路时,该引脚输入外部时钟脉冲。
要检查振荡电路是否正常工作,可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。
XTAL1(19脚):
接外部晶体和微调电容的另一端;在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时,该引脚必须接地。
2.控制信号引脚RST,ALE,PSEN和EA:
RST/VPD(9脚):
RST是复位信号输入端,高电平有效。
当此输入端保持备用电源的输入端。
当主电源Vcc发生故障,降低到低电平规定值时,将+5V电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操作。
RST引脚的第二功能是VPD,即接入RST端,为RAM提供备用电源,以保证存储在RAM中的信息不丢失,从而合复位后能继续正常运行。
ALE/PROG(30脚):
地址锁存允许信号端。
当8051上电正常工作后,ALE引脚不断向外输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率fOSC的1/6。
CPU访问片外存储器时,ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。
平时不访问片外存储器时,ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲,因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。
如果想确定8051/8031芯片的好坏,可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。
如有脉冲信号输出,则8051/8031基本上是好的。
ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL(低功耗甚高速TTL)负载。
此引脚的第二功能PROG在对片内带有4KBEPROM的8751编程写入(固化程序)时,作为编程脉冲输入端。
PSEN(29脚):
程序存储允许输出信号端。
在访问片外程序存储器时,此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。
此引肢接EPROM的OE端(见后面几章任何一个小系统硬件图)。
PSEN端有效,即允许读出EPROM/ROM中的指令码。
PSEN端同样可驱动8个LS型TTL负载。
要检查一个8051/8031小系统上电后CPU能否正常到EPROM/ROM中读取指令码,也可用示波器看PSEN端有无脉冲输出。
如有则说明基本上工作正常。
EA/Vpp(31脚):
外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。
当EA引脚接高电平时,CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令,但当PC(程序计数器)的值超过0FFFH(对8751/8051为4K)时,将自动转去执行片外程序存储器内的程序。
当输入信号EA引脚接低电平(接地)时,CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令,而不管是否有片内程序存储器。
对于无片内ROM的8031或8032,需外扩EPROM,此时必须将EA引脚接地。
此引脚的第二功能是Vpp是对8751片内EPROM固化编程时,作为施加较高编程电压(一般12V~21V)的输入端。
3.输入/输出端口P0/P1/P2/P3:
P0口(P0.0~P0.7,39~32脚):
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口。
作为漏极开路的输出端口,每位能驱动8个LS型TTL负载。
当P0口作为输入口使用时,应先向口锁存器(地址80H)写入全1,此时P0口的全部引脚浮空,可作为高阻抗输入。
作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。
在CPU访问片外存储器时,P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。
在此期间,P0口内部上拉电阻有效。
P1口(P1.0~P1.7,1~8脚):
P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P1口每位能驱动4个LS型TTL负载。
在P1口作为输入口使用时,应先向P1口锁存地址(90H)写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。
P2口(P2.0~P2.7,21~28脚):
P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P口每位能驱动4个LS型TTL负载。
在访问片外
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- 臭氧 气体 浓度 检测 系统 硬件 电路 实现 部分