室内有害气体检测系统设计.docx

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室内有害气体检测系统设计

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摘　要

随着我国的经济快速发张，人们不仅追求对物质上的满足，也更加对生活质量提出相当高的要求。

为了享受家庭温馨和视觉上的感受，家庭装潢往往大量使用装饰材料。

可是正是这些材料释放了大量的污染气体，如甲醛、氡、氨等。

严重的威胁着人们的健康安全。

与此同时，煤气和天然气正进入千家万户，危险也进入了千家万户。

燃气的泄漏始终是悬在人们头上的达摩克之剑，如果燃气泄漏，小则会伤害人们的健康，大着就会造成巨大的生命财产损失。

本课题依据实际需要，设计一种简易的监测系统，并可以告之人们所处室内的气体溶度以及溶度超标报警。

本文设计的这个监测系统使用MQ2气敏传感器作为接收装置，以STC89C52单片机作为核心，1602液晶显示器作为显示输出，用来对室内气体的检测显示，同时加装蜂鸣器作为报警输出。

关键词：

有毒气体；STC89C52单片机；MQ2气敏传感器；检测

Designofindoorharmfulgasdetectionsystem

Abstract

WithChina'srapideconomicdevelopment,peoplenotonlythepursuitofmaterialsatisfaction,butalsomoreputforwardhighrequirementtothequalityoflife.Inordertoenjoythewarmthoffamilyandvisualexperience,familydecorationoftenusealotofdecorationmaterials.Butitisthesematerialsreleasedpollutiongas,suchasformaldehyde,radon,andammonia.Aseriousthreattopeople'shealthandsafety.Atthesametime,gasandnaturalgasintothousandsofhouseholds,theriskalsoenteredthousandsofhouseholds.GasleakageisalwayshangingintheheadoftheDamoursword,ifthegasleakage,smallwillharmpeople'shealth,andgreatwillcausegreatlossoflifeandproperty.Accordingtotheactualneeds,designamonitoringsystemissimple,andcantellthepeopletotheindoorgassolubilityandsolubilityexceedthestandardalarm.

ThismonitoringsystemisdesignedinthispaperusingMQ2gassensorasthereceivingdevice,withtheSTC89C52microcontrollerasthecore,1602LCDasdisplayoutput,usedtodisplaythedetectionofindoorgas,atthesametimeaswithbuzzeralarmoutput.

Keywords:

Poisonousgas;STC89C52microcontroller;MQ2gassensor;detection

室内有害气体检测系统设计

1引言

1.1课题研究的背景和意义

随着人们对环境及健康问题的日益重视，对室内空气中的有害气体的检测种类越来越多。

其中，人们在日常生活中关心的气体污染主要由两个方面。

其一为家装产生的污染，主要有甲醛、氡、苯等。

吸入甲醛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。

孕妇长期吸入可能导致新生婴儿畸形，甚至死亡，男子长期吸入可导致男子精子畸形、死亡，性功能下降，严重的可导致白血病，气胸，生殖能力缺失，全身症状有头痛、乏力、胃纳差、心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等。

氡是自然界唯一的天然放射性稀有气体，氡在作用于人体的同时会很快衰变成人体能吸收的核素，进入人体的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。

而苯的挥发性大，暴露于空气中很容易扩散。

人和动物吸入或皮肤接触大量苯进入体内，会引起急性和慢性苯中毒。

根据中华人民共和国国家标准《居室空气中甲醛的卫生标准》规定：

居室空气中甲醛的最高允许浓度为0.08mg/m3（=60ppb），WHO提出的甲醛气体浓度室内环境指导限值为0.1mg/m3（=74ppb）[1]。

其二为家庭燃气的污染，即煤气（CO）和天然气（CH）中毒。

常见于冬天用煤炉取暖，门窗紧闭，排烟不良以及炉灶泄漏和煤气管道泄漏等。

煤气易与人体中的血红蛋白结合，煤气中毒时病人最初感觉为头痛、头昏、恶心、呕吐、软弱无力，救治不及时，可很快呼吸抑制而死亡。

因此我们有必要设计一个气体溶度检测器，实时监控。

为人们拥有一个健康、安全的日常生活环境提供保障[2]。

1.2国内外应用与研究现状

有毒气体的检测关键部件就是气体传感器。

气体传感器从原理上可以分为三大类：

利用物理化学性质的气体传感器：

如半导体式（表面控制型、体积控制型、表面电位型）、催化燃烧式、固体热导式等。

利用物理性质的气体传感器：

如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。

利用电化学性质的气体传感器：

如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。

在测试甲醛、甲苯等害气体方面，国外比较出名的有：

美国interscan公司生产的4160.2型甲醛分析仪、美国ESC公司生产的Z.300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-40甲醛检测仪；国内的有：

江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪XP.300、长春吉大小天鹅有限公司生产的全自动室内空气甲醛、氨测定仪等。

这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研究机构。

在检测可燃气体泄露方面，国外引进产品如法国奥德姆便携可燃气体检测仪、美国ISC可燃性气体检测仪、日本新宇宙便携可燃气体检测仪；国内的产品主要有北京燕山时代仪表有限公司生产的KS.3型遥控数字显示可燃性气体变送器、沈阳市爱尔普仪器有限公司GP.09C便携式可燃气体检测仪。

目前国内外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用，操作方面国外的产品操作界面方便，功能更加完备[3]

2总体系统方案设计

2.1设计方案

本设计采用STC89C52单片机作为控制核心，直接利用MQ2气敏传感器采集室内气体的溶度，经过处理后直接传到单片机控制系统。

单片机分析后，将信号送到LCD液晶显示屏上，并且当溶度超过设置值时，蜂鸣器将发生报警。

设置值将通过键盘来控制。

下图为具体模块框图。

图2-1模块框图

2.2设计原理

本设计的原理是根据51单片机的工作原理，利用各个传感器的特性，设计相关的电路，用单片机来采集相关的各个变量，结合时钟芯片在液晶屏上实时的显示各种状态，并且通过按键进行相关的设置，超过设置界限时，进行声光报警。

3元件选型与电路设计

3.1单片机系统

3.1.1STC89C52单片机简介

图3-1STC89C52单片机实物

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

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。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

3.1.2引脚功能介绍

图3-2STC89C52单片机

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

　　　表3-151单片机P3口功能

口管脚

备选功能

P3.0

RXD串行输出口

P3.1

TXD串行输入口

P3.2

/INT0外部中断0

P3.3

/INT1外部中断1

P3.4

T0计时器0外部输入

P3.5

T1计时器1外部输入

P3.6

WR外部数据存储器写选通

P3.7

RD外部数据存储器读选通

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.1.3单片机最小系统

图3-3最小系统

3.2MQ2气敏传感器

3.2.1MQ2的基本介绍

图3-4ＭＱ２的结构图

MQ2可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。

特点有广泛的探测范围、高灵敏度、快速响应恢复优异的稳定性、寿命长、简单的驱动电路等。

3.2.2MQ2的基本参数

A.标准工作条件

符号

参数名称

技术条件

备注

Vc

回路电压

≤15V

ACorDC

VH

加热电压

加热电压

5.0V±0.2V

ACorDC

RL

负载电阻

可调

RH

加热电阻

31Ω±3Ω

室温

PH

加热功耗

≤900mW

Ｂ．环境条件

符号

参数名称

技术条件

备注

Tao

使用温度

-10℃-50℃

Tas

储存温度

-20℃-70℃

RH

相对湿度

小于　95%RH

O2

氧气浓度

21%（标准条件）

氧气浓度会影响灵敏度特性

最小值大于２％

Ｃ．灵敏度特性

符号

参数名称

技术

备注

Rs

敏感体表面电阻

3KΩ-30KΩ（1000ppm异丁烷）

探测浓度范围

100ppm-10000ppm

液化气和丙烷

300ppm-5000ppm丁烷

5000ppm-20000ppm甲烷

300ppm-5000ppm氢气

100ppm-2000ppm酒精

α（3000/

1000）异丁烷

浓度斜率

≤0.6

标准工作条件

温度：

20℃±2℃

Vc:

5.0V±0.1V

相对湿度：

65%±5%

Vh:

5.0V±0.1V

预热时间

不超过1小时

３.２.３　ＭＱ２的设计电路

本节电路使用了一个ＡＤＣ０８３２模数转化与ＭＱ２传感器相连。

如下图：

３－５　ＭＱ２的设计电路

３.３　LCD1602

３.３.１　LCD1602的基本介绍

3-6　LCD1602液晶显示器实物

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。

除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。

如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。

３.３.２　ＬＣＤ的特点

数字式接口　

体积小、重量轻　　

功耗低

３.３.３　1602LCD的基本参数和一教功能

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图10-54所示：

3-71602LCD尺寸图

1602LCD主要技术参数：

显示容量:

16×2个字符

芯片工作电压:

4.5—5.5V

工作电流:

2.0mA（5.0V）

模块最佳工作电压:

5.0V

字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm

引脚功能说明

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表:

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

数据

2

VDD

电源正极

10

D3

数据

3

VL

液晶显示偏压

11

D4

数据

4

RS

数据/命令选择

12

D5

数据

5

R/W

读/写选择

13

D6

数据

6

E

使能信号

14

D7

数据

7

D0

数据

15

BLA

背光源正极

8

D1

数据

16

BLK

背光源负极

引脚接口说明:

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

３.３.３　设计电路

根据１６０２ＬＣＤ的原理设计出如下图的引脚接线图：

3-8　ＬＣＤ的接线图

３.４　蜂鸣器

３.４.１　蜂鸣器的基本介绍

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

本设计采用压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。

多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。

当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

3-９蜂鸣器外形图

３.４.２　设计电路

根据蜂鸣器的和LED二极管的特性，制作出的电路图如下：

３－１０　蜂鸣器的设计电路

4硬件设计工作流程

4.1硬件安装

根据上面所有设计电路，可以很方便的将单片机最小系统焊接完成。

然后以最小系统为中心将接受模块的MQ2模块焊接在洞洞板上。

接着再将输出模块LCD液晶显示和蜂鸣器焊接。

本产品还有两个控制设置值得键盘按键，直接与单片机系统相连，使用调用来控制设置值来报警室内气体溶度。

同时要注意洞洞板上的焊盘很容易受到高温而脱落，焊接时必须小心。

一些精密元件也不能过长的与电焊铁相接触。

焊接时，必须把持小心。

不要讲电焊铁与人接触。

4.2硬件调试

本产品经过焊接后，必须要经过仔细检查。

电路板调试：

通过万用表对电路板线路进行检测，以检查是否有断线及焊盘脱落等情况。

首先将万用表打开，将指针拨向欧姆档，将红黑两笔分别接触需要检测的线路两头，如果万用表发出“滴”的一声，说明无断线；将红黑两笔分别接触需要检测的器件焊接点两端，如果万用表发出“滴”的一声‘说明焊盘未脱落。

通过调试，电路板无断线，焊盘未脱落。

传感器模块调试：

由于本设计使用的三个模块调试步骤相同，所以以下统一论述。

利用51开发板对传感器模块进行调试，通过编写软件使其在检测到有害气体后将51开发板上的Led二极管点亮。

整机检查：

必须将程序烧到单片机内，然后再检测整机是否可以正常运行。

并实时排除可能出现的问题。

可以设置一个较低值来检测蜂鸣器是否正常运行。

LCD是否正常显示数字。

同时可以通过与一规格的气体检测装置来调整此硬件的检测值，使测量值达到相对正确。

5软件工作流程及软件编写

软件设计是结合硬件结构共同完成整个系统设计的重要部分。

软件和硬件在系统设计中是相辅相成关系，硬件的结构决定着软件的算法，软件特定的算法处理也决定了硬件的结构。

另外，软件可以代替一些硬件电路，使电路结构更加简化，大批量应用时更能节约不少成本。

本课题中特别注重的一点就是体积小，软件就有必不可少责任。

除此之外，软件在低功耗处理上功劳也不小。

系统在一般状态下能正常运行，进入低功耗模式后同样能正常实现各个功能，这一点对软件设计是一个考验。

尽管如此，根据软件的具有较大灵活性和可编程微控制器的特殊原理特性，采取了许多积极有效的处理方式，最终顺利完成全套功能设计和综合调试。

软件设计步骤：

首先熟悉硬件结构和可编程器件的功能应用，再由系统功能需求得到软件设计的整体构思，接着选择编程语言，然后给出软件算法，拟制软件流程图，接下来实现各部分功能，最后调试细节问题并完善所有功能组合

5.1软件部分整体构思

软件部分主要对传感器模块检测到有害气体时TTL高低电平输出口输出的低电平进行处理。

首先对整个程序初始化，通过按键选择工作模式后，在LCD上显示相应的工作模式，延时过后在LCD上显示目前的空气质量状态，默认为当前测量值，当传感器模块检测到有害气体时，LCD将显示为此时的探测到的有毒气体的溶度值，同时激活声光报警系统。

通过中断调用来控制蜂鸣器报警。

最后通过复位按键关闭警报并初始化系统。

5.2编程语言选择

可编程器件只有89C51单片机，它支持汇编语言和C语言编程。

鉴于C语言的可读性好和C语言易移植等特点，软件开发设计采用C语言编程。

[5]

5.3软件算法

软件功能刘成都如下：

图5-1软件功能流程图

5.4软件调试

打开keil软件，打开程序，检查后单击编译按键，如果未发现错误和警告则说明程序能够正常运行。

编译结果如图所示：

图5-2软件编译结果图

所以程序能够正常运行。

6总体系统调试

通过串口将电脑中已经编写好的程序传输入51单片机中，打开电源，检查各模块是否正常工作。

首先将STC_ISP_V483这个串口通信软件打开，选择打开程序文件选项，找到需要录入单片机的hex文件，选择下载选项，点击后给单片机上电复位，等待信息框中显示已下载成功，说明程序已经录入单片机。

接下来首先通过按键选择工作模式，然后根据传感器模块的类型将相应的气体放置在传感器探头附近，观察LCD是否正常显示数字，并且查看键盘是否正常，设置一个较低值来检测蜂鸣器报警是否正常。

经过数次检测，装置运行正常。

检查完毕，关闭电源。

通过监测总体系统能够正常工作。

7结论

7.1全文总结

本次设计的任务是实时监测室内有毒害气体、易燃易爆气体浓度，如果实测浓度超限，则及时进行声光报警。

本次设计使用了低电压、高性能CMOS8位微处理器STC89C52单片机作为控制核心，总体电路具有运行速度快，稳定，结构简单，散热迅速等特点，采用模块化设计，这样不仅有利于系统硬件的设计和调试，同时也方便对系统进行更改和系统硬件的升级。

通过对51单片机及各种传感器模块的了解与学习，我对其工作原理以及工作方法有了更深层次的认识和理解。

为了监测室内有害气体的浓度，有害气体传感器有着不可取代的作用，通过对有害气体传感器MQ-监测有害气体的工作方式的深入研究，设计出了以51单片机为系统核心的室内有害气体监测系统，并完成了硬件设计和软件设计，通过测试表明系统工作良好，能够及时的告知使用者是否应该采取开窗通气等措施。

同时，通过对51单片机的硬件安装和软件编写等操作，使我更加熟悉51单片机的结构及工作方式，并且更加熟悉硬件的安装流程及软件的编写规范和语法，对我以后参加工作有很大的帮助。

MQ-2气体传感器模块的特点在于其简易