基于AT89C52单片机的室内有害气体监控系统

摘要：介绍了基于AT89C52单片机的室内有害气体监控系统的软、硬件结构设计。着重说明了中红外发光二极管作为红外光源的优势；详细介绍了红外气体传感器的工作原理及其在系统数据采集中的应用；AD7896在模／数转换中的运用；最后给出了系统软件设计的主程序流程图。该系统对提高有害气体的检测效率、降低仪器成本，改善室内空气环境具有重要的现实意义。
关键词：有害气体；红外光谱；中红外发光二极管；AT89C52单片机

0 引言
    当前我国环境保护的形势越来越严峻，环境污染和生态破坏己经在一定程度上严重制约了经济的发展并日益威胁副现代人的健康安全，其中由于空气污染所造成的经济损失和人群发病率的升高都十分惊人。空气污染在这里是一个广义的概念，它既指通常意义上的大气污染，也指室内空气的污染，同时也指某些特定生产行业如采煤、冶炼等的空气环境的高危险性。不论是何种情形，其成因都是由于空气中有害气体的含量超过甚至大大超过其最小容许浓度所致。
    有害气体泛指对人体健康或生命安全构成威胁的各种气体，比如能使人中毒的有毒气体、无毒但会使人窒息的气体、可引发爆炸或易燃的气体以及那些破坏生态、危及人类生存环境的气体，如温室气体等。

1 系统工作原理与结构
    系统的设计目的是为了实现对有害气体浓度的在线检测，以lambert-beer定律为定量分析基础，通过测定有害气体对红外光的吸收度来计算被测气体浓度的实时分析仪器。整个系统按功能划分为：(1)单色红外光发射系统；(2)数据采集系统；(3)单片机控制系统三大部分。单色光发射系统包括中红外发光二极管阵列及其驱动电路。数据采集系统包括红外探测器及其偏置电路、信号放大电路及模／数转换电路。单片机控制电路包括逻辑控制电路及显示、报警电路等。
    图1是系统的整体框图。整个系统尽管按照功能划分为几个模块，但在外部时钟及单片机控制下步调统一地工作，实现了有害气体的实时测量。

    本文所设计的有害气体检测系统是以光的红外吸收原理为理论基础，单色光源所采用的中红外发光二极管是一种非常适合进行气体分析检测的红外光源，保证了在中红外区既能获得很好的单色性又能得到较大的发射功率。新型的锑化锢(InSb)红外探测器除了具有很宽的光谱范围(2μm～7μm)，还具有很快的响应速度(时间常数<1μs)，其很高的探测灵敏度保证了检测的精度。通过研究几种主要有害气体在中红外区的吸收峰位置，例如：甲烷—3．35 μm，氧化碳—4．65 μm，二氧化碳—4．26μm，甲醛—3．5 μm，氧化氮—5．25μm，氨气—3．03μm。系统选取了一组中红外二极管作为红外光源，整个硬件电路围绕着红外光源与单片机进行设计。外部独立脉冲既驱动发光二极管的电流源也作为系统各功能模块的同步时钟。为了取得光电转换后微弱信号的准确值，设计了直流信号放大电路。单片机控制的A／D转换电路实现数据的自动采集，液晶显示屏幕实时反映系统状态以及测量结果。系统软件采用模块化设计，不但易于调试、维护，还可满足系统的功能升级。

2 系统硬件组成
    由于本系统是以单片机为核心的自动化检测仪器，对于小规模的信号检测，其数据处理任务并不十分繁重，所以这里选用了ATMEL公司的AT89C52，相对于89C51，AT89C52有更丰富的片内资源。例如有8 k字节的片内EEP-ROM，以及256字节的片内RAM，对于本系统的控制程序来说，已经足够，因此可以省去片外程序存储器和片外RAM，降低了成本和简化了控制电路。AT89C52有3个16位的时钟(计数器)，而且32个I／O线全部可编程，时钟可高达24 M，和89C51相比，它的使用更加灵活。本文仅对单片机系统的外部控制与显示、报警模块进行设计。
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3 系统软件设计
    系统工作流程为：由装在室内的红外气体传感器获得被测量对象的原始信号，经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，采样保持后进入A／D转换，得到被测对象的数字量信号，再由单片机进行数据处理，得到最终的室内有害气体的浓度值，将此数据通过数码管显示并保存到数据缓冲区中，同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标。
    主程序流程图如图2所示。

3．1 浓度显示子程序流程图及设计
    移位寄存器74LS164仅有串入并出作用没有译码功能。
因此，在编写显示驱动程序之前，首先需要计算列写出与本电路对应的LED段选码，然后由80C52的P3．0口送入74LS164的串行输入端，再并行输出到LED的段选端。图3为浓度显示子程序流程图。

3．2 报警子程序流程图及设计
    当室内有害气体浓度超过报警设定值时，报警器会发出鸣叫声，为防止误报，在程序设计上，对气体浓度进行快速重复检测和延时报警。图4为报警子程序流程图。

4 结论
    气体检测在环境保护和工业应用方面都有重要价值。由于红外区的特点，用红外吸收法在这个波段探测气体是一种可行的、优点明显的测量方法，与传统的湿化学法相比，它具有反应时间短、操作简单、精度高等特点。本文着重阐述了应用红外吸收法设计一种新型便捷的气体检测仪的总体思路，并详细介绍了系统的整体结构及工作原理。
    本文提出的针对室内环境污染的检测方法，还有待于在实际运用中进一步完善与提高，比如采用更先进的微信号检测技术可以提高精度，引入神经网络、小波变换等理论可以实现多组分气体检测等等，以便切实为改善室内环境质量提供科学依据。