基于AT89C52單片機的室內(nèi)有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：介紹了基于AT89C52單片機的室內(nèi)有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。著重說明了中紅外發(fā)光二極管作為紅外光源的優(yōu)勢；詳細介紹了紅外氣體傳感器的工作原理及其在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中的應用；AD7896在模／數(shù)轉(zhuǎn)換中的運用；最后給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計的主程序流程圖。該系統(tǒng)對提高有害氣體的檢測效率、降低儀器成本，改善室內(nèi)空氣環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞：有害氣體；紅外光譜；中紅外發(fā)光二極管；AT89C52單片機

0 引言
    當前我國環(huán)境保護的形勢越來越嚴峻，環(huán)境污染和生態(tài)破壞己經(jīng)在一定程度上嚴重制約了經(jīng)濟的發(fā)展并日益威脅副現(xiàn)代人的健康安全，其中由于空氣污染所造成的經(jīng)濟損失和人群發(fā)病率的升高都十分驚人。空氣污染在這里是一個廣義的概念，它既指通常意義上的大氣污染，也指室內(nèi)空氣的污染，同時也指某些特定生產(chǎn)行業(yè)如采煤、冶煉等的空氣環(huán)境的高危險性。不論是何種情形，其成因都是由于空氣中有害氣體的含量超過甚至大大超過其最小容許濃度所致。
    有害氣體泛指對人體健康或生命安全構(gòu)成威脅的各種氣體，比如能使人中毒的有毒氣體、無毒但會使人窒息的氣體、可引發(fā)爆炸或易燃的氣體以及那些破壞生態(tài)、危及人類生存環(huán)境的氣體，如溫室氣體等。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的設(shè)計目的是為了實現(xiàn)對有害氣體濃度的在線檢測，以lambert-beer定律為定量分析基礎(chǔ)，通過測定有害氣體對紅外光的吸收度來計算被測氣體濃度的實時分析儀器。整個系統(tǒng)按功能劃分為：(1)單色紅外光發(fā)射系統(tǒng)；(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(3)單片機控制系統(tǒng)三大部分。單色光發(fā)射系統(tǒng)包括中紅外發(fā)光二極管陣列及其驅(qū)動電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括紅外探測器及其偏置電路、信號放大電路及模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路。單片機控制電路包括邏輯控制電路及顯示、報警電路等。
    圖1是系統(tǒng)的整體框圖。整個系統(tǒng)盡管按照功能劃分為幾個模塊，但在外部時鐘及單片機控制下步調(diào)統(tǒng)一地工作，實現(xiàn)了有害氣體的實時測量。

    本文所設(shè)計的有害氣體檢測系統(tǒng)是以光的紅外吸收原理為理論基礎(chǔ)，單色光源所采用的中紅外發(fā)光二極管是一種非常適合進行氣體分析檢測的紅外光源，保證了在中紅外區(qū)既能獲得很好的單色性又能得到較大的發(fā)射功率。新型的銻化錮(InSb)紅外探測器除了具有很寬的光譜范圍(2μm～7μm)，還具有很快的響應速度(時間常數(shù)<1μs)，其很高的探測靈敏度保證了檢測的精度。通過研究幾種主要有害氣體在中紅外區(qū)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，氨氣—3．03μm。系統(tǒng)選取了一組中紅外二極管作為紅外光源，整個硬件電路圍繞著紅外光源與單片機進行設(shè)計。外部獨立脈沖既驅(qū)動發(fā)光二極管的電流源也作為系統(tǒng)各功能模塊的同步時鐘。為了取得光電轉(zhuǎn)換后微弱信號的準確值，設(shè)計了直流信號放大電路。單片機控制的A／D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集，液晶顯示屏幕實時反映系統(tǒng)狀態(tài)以及測量結(jié)果。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，不但易于調(diào)試、維護，還可滿足系統(tǒng)的功能升級。

2 系統(tǒng)硬件組成
    由于本系統(tǒng)是以單片機為核心的自動化檢測儀器，對于小規(guī)模的信號檢測，其數(shù)據(jù)處理任務(wù)并不十分繁重，所以這里選用了ATMEL公司的AT89C52，相對于89C51，AT89C52有更豐富的片內(nèi)資源。例如有8 k字節(jié)的片內(nèi)EEP-ROM，以及256字節(jié)的片內(nèi)RAM，對于本系統(tǒng)的控制程序來說，已經(jīng)足夠，因此可以省去片外程序存儲器和片外RAM，降低了成本和簡化了控制電路。AT89C52有3個16位的時鐘(計數(shù)器)，而且32個I／O線全部可編程，時鐘可高達24 M，和89C51相比，它的使用更加靈活。本文僅對單片機系統(tǒng)的外部控制與顯示、報警模塊進行設(shè)計。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)工作流程為：由裝在室內(nèi)的紅外氣體傳感器獲得被測量對象的原始信號，經(jīng)過溫度補償和取樣放大得到矯正后的可匹配信號，采樣保持后進入A／D轉(zhuǎn)換，得到被測對象的數(shù)字量信號，再由單片機進行數(shù)據(jù)處理，得到最終的室內(nèi)有害氣體的濃度值，將此數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管顯示并保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，同時根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的限值參數(shù)判斷環(huán)境濃度是否超標。
    主程序流程圖如圖2所示。

3．1 濃度顯示子程序流程圖及設(shè)計
    移位寄存器74LS164僅有串入并出作用沒有譯碼功能。
因此，在編寫顯示驅(qū)動程序之前，首先需要計算列寫出與本電路對應的LED段選碼，然后由80C52的P3．0口送入74LS164的串行輸入端，再并行輸出到LED的段選端。圖3為濃度顯示子程序流程圖。

3．2 報警子程序流程圖及設(shè)計
    當室內(nèi)有害氣體濃度超過報警設(shè)定值時，報警器會發(fā)出鳴叫聲，為防止誤報，在程序設(shè)計上，對氣體濃度進行快速重復檢測和延時報警。圖4為報警子程序流程圖。

4 結(jié)論
    氣體檢測在環(huán)境保護和工業(yè)應用方面都有重要價值。由于紅外區(qū)的特點，用紅外吸收法在這個波段探測氣體是一種可行的、優(yōu)點明顯的測量方法，與傳統(tǒng)的濕化學法相比，它具有反應時間短、操作簡單、精度高等特點。本文著重闡述了應用紅外吸收法設(shè)計一種新型便捷的氣體檢測儀的總體思路，并詳細介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理。
    本文提出的針對室內(nèi)環(huán)境污染的檢測方法，還有待于在實際運用中進一步完善與提高，比如采用更先進的微信號檢測技術(shù)可以提高精度，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等理論可以實現(xiàn)多組分氣體檢測等等，以便切實為改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量提供科學依據(jù)。