基于单片机的空气质量检测系统毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的空气质量检测系统毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

片机简介 随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点 而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛 应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。 根据上述几方面及本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑 : 一是要有较强的抗干扰能力。 由于一般室内电子电器产品比较多，这对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。 二是要有较高的性价比。 单片作为整个系统的中央处理器，承担着整个系统的数据处理和过程控制，以及通信等功能。 由于高度的通用性和出色的稳定性，本系统采用宏晶公司产的低功耗，高性能 CMOS 8位单片机的 STC90C51作为控制器。 片内含 4k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。 它集 Flash 程序存储器既可在线编程 (ISP)也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 (1) P0端口 [] P0 是一个 8位漏极开路型双向 I/O 端口，端口置 1（对端口写 1）时作高阻抗输入端。 作为输出口时能驱动 8个 TTL。 对内部 Flash程序存储器编程时，接收指令字节。 校验程序时输出指令字节，要求 外接上拉电阻。 在访问外部程序和外部数据存储器时， P0口是分时转换的地址 (低 8位 )/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。 (2) P1端口 [－ ] P1是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/0端口。 输出时可驱动 4个 TTL。 端口置 1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对内部 Flash程序存储器编程时，接收低 8位地址信息。 (3) P2端口 [－ ] P2是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/0端口。 输出时可驱动 4个 TTL。 端口置 1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对 内部 Flash程序存储器编程时，接收到高 8位地址和控制信息。 在访问外部程序和 16位外部数据存储器时， P2口送出高 8位地址。 而在访问 8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 (4) P3端口 [－ ] 是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/0端口。 输出时可驱动 4个 TTL。 端口置 1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对内部 Flash 程序存储器编程时，接到控制信息。 除此之外 P3 端口还用于一些专门功能， p3端口的引脚功能如表。 表 P3 端口引脚兼用功能表 P3引脚 兼用功能 串行通讯输入（ RXD） 串行通讯输出（ TXD） 外部中断 0（ INT0） 外部中断 1（ INT1） 定时器 0输入 (T0) 定时器 1输入 (T1) 外部数据存储器写选通 WR 外部数据存储器写选通 RD 单片机的最小系统 单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、 /EA=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。 Vcc电源端 ,GND 接地端。 工作电压为 5V，另有 AT89C51工作电压则是 , 引脚功能一样。 XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端， XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2悬空。 内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频。 在振荡器运行时，有两个机器周期（ 24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平， 51芯片便循环复位。 经过上述介绍，结合一般用的比较多的情况，单片机的外围电路如图。 主要性能参数 与 4k字节在系统编程 (ISP)Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全境态工作模式： 0Hz33MHz 三级程序加密锁 1288字节内部 RAM 32个可编程 I／ O口线 2个 16位定时器 ／ 计数器 6个中断源 1 全双工串行 UART通道 1 低功耗空闲和掉电模式 1 中断可从空闲模唤醒系统 1 看门狗 (wDT)及双数据指针 1 掉电标识和快速编程特性 1 灵活的在线系统编程 STC90C51芯片管脚 如 图 21。 图 21 STC90C51引脚布置 图 单片机外围电路 时钟电路由一个晶体振荡器 12MHZ 和两个 30pF 的瓷片电容组成。 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。 单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。 其电路如图 22 所示： 图 22 时钟电路模块 复位电路是使单片机的 CPU 或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统 处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位电路以重新启动。 本设计采用的是按键复位电路。 其电路如图 23 所示： 图 23 复位电路模块 167。 2. 3 传感器的选用 现在传感器的种类有很多种的 ， 大致的分为电阻传感器 、 电容传感器 、电感传感器以及半导体传感器等。 167。 2. 1．气体传感器基础知识 按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：半导体型、电化学型、固体电解质 型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。 (1)半导体型气体传感器的优缺点 半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵 敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。 不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。 (2)半导体传感器需要加热的原因 半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。 气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。 为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。 传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。 (3)电化学气体传感器的工作原理 电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以监测许多有毒气体和氧气，后者还能监测血液中的氧浓度。 电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。 不足之处是有寿命的限制一般为两年。 (4)半导体传感器和电化学传感器的区别 半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用。 而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合。 (5)固态电解 质气体传感器 顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。 它介于半导体和电化 学之间。 选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。 (6)接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。 又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。 后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。 (7)光学式气体传感器 光学式气体传感器主要包括红外吸收型、 光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。 由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来监测气体。 目前因为它的结构关系一般造价颇高。 基于本文的实时要求和性价比等方面的原因，本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器。 本设计选用 3SF CT 传感器 ，具有极高的灵敏度和稳定性 ，体积小巧。 实物如图 24，使用时的连接电路如图 25。 图 24 二氧化硫 传感器实物图 图 25传感器接线图 对几种二氧化硫监测方法的优缺点的比较，考虑到工作量 和可操作性的问题。 本次设计所采用的方法是二氧化硫电化学传感器的方法。 电化学气体传感器检测原理 电化学气体传感器是一种新型的传感器技术，它是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过监测电信号的大小得到相应气体的浓度，常用于测量二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等气体浓度。 3SF CT 传感器 在本课题中，目前用来测量二氧化硫的电化学传感器有很多种，其中最为著名的是美国的 AGE和英国的 CITY两家公司，他们的原理基本相同，只是输出信号的大小有所不 同，测量范围有所差异，所以我们选用英国 City Technology公司生产的 3SF CT电化学传感器来监测二氧化硫的浓度，该传感器是三电极的电化学传感器。 3SF CT传感器是一种新型的定电位电解化学气体传感器，它基于伽伐尼电池基本原理，具有体积较小、重量轻、线性度好、性能稳定等特点。 它由浸没在液体电解液中的三个电极构成，传感器的结构如图。 图 传感器结构示意图 3SF CT 传感器是由三个电极构成，三个电极分别为： T 作电极 (Sensing Electrode)、参比电极 (Reference Electrode)、对电极 (Counter Electrode)． City Technology 公司的电化学毒气传感器 (包括 3SF CT 传感器 )是微燃料元件，不必保养而可以保持长期的稳定性。 传感器设计的重点是气体扩散通过障它限制了气体迸入工作电极。 电极能对到达它表面的所有目标气体进行反应，并且仍然有储备的电化学活动。 这种高活动储备保证 CT 产品的长使用寿命和温度稳定性。 在 设 计任何电化学气体传感器时，很重要的一点是，通过气体扩散通过障碍限制速率，而其它各阶段速率应该有显著的增加。 所 以，为保证传感器电化学反应的速度，必须使用具有高催化作用的电极材料。 所有 CT 产品具有高度活跃电极，并且给传感器非常高的能量储备，这就保证了传感器的长期稳定性。 SF CT 传感器的技术说明 3SF CT传感器是专门的烟道二氧化硫气体监测用的传感器，传感器的相关技术参数如表。 表 传感器参数 正常监测范围 0200ppm 最大过载浓度 5000ppm 使用寿命 空气中 2年 输出信号  A／ ppm 精度 lppm 温度范 围 20 C。  50 C。 压力范围： 空气压力  10％ 响应时间 (t90) 30秒 相对湿度范围 15％ to 90％非结露 标准基线范围 (纯空气中 ) 相当于 0 2ppm 最大的零点移动 (+20 _+40) 相当于 5ppm 长时间的输出漂移 2％信号失真／月 建议的负载电阻 3k 输出线性度 线性 为了使传感器处于“准备工作”的状态， 3SF CT传感器供电 时，在工作电极与参比电极之间有一短连接 (用一导线直接连接起来 )。 传感器在储藏过程中必须保留此短连接，而且只有当准备使用传感器的时候，才能去掉这个短连接。 在仪器不供电时，如果工作电极和参比电极不再短连接，一旦再次使用，传感器就需要很长的一段“启动时间”。 在传感器电路 设计中，可以通过一个结型场效应管来实现短连接和断开的功能 (继电器功 Og)，当电路不供电时，这个结型场效应管可以保持工作电极和参比电极短路。 为使传感器正确的工作， 3SF CT传感器的 对电极和参比电极需要很少量的氧气供应。 这些氧气经常是由采样来的气流供应的，通过空气扩散到传感器的前端，或者通过传感器的周围和后端扩散到传感器的前端 (通常几千 ppm的氧气就足够了 )。 如果传感器没有后端氧气供应通路，持续暴露在厌氧性的采样气体中，则传感器就会失灵。 3SF CT传感器一定不能被完全地放入到树脂中或整个地浸入到厌氧性的气体混合物中。 最初校准和再校准的时间间隔长短取决于许多因素，通常包括传感器的使用温度、湿度、压力，被暴露于何种气体，及被暴露于气体的时间长短。 但 3SFCT传感器能在较长时间内提供非常 稳定的信号，使用 3SFCT传感器只需要定期校准，如每年一次。 如对传感器使用要求极高或用于安全应用，则校准工作可能相对频繁些。 3SF CT 传感器的检测原理 所以本文主要介绍如何利用 3SF传感器监测二氧化硫气体含量． 3SF传感器采用的是电化学传感器，该传感器的总反应公式。 42222 222 SOHOHOSO  （ ） 反应中有电流流动，电流的大小由气体的扩散决定，由菲克斯扩散定律碰缀出极限扩散电流与气体浓度的关系为： CDSFZiL  }/){(  （ ） 其中： Li 为极限扩散电流； Z 为电子转移数； F 为法拉第常数； S。