室内有害气体检测系统的设计

室内有害气体检测系统的 本科毕业设计 ,自然科学, 题 目: 室内有害气体检测系统的设计 院(系、部): 机电工程学院 学 生 姓 名: 职 称 指 导 教 师: 2016年 5 月 24 日 河北科技师范学院 室内有害气体检测系统的设计 院(系、部)名 称 : 机电工程学院 专 业 名 称: 电子信息工程 学 生 姓 名: 学 生 学 号: 指 导 教 师: 2016年 5 月 24 日 学 术 声 明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。 本人签名: 日期: 指导教师签名: 日期: 摘要 摘要 在这个人人追求健康时尚的的年代，人们从最简单的吃饱穿暖到要吃得健康穿的美观。不仅如此，人们对自己生存环境的条件也在渐渐的提升，不仅要求住得好还得要求好看和健康。要求的提升就带动了消费，各种各样的家用消费品渐渐地填满了人们的家中。它虽然便利了人们的生活，但是也对人的身体造成了伤害。一方面是家具中长期释放的甲醛等，这是种致癌物、易导致白血病、哮喘病，并能造成儿童智力下降及亚健康 [1]状况气体;另一方面是煤气、天然气等可燃气体，这些东西的泄漏会造成不可挽回的局面。天然气中的甲烷等物质不仅会造成人体中毒，而我们对待这些泄漏气体的不当操作还会引起火灾，使得人们遭受身体和财产的双重损失。因此人们对环境安全及健康安全的看重越来越高，所以越来越多的人对室内的空气质量状况给与了更多的关注。资料显示，人从出生到死亡的时间中有超过一半的时间是在室内度过的，所以我们有必要研究一种针对甲醛、甲苯、天然气、煤气这些我们生活中经常遇到的致癌物和常见燃气的浓度进行实时检测，为人们拥有一个健康舒适的生活环境提供条件。本设计研究的主要内容为-室内有害气体检测。这是以有害气体在空气中的含量检测为研究背景的。本次设计采用LCD1602液晶屏向人们呈现出相应气体的含量，这样就可以方便人们随时查看气体含量。以MQ-4和MQ-138气体传感器及ADC0809转换器组成了气体采集模块，同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。本文所设计的室内有害气体检测设备具有设备体积小，功率消耗低，操作安全方便简单的优点，适合在家庭中应用，能够让人们及时的了解到室内空气的质量。 关键词:有害气体;传感器;报警装置;检测监控;单片机 I Abstract Abstract In this era of everyone is the pursuit of health fashion, people from the simplest to eat satisfied wear warm to want to eat healthy to wear beautiful. Not only that, the conditions of the people for their survival environment are also gradually improve, not only demands live well will also have to look good and healthy. Demand led to rise in consumption, all kinds of household consumer products gradually filled people's homes. Although it has facilitated people's lives, but also caused damage to the human body. One is full of furniture is medium to release such as formaldehyde, which is a kind of carcinogen leukemia, asthma, and can cause the loss of children's intelligence and sub-health status of [1]; On the other hand, coal gas, natural gas and other combustible gas, leakage of these things can cause irreparable situation. Gas of methane and other material not only can cause human body poisoning, we treat these leaks the improper operation of the gas will cause fire, makes the people body and property losses. So people about environmental safety and health safety value more and more high, so more and more people on indoor air quality has given more attention. Data show that from birth to death in the time of more than half of the time is spent in indoor, so it is necessary to research a kind of for formaldehyde, toluene, natural gas, coal gas which we often meet with in life carcinogens and common real-time detecting of gas concentration, for people to have a healthy and comfortable living environment. The main content of this design study for the indoor harmful gas detection. This is testing the concentration of harmful gas in the air as the research background. This design USES the LCD1602 LCD screen presents the corresponding gas content to people, so that it can be convenient for people to check the gas content at any time. MQ - 4 and MQ - 138 gas sensor and ADC0809 converter formed gas acquisition module, sound and light alarm system is designed at the same time, achieve timely alarm when parameters exceed bid. In this paper, the design of indoor harmful gas detection equipment has small volume, low power consumption, convenient operation and safe the advantages of simple, suitable for application in the family, to let people know in a timely manner to the indoor air quality. Keywords: Toxic gases; The sensor; Alarm device; Detection monitoring; Single chip microcomputer II 目录 目 录 摘要 ...................................................................... I Abstract .................................................................. II 1 绪论 .................................................................... 1 1.1论文研究的背景及意义 ............................................................................................. 1 1.2研究课题的内容及目的 ............................................................................................. 2 1.3研究课题的任务 ......................................................................................................... 2 2 硬件系统设计 ............................................................ 3 2.1研究课题的系统框图 ................................................................................................. 3 2.2 系统组成结构介绍 .................................................................................................... 3 2.3系统装置控制模块 ..................................................................................................... 4 2.3.1 AT89C51芯片的介绍 ..................................................................................... 4 2.3.2 AT89C51 引脚功能介绍 ................................................................................ 4 2.3.3 ADC0809介绍 ............................................................................................... 4 2.4 单片机最小系统 ........................................................................................................ 5 2.5 LCD液晶显示电路 ..................................................................................................... 6 2.6 声光报警电路 ............................................................................................................ 7 2.7 气体信息检测模块 .................................................................................................... 8 2.7.1 MQ-4甲烷传感器模块 ................................................................................... 8 2.7.2 MQ-138 醛、酮、醇类气体传感器模块 .................................................... 9 2.8 键盘电路 .................................................................................................................. 10 2.9 整体硬件原理图 .......................................................................................................11 3 软件系统设计 .......................................................... 12 3.1 软件应用开发平台介绍 .......................................................................................... 12 3.2 主程序框图 .............................................................................................................. 13 3.3 电路仿真图 .............................................................................................................. 15 结论 ..................................................................... 16 参考文献 ................................................................. 18 致谢 ..................................................................... 19 附录 ..................................................................... 20 III 1 绪论 1.1论文研究的背景及意义 随着人们生活水平的提高，各种燃气具、家电、家具充斥在人们的生活当中。这虽然便利了人们的生活，但这也对人们的身体健康埋下了隐患。生活水平的提高使得人们对于自身的健康问题采取了越来越重视的态度，这就对于与人们身体健康息息相关的室内环境越发的重视起来。人的一生中有超过一半时间都在室内休息、活动，人们呼吸的大量空气也是室内多于室外。正因如此，室内环境的安全问题正在渐渐地走进人们的心里，形成了人们生产生活的重大安全隐患之一。 世界在发展，中国在进步。在中国，各种科技的发展日新月异。人们对于室内有害气体的检测的研究也越来越深。在市面上存在的有害气体检测仪器的种类和功能也渐渐地巨大化。调查显示，现在人们关心的室内气体污染的问题产生的根本原因主要是两个方面。一方面，甲醛和苯。这类物质经常性的出现在在各类家具、家居的身上。这些都是被确认的致癌物，对于长时间接触这类东西的人来说多种急慢性症状如:哮喘、心脑血管病、糖尿病、再生障碍性贫血、白血病、胎儿畸形、儿童智力大大降低以及“亚健 [2]康”状态等都有可能出现。尤其到了天气炎热的夏季，在经常性的出现30?或以上的气温时，装修材料、家具等释放出的有害气体增多，室内污染相对来说会变得较重，由此而造成的人们的心脑血管疾病激增，更多的是各种突发性症状，其中以中风、常见的半身不遂、口眼歪斜得为多。从其他地区有关部门的检测数据来看，新装修家庭中的超过60%的家庭都是因为甲醛超标而不合格的。在我们对于有害气体这个问题非常头痛的时候，这个问题早就被世界银行定义为世界上最严重的环境问题之一。研究发现世界上每年因为有害气体而致死的人数超过了280万人，堪称人类生存界的又一大杀手。根据中国国家《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0.1 [3]mg/m3(=74ppb)。 另一方面，甲烷。这种气体经常性的出现在人们面前，它是人们经常使用的天然气、沼气等的可燃性气体的主要成分。它充当着我们生产生活中的一个重要的角色，是我们生活的必需品。甲烷是一种非常易燃易爆气体(甲烷在大气中爆炸的浓度下限为5.3%,上限为15.0%)，同时它也是伴随着煤炭开采而产生的气体-瓦斯的主要成分。我们所不知道的是甲烷还是温室效应的最酷祸首之一。研究显示,甲烷摄取的红外线大概是是二氧化碳的15一30倍,占有整个温室气体的百分之二十五。空气中的甲烷浓度约莫是以每年百分之一的速度增长。同时，瓦斯(主要是甲烷)矿井事故是死亡的主要原因之一。1991年我国组织的一次调查显示，在一次的瓦斯爆炸事件中伤亡人数超过3人的一共死亡了 1364人，到了2000年死亡人数激增至2662人，在这十年间死亡人数就增加了接近一倍的数量。每年伤亡人数超过十个人的重、特大死亡事故中由于这个原因引起的伤亡，其死亡的人数占其他重型事故死亡人数的百分之八十以上。尤其是这几年来许多人为了发财致富私自建立小煤矿，煤矿中的各种安全设施都不完善，由其造成的几起重大煤矿瓦 对我国造成了重大的经济损失和巨大的人员伤亡,这几次事件对我们有着深斯爆炸事件, 刻的教育意义。这只是有甲烷气体爆炸引起的全国性的大范围的灾难，然而又甲烷爆炸引起的灾难不止于此。在我们生活中有多少的家庭由于天然气(主要成分是甲烷)的泄漏而造成爆炸而处于痛苦的境况中。家人的死亡、生命财产的损失都是由于甲烷的爆炸所引起的，是它造成了人们的悲痛，使人们的生活痛苦不堪。因此,我们更应该及时有效的检测出甲烷气体的产生源、泄漏源及浓度。因为这不仅可以使我们的生活更加的健康安全，还会是环境保护起着非常巨大的作用。 1.2研究课题的内容及目的 基于对各种文献资料的查阅，我了解到室内有害气体对于我们的生命安全有着怎样的威胁。因此室内有害气体检测的这个设备就要求此设计能够快速准确地检测出室内害性气体的含量使它能够明确的显示在我们的眼前，并且在达到足够对我们的生命安全产生危害的浓度时发出声光报警，通知人们尽快的采取补救措施。本次设计的主要研究内容是: (1) 有害气体传感器的选择; (2) 主控电路的硬件电路设计; (3) 有关程序的编写; (4) 整体电路的仿真; 本设计的原理是根据单片机最小系统的工作原理，再利用各个气体传感器的功能和LCD液晶显示屏的特点，设计出相应的电路，用单片机来收集相关的各个变量的数值转变，利用传感器收集到的气体信息经过AD转换器后再传输给单片机，结合时钟芯片在液晶屏上呈现出有害气体的含量和之前预定的上限值。提前预定上限值，当浓度超过后进行报警。通过听到的报警声人们就会知道有害气体的浓度已经超标，从而采取措施降低室内有害气体的浓度，此时声光报警就会解除。 1.3研究课题的任务 本作品通过对室内有害气体检测的研究需要完成以下的任务: (1)完成各种元器件的类型、特点、型号等的选择; (2)弄清楚本次设计的原理，并根据原理画出电路图; (3)编写程序，画出仿真图，并进行仿真; 2 硬件系统设计 2.1研究课题的系统框图 在进行本次设计时，我们考虑到甲烷的含量和甲醛的含量是由甲烷气体传感器和甲醛气体传感器把非电量转换为零到五伏的电压(此时的电压值比较稳定)，而这个值对外界的干扰比较小等这些因素。根据这些我们就能把气体传感器传送的信息通过AD转换后送入最小系统进行相关应用。当然我们还需要接入显示屏、键盘和报警电路等。 其总体框图如图下图1所示。 声光报警电路 被测 气敏 AD转换液晶显示 单片机 电路 环境 传感器 键盘 图1 基本工作原理 2.2 系统组成结构介绍 有害气体的检测装置主要有四个模块:气体信息检测模块、系统装置控制模块、显示模块、声光报警模块。 (1)气体信息检测模块。此模块主要是完成对甲烷和甲醛气体的浓度检测与信息采集。当然，想要完成这个任务就必须通过气体传感器和AD转换器来实现。而且它们采集到的信息经由IC总线将信息传达给单片机进行处理。 (2)系统装置控制模块。通过窗户的开关，对接收到空气中的气体浓度数据的传感器的发出的数据进行相应的处理判断。 (3)显示模块。显示有害气体的含量。 (4)声光报警模块。报警灯和报警铃，产生报警。 总系统结构如下图2所示: 单 甲烷传感器模块 LCD显示模块 片 声光报警模块 机 甲醛传感器模块 独立按键模块 图2 系统组成结构 2.3系统装置控制模块 2.3.1 AT89C51芯片的介绍 AT89C51 提供以下标准功能:4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口， [4]片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软 [5]件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁 [6]止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 2.3.2 AT89C51 引脚功能介绍 AT89C51芯片有40条引脚，采用双列直插式封装， AT89C1引脚图如下图所示: 图3 AT89C1引脚图 2.3.3 ADC0809介绍 ADC0809芯片有28条引脚，其引脚图如下图所示: 图4 ADC0809引脚图 转换数据的传送:AD转换器在得到有气体传感器得来的电压之后需要将电压值转换成输出信号，以便单片机及时的进行处理。想要将数据及时地送达就要了解AD转化是何时完成的，只有确认转化已经完成才能进行数据的传送。我们可采用以下三种方式进行。 (1) 定时传送方式 我们已知AD转换器转换数据的时间是是固定的128μs，即单片机的64个机器周期。我们可根据这个特性设计一个延时程序，当AD转换一启动就立即调用这个程序呢，当程序运行完毕，转换也就完成了，数据就可以送达了。 (2) 查询方式 AD转换器在转换完成时会有一个信号示此状态已经完成，我们由此来检测这个信号状态就可判断出转换是否完成，进而就可以判断数据是否已经传送。 (3) 中断方式 AD转换器在转换完成时会有一个信号表示此状态已经完成，我们可以把这个信号作为中断请求信号，以此方式来进行数据的传送。 当我们进行数据传送时，不管应用上述所述的哪种方法，只要我们确认转化完毕了就可以马上通过下一命令进行相关信号的传送。把转化的相关数据送上总线，供单片机接收后进行下一步处理。 2.4 单片机最小系统 单片机最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外， [7]还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。根据51单片机的特点，我采用12M晶振给单片机提供时钟信号，两个各加一个30pf的电容来稳定信号，由于51单片机是采用低电平复位，我又在其旁边加了一个开关，便于手动复位。单片机最小系统如下图5所示: 图5 单片机最小系统 单片机供电系统如下图所示: 图6 单片机供电系统 2.5 LCD液晶显示电路 在日常的生产生活当中，我们对液晶显示器并不陌生。而LCD1602A更是我们比较熟悉的液晶显示屏。它是一种工业字符型液晶显示屏，能够同时显示32个字符。如今液晶显示模块已作为很多电子产品的必备器件在日常的生产生活中被相当普遍的使用着。作为常见的显示工具，它的特色是显示字符、数字等常见元素和图形等专用元素。作为常见的显示器件它具有很多的优点: (1)液晶显示器画质高且不会闪烁。 (2)其接口是数字式的，操作安全便捷。 [8](3)LCD1602A液晶显示器消耗的电量比其它的显示器要少很多。 根据LCD液晶显示屏的原理设计出如图所示的引脚接线电路: 图7 液晶显示电路 LCD1602各引脚功能说明如下表所示: 表3 LCD1602A各引脚功能 引脚 各引脚功能 GND 接地。 VDD 接5V正电源。 VO 液晶显示器对比度调整端。 RS 寄存器选择。 R/W 读写信号线。 E 使能端。 D0,D7 8位双向数据线。 BG VCC 背光源正极。 BG GND 背光源负极。 2.6 声光报警电路 蜂鸣器这种常见的报警器件在我们的生活中也非常的常见，它的原理也非常的通 俗易懂。其原理如下: (1) 电流流过电磁线圈时; (2) 线圈产生磁场驱动振动膜; (3) 振动膜振动发出声音; 想要达到能驱动蜂鸣器的电流仅仅是单片机的接口输出的是不够的，它输出的电流太小、TTL水平太低不足以达到我们想要的程度。此时我们就需要通过三极管放大器来放大电流的倍数，使电流达到驱动此元件的的程度。从而使得蜂鸣器发出报警声音。蜂鸣器报警电路原理图如下: +5 F1A2BBUZZER Q1FR190122.2K GND 图8 声音报警电路 2.7 气体信息检测模块 2.7.1 MQ-4甲烷传感器模块 MQ-4传感器是一种对甲烷这种气体灵敏度非常高的传感器，当然它不仅对甲烷 [9]高也对丙烷、丁烷等有着较高的灵敏度。它是由一种在干净的空气中电导率较低的材料-二氧化锡(SnO2)的气体敏感材料。当我们周围的环境中突然出现较多的甲烷气体时，传感器的电导率就会增加并发出电压，这些传送的电压通过AD转换器后传送给 [9]单片机。这些输出信号通过单片机的处理在传送给LCD液晶显示屏，这样我们就可以看到这种有害气体的浓度含量了 我们知道甲烷是天然气的主要成分，当周遭环境中甲烷含量达到 25%-30%时，可 [10]引起头痛或头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速等危害人体的症状。若不及时远离，可能导致窒息死亡这种非常严重的后果。故其门限值设定为30ppm。 本设计所用的气体传感器是一款非常实用的传感器。它价格低、用途广，还可以检测出很多种可燃性气体，尤其是甲烷。是一种非常合适本次设计的传感器 它的结构和外形如下图所示: a b 图9 MQ-4甲烷类气体传感器外形图 这种传感器的特点有: (1)具有信号输出指示; (2)双路信号输出; (3)输出的有效信号为低电平, 当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机[11]; (4)模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高; (5)对甲烷，天然气有很高的灵敏度; (6)具有长期的使用寿命和可靠的稳定性; (7)快速的响应恢复特性; 其原理图如下: 图10 MQ-4气体传感器模块电路图 2.7.2 MQ-138 醛、酮、醇类气体传感器模块 MQ-138醛、酮、醇类气体传感器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醛、酮、醇类气体时，传感器的电导率随空 [12]气中醛、酮、醇类气体浓度的增加而增大。当我们周围的环境中突然出现较多的甲醛气体时，传感器的电导率就会增加并发出电压，这些传送的电压通过AD转换器后 [13]传送给单片机这些输出信号通过单片机的处理在传送给LCD液晶显示屏，这样我们就可以看到这种有害气体的浓度含量了。 它的结构和外形如下图所示: a b 图11 MQ-138气体传感器结构图 下图为 MQ-138气体传感器实物图。 图12 MQ-138气体传感器模块实物图 这种传感器的特点有: (1)具有信号输出指示灯指示; (2)双路信号输出; [11](3)输出的有效信号为低电平, 当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机; (4)模拟量输出随浓度增加而增加，浓度越高电压越高; (5)对醛、醇、酮等有很高的灵敏度; (6)具有长期的使用寿命和可靠的稳定性; (7)快速的响应恢复特性; (8)带安装孔，方便固定安装; 探头可以插拔设计，方便试验。 (9) 其原理图如下: 图13 MQ-138醛、酮、醇类气体传感器电路图 2.8 键盘电路 本模块采用按键的方式进行数据的设定。单片机初始时的电平为高电平，当按键 按下的时候会接地，会给单片机一个低电平，单片机此时会对信号进行相应的处理。 本次设计中独立按键实现作用的方式就是利用单片机内部的高低电平的变化来实 现的。其过程如下所述: [14](1) 按键一端接单片机I/O口，另一端接地; (2) 程序将I/O口放在高电平的位置; (3) 按键下按时，I/O口与地短接(接口处的电平由高到低); (4) 按键松开后电平回归到高电平 所以当我们要判断按键是否被按下就是查询I/O口的电平状态就行了。 键盘的去抖动是我们在应用键盘时一个非常重要的问题。这个抖动是键盘在将按未按时的电平不稳定时产生的机械抖动，并不是我们可以避免的。这种持续10~20毫秒(经典值为20毫秒)之间的抖动对于人来说是非常短暂的，但对于以微秒为时钟单位的单片机来说是非常漫长的。硬件去抖动应用部分电路对抖动经行处理，软件去抖动不是去掉的而是避免在抖动时进行操作，我们要等按键稳定了之后再进行其他的操作。我们在本次设计中采用软件去抖动的方法。在此方法中我们要先查询电平，当出现低电平时立即进行20毫秒的延时处理，延时结束后我们要查询I/O 口的状态，若显示的值为1表示低电平时间不到10~20 毫秒，为干扰信号。当此时的值为0时，表示现在有按键已经下按，需要单片机控制系统调用相关的程序进行后续操作。 按键的硬件电路如下图所示: k1 S1S2S3 SW SPSTSW SPSTSW SPST GND 图14 键盘电路原理图 k22.9 整体硬件原理图 本系统通过两种气体传感器对室内空气中的有害气体的浓度进行采集进而输出电流信息，电流信息通过AD转换器进行转换后输出相应信息给单片机，然后系统对传送过来的信息进行相应的处理后再传给液晶显示屏和扬声器。从而整个系统运行完毕。 k3 下图为整体原理图: 图15 整体原理图 3 软件系统设计 3.1 软件应用开发平台介绍 本课题将用到三款软件:Protel99SE、 Keil和 proteus，下面简单介绍这三款软件。 Protel99SE是PORTEL公司推出的采用设计库管理模式，可以网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能的一款画图软件，是一个32位的设计软件， [15]可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作。 Protel99SE软件的特点: (1)可生成30多种格式的电气连接网络表; (2)强大的全局编辑功能; (3)在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中; (4)可以同时运行原理图和PCB; 图16 Protel99SE软件界面 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统[16]。与汇编相比，C语言具有以下优势: (1)功能上强大; (2)结构性强; (3)可读性好; (4)可维护性上有明显的优势; 所以这个软件简单易学。 Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试 [17]器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。 下图为，Keil 的操作界面: 图17 KEIL软件的操作界面 Proteus 是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行Windows [18]操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。 下图为Proteus的操作界面: 图18 Proteus软件的操作界面 3.2 主程序框图 根据已知的电路，我选择用C语言编写程序。编程的总体思路为:首先先定义与本系统相关的硬件接口，然后进行初始化的设置(AD转换器控制端和定时器的初始化)。等到初始化完成后将开启循环模式，用来保持一整天的有害气体浓度的检测，以便于人们通过报警灯和报警铃及时的发现危险，然后采取相应的措施。在无限的循 环中，我们将依次调用相关函数。 [19]其中最主要的AD转换部分是AD转换器来实现。比较判断函数是将AD转换从气体传感器的来的数据转化后与上限值做比较，然后将比较的结果，在显示电路上显示出来。显示电路按照所接收的数据在屏幕上呈现出相应的有害气体浓度。声光报警模块在有害气体的浓度超过了设定的对人体的有害的极限值时的就会发出声音和灯光的双重报警，浓度下降后就停止报警。 主程序如下图所示: 开始 初始化 读取AD转换值 判断当前 烟雾范围 执行相应 的指示控制 N 判断按键 是否按下 Y 设置相应参数 显示设置数值 结束 图19 主程序流程图 3.3 电路仿真图 本设计根据单片机最小系统的工作原理，再利用各个气体传感器的功能和LCD液晶显示屏的特点，设计出相应的电路，用单片机来收集相关的各个变量的数值转变，利用传感器收集到的气体信息经过AD转换器后再传输给单片机，结合时钟芯片在液晶屏上呈现出有害气体的含量和之前预定的上限值。提前预定上限值，当浓度超过后进行报警。通过听到的报警声人们就会知道有害气体的溶度已经超标，从而采取措施降低室内有害气体的浓度，此时声光报警就会解除。正常浓度下的仿真图如下图所示: 图20 仿真电路图 甲烷超标情况下的仿真图 ，此时红灯亮蜂鸣器发声进行声光报警 ，甲烷浓度超标电机启动风扇开始转动。当浓度下降后警报解。此时的仿真图如下所示: 图21 甲烷超标时的仿真电路图 甲醛超标情况下的仿真图，此时红灯亮蜂鸣器发声进行声光报警 ，甲醛浓度超标电机启动风扇开始转动。当浓度下降后警报解。此时的仿真图如下所示: 图22 甲醛超标时的仿真电路图 结论 本次的设计任务是对室内的有害气体的浓度进行检测，如果浓度超过设定的上限值则进行声光报警。提醒人们室内的危险气体已经超标，需要尽快采取措施。当室内的有害气体浓度恢复到正常水平时声光报警解除。本次设计使用了低电压、高性能ATC89C51 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。本次设计采用模块化设计，这样不仅方便我们分块设计，降低设计难度，还有利于我们对于各个模块的调整和改错。最重要的是当出现错误时可以方便我们找出错误在大范围不变的情况下进行小面积的修改 通过这次毕设我学到了很多，尤其是对于单片机和气体传感器的了解更达到了质的飞跃。想要了解室内有害气体的浓度当然就缺不了气体传感器，通过对MQ-4和MQ-138气体传感器的了解和它们工作方式的研究，我设计出了以AT89C51芯片而组成的单片机最小系统为核心的有害气体检测系统，并经过不懈的努力完成了硬件系统的设计和软件系统的仿真等。通过仿真证明了系统运行的非常的良好，能够在浓度超标时及时的发出警告，进而告知人们采取措施来降低室内有害气体的浓度。我认为通过这次的历练会对我以后的发展有非常大的帮助的。 MQ-4、MQ-138气体传感器有着简单、方便、高效的特点，当它的输出口在检测到 有害气体时直接输出低电平，通过AD转换器将低电平转化成输出信号传给单片机，这样就免去了从气体传感器上采集信号使得硬件设计更加简洁，所需的器件也更加易于购买，硬件出错率也就更小，更加符合本设计的目的。 本次设计应用到了我们学过的很多知识和软件，让我对所学过的知识有了进一步的认识。但是由于我自身的知识水平和实践经验较少，使得设计出的东西还有很大的改进空间。还需要更加深刻的研究才能做出更加细致的东西，所以我需要改进的地方还有很多，需要在以后更加的努力刻苦。 参考文献 [1] 中华人民共和国国家技术监督局.GB/T 16127-1996 . 居室空气中甲醛的卫生标准.北京:中国标准出版社，1994-07-01 [2] 刘永华.建筑装修导致室内空气污染的研究[D]，重庆:重庆大学，2004,1-1 [3] 李萍.基于ARM的室内空气质量监测系统的设计[D]，四川:西南交通大学，2010，2-2 [4] 郑郁正.单片机原理及运用[M].四川:四川大学出版社.2005.30-38 [5]徐江海.单片机实用教程[M].北京:机械工业出版社,2006年 [6]胡宴如.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社,2008年 [7] 刘宁.单片机多功能时钟的设计[M].浙江:浙江海洋学院,2009年 [8] D. 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Fuzzy sets and systems, 2003,139(1):59 — 80. 致谢 通过本次的设计我不仅学到了很多的知识，还得到了许多人的帮助和支持。在此设计完成之际，我要对所有帮过我的人表示深深的感谢。是她们让我明白了我不是一个人在孤身奋战，我还有许许多多的同伴在帮助我，鼓励我。 首先我要谢谢一直在帮助我的薛老师。在开始设计的时候，每次我遇到问题老师总能很快的为我解答，就算遇到老师也不能解决的时候，老师她也不遗余力的为我出主意帮我想办法。总之，我在设计研究过程中及其论文的撰写中，每一步都倾注着导师的心血。她那严谨的作风使得我的论文在细节上也不马马虎虎。感谢薛老师的悉心指导，让我在大学的最后一段时光过得非常的美好。在此向薛老师致以最高的敬意和衷心的感谢。 当然，最要感谢的还有我们最可爱的学校。感谢它让我在这里度过了美好的四年。这四年中虽然有微笑，有泪水，有了的让我发狂的事情，还有让我苦恼难过的事情，但这些都不足以让我讨厌它，而是深深的喜爱着它。还有，还要感谢学校给了我这样一次机会，能够独立地完成这样一个设计，作为检验这些年来学习的成果。让我们在这个过程当中充分认识到自己的能力。再一次对我的母校表示感谢。 最后，当然还要感谢一下我们一起起奋斗的同学们，她们不仅提供给了我很珍贵的资料，还在我遇到难题时一起为我出主意、想办法。我这次的设计能过顺利的完成，有一部分还是靠的她们。在做毕设的时候，我们经常在一块讨论我们所做的内容，相互交流，增加知识，拓宽问题解决的渠道，使问题能够清楚明白地被解决。让我在这个过程中感到做课设的快乐，我非常感谢她们。 最后的最后，我要向关心过我、帮助过我的老师和同学们再说一次感谢，谢谢～ 附录 原始语音信号的时域频域仿真的程序: //程序头函数 #include sbit LED_R= P2^2; //COled sbit LED_Y= P2^0; sbit FENG = P2^5; //蜂鸣器 sbit san=P3^4; //风扇 //ADC0809 sbit ST=P3^3; sbit EOC=P3^6; sbit OE=P3^2; sbit A0=P3^1; //0809A0地址脚 //按键 sbit Key1=P2^6; //设置键 sbit Key2=P2^7; //加键 sbit Key3=P3^7; //减键 bit bdata flag4,flag138; uchar set; //函数声明 extern uchar ADC0809(); extern void Key(); /* void delay(uint z) { uint i,j; for(i=0;iWARNING4) flag4=1; if(MQ138WARNING138) flag138=1; } else { flag4=0;flag138=0; } Key(); //扫描按键函数 } } //ADC0809读取信息 uchar ADC0809() { uchar temp_=0x00; OE=0; //初始化高阻太 ST=0; //转化初始化 ST=1; //开始转换 ST=0; while(EOC==0) //外部中断等待AD转换结束 OE=1; //读取转换的AD值 temp_=Data_ADC0809; OE=0; return temp_; } void Key() //按键函数 { if(Key1==0) //设置按键 { while(Key1==0);//按键释放 FENG=0; //打开蜂鸣器 set++; //设置变量加 flag4=0; flag138=0; //报警变量清零 LED_Y=1; LED_R=1; //关闭LED san=1; //关闭风扇 TR0=0; //关闭定时器 } if(set==1) //设置报警值 { write_com(0x38);//屏幕初始化 write_com(0x80+0x40+6);//位置 write_com(0x0f);//打开显示 无光标 光标闪烁 write_com(0x06);//当读或写一个字符是指针后一一位 FENG=1; } if(set==2) { write_com(0x38);//屏幕初始化 write_com(0x80+0x40+15);//位置 write_com(0x0f);//打开显示 无光标 光标闪烁 write_com(0x06);//当读或写一个字符是指针后一一位 FENG=1; } else if(set>=3) //设置完 { set=0; //清零 write_com(0x38);//屏幕初始化 write_com(0x0c);//打开显示 无光标 无光标闪烁 FENG=1; //关闭蜂鸣器 TR0=1; //打开定时器 } if(Key2==0&&set==1) //加按键按下 { while(Key2==0); //按键释放 FENG=0; //打开蜂鸣器，做按键音 WARNING4++; //报警值加 if(WARNING4>=255) //报警值加到最大 WARNING4=0; //报警值清零 write_com(0x80+0x40+4); //选中位置显示报警值 write_data('0'+WARNING4/100); //将报警值拆开成单独的一位，显示。例如报警值是123，那么123除以100的商是1，这里显示的就是1 write_data('0'+WARNING4/10%10); //123除以10得到的商是12，,12除以10的余数就是2，这里显示的就是2 write_data('0'+WARNING4%10); //123除以10的余数是3，这里显示的就是3，数据+“0”是为了得到液晶中对应数字的显示码 write_com(0x80+0x40+6); //闪烁的位置 FENG=1; //关闭蜂鸣器 } if(Key2==0&&set==2) //注释同上 { while(Key2==0); FENG=0; WARNING138++; if(WARNING138>=255) WARNING138=0; write_com(0x80+0x40+13); write_data('0'+WARNING138/100); write_data('0'+WARNING138/10%10); write_data('0'+WARNING138%10); write_com(0x80+0x40+15);//位置 FENG=1; } if(Key3==0&&set==1) { while(Key3==0); FENG=0; WARNING4--; if(WARNING4<=0) WARNING4=255; write_com(0x80+0x40+4); write_data('0'+WARNING4/100); write_data('0'+WARNING4/10%10); write_data('0'+WARNING4%10); write_com(0x80+0x40+6);//位置 FENG=1; } if(Key3==0&&set==2) { while(Key3==0); FENG=0; WARNING138--; if(WARNING138<=0) WARNING138=255; write_com(0x80+0x40+13); write_data('0'+WARNING138/100); write_data('0'+WARNING138/10%10); write_data('0'+WARNING138%10); write_com(0x80+0x40+15);//位置 FENG=1; } } void time1_int(void) interrupt 1//定时器工作函数 { uchar count; //定义变量用于定时 TL0=0xb0; TH0=0x3c; //定时器重新赋初值50ms count++; //变量50ms加一次 if(count==10) //加10次就是500ms { count=0; //变量清零 if(flag4==0) //报警关 LED_Y=1; //报警指示灯熄灭 else //报警开 LED_Y=0; //对应的报警指示灯点亮 if(flag138==0) LED_R=1; else LED_R=0; if(flag4==1||flag138==1) //有报警 { FENG=!FENG; //蜂鸣器闪烁报警 san=0; //打开继电器启动风扇 } if(flag4==0&&flag138==0) //都没有报警 { FENG=1; //关闭蜂鸣器 san=1; //关闭风扇 } } } 显示 //宏定义 #define uint unsigned int #define uchar unsigned char //LCD管脚声明 sbit LCDRS = P2^3; sbit LCDEN= P2^4; //初始画时显示的内容 uchar code Init1[]="MQ4: MQ138 : "; uchar code Init2[]="H4 : H138 : "; //LCD延时 void LCDdelay(uint z) { uint x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=10;y>0;y--); } //写命令 void write_com(uchar com) { LCDRS=0; P0=com; LCDdelay(5); LCDEN=1; LCDdelay(5); LCDEN=0; } //写数据 void write_data(uchar date) { LCDRS=1; P0=date; LCDdelay(5); LCDEN=1; LCDdelay(5); LCDEN=0; } //1602初始化 void Init1602() { uchar i=0; write_com(0x38);//屏幕初始化 write_com(0x0c);//打开显示 无光标 无光标闪烁 write_com(0x06);//当读或写一个字符是指针后一一位 write_com(0x01);//清屏 write_com(0x80);//设置位置 for(i=0;i<16;i++) { write_data(Init1[i]); } write_com(0x80+0x40);//设置位置 for(i=0;i<16;i++) { write_data(Init2[i]); } } void Display_1602(uchar NOW_GAS,uchar NOW_CO,uchar SET_GAS,uchar SET_CO) { write_com(0x80+4); write_data('0'+NOW_GAS/100); write_data('0'+NOW_GAS/10%10); write_data('0'+NOW_GAS%10); write_com(0x80+0x40+4); write_data('0'+SET_GAS/100); write_data('0'+SET_GAS/10%10); write_data('0'+SET_GAS%10); write_com(0x80+13); write_data('0'+NOW_CO/100); write_data('0'+NOW_CO/10%10); write_data('0'+NOW_CO%10); write_com(0x80+0x40+13); write_data('0'+SET_CO/100); write_data('0'+SET_CO/10%10); write_data('0'+SET_CO%10); }