基于AT89S51的多参数气体检测仪的研制.docx

基于AT89S51的多参数气体检测仪的研制ronggang导语：本文介绍了基于AT89S51单片机的多参数气体检测仪的设计和实现方法摘要：本文介绍了基于AT89S51单片机的多参数气体检测仪的设计和实现方法。利用电化学传感器和红外气体传感器，可同时检测氧气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、甲烷等5种气体在空气中的含量，并具有超限报警、显示、打印等功能，可广泛应用于环境监测、卫生防疫、劳动保护、易燃易爆和平安消费等领域，具有一定的应用价值。关键词：气体检测仪，气体传感器，硬件设计，软件设计Abstract:Thispaperintroducedesignmethodforthemulti-parametersgasdetectorwhichisbasedonmicrocontrollerAT89S51.Makesuseofgassensor,itcanmeasurestrengthoffivekindsofgaswhichincludeO2、CO、CO2、H2SandCH4atthesametime,ithavealsoalarmanddisplayandprintetcfunction,far-rangingappliedinenvironmentmonitor,hygieneepidemicprevention,laborprotection,combustibleandexplosive,safetytoproduceetc.ithavecertainappliedvalue.Keyword:gasdetector,gassensor,hardwaredesign,softwaredesign井下作业环境中氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢及甲烷浓度的上下，直接影响到煤矿的平安消费和矿工的生命平安。同时，随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用,各种可燃性气体散发在工作场所和人们生活中，因此连续、直接检测工作环境和生活环境中有毒气体、可燃性气体有着极其重要的意义。目前，气体检测大多采用单气体检测方式，即每测量一种气体需要携带一种测量仪表。研制能用一种仪器同时检测多种不同气体是气体检测仪的开展趋势,即进展多参数测量,多种气体检测,实现对多种气体种类的识别和浓度的判定,进而更全面地反映被测气体在特定环境中所显示的特性。本文介绍基于AT89S51单片机控制的多参数气体检测仪的设计和实现方法。1多参数气体检测仪的功能及测量原理1.1系统功能系统的功能如图1所示。align=center图1系统功能框图/align由图1可知,系统由8个功能模块构成:进气过滤系统包括采样泵、滤膜、气室、进出气管路、传感器及信号处理单元红外传感器、电化学传感器、主控电路板微处理器、通讯接口、数据治理等、LCD显示屏、人机对话单元组合功能键、指使灯板、供电单元直流稳压电源、电池组、稳压电路以及时钟输入单元。1.2系统检测原理系统检测原理如图2所示。align=center图2系统检测原理图/align红外气体传感器和电化学传感器分别对氧气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和甲烷五种气体进展检测。其中，二氧化碳和甲烷采用红外传感器检测，氧气、一氧化碳、硫化氢由电化学传感器检测。被测气体通过两类传感器时产生的信号经放大、A/D转换后，由微处理器AT89S51进展收集、计算、数据处理产生浓度结果数据，并对数据结果进展超限比拟，当被测气体的浓度超过仪器设定的报警限时，仪器产生声光报警，并在显示屏上显示报警状态、故障状态、时间参数等数据信息，同时保存数据结果。在进气过滤系统中，至少需要1个I/O端口来控制采样泵的工作;在传感器及信号处理单元，经过A/D转换电路把传感器产生的关于气体浓度的有关信息转化为单片机能识别的数字信号，选择8路输入的ADC0809芯片;在显示模块中，采用KS0713液晶显示器，需要单片机提供3个I/O控制端口;时钟的显示系统采用DS12887芯片与单片机进展通讯，需要1个中断输入和1个I/O控制端口;由于系统要存储至少500组测试信息，而且AT89S51单片机只有128KB的RAM，我们外扩8K的外部数据存储器6264;由于系统可以设定报警的限值和变更时间，那么需要5个键盘接口，来控制设置、上升、下降、右移和打印，用到5个I/O接口;由于AT89S51单片机接口有限，利用8255A对I/O接口进展扩展。2硬件电路设计硬件电路主要包括：传感器及信号处理局部、A/D转换局部、时钟校准输入局部、I/O扩展键盘输入、微型打印输出、液晶显示系统、声光报警系统以及吸气泵的控制。2.1传感器采样电路设计本文以测量CO的电化学传感器采样电路设计进展介绍。CO传感器是由北京康派尔科贸开展公司消费的7E/F三电极电化学传感器，该型传感器输出线性范围宽，线性稳定，额定输出为0.1uA/ppm,最小分辨率为0.5ppm,测量的最小范围和最大范围分别为0-20ppm和0-1000ppm。CO的测量范围是0-150mg/m3,CO的最大测量范围转换为ppm是：Ymax=150/1.25=120ppm转换为传感器输出的最大电流为：Imax=0.1120=12uA输出的电流分辨率为：Ii=0.10.5=0.05uA由此可得出其检测精度为：=0.5ppm/120ppm100%=0.42%2.2A/D及时钟电路设计采用ADC0809作为A/D转换器芯片。系统要对环境的气体质量进展检测并记录，记录信息中各种气体的浓度是一个关键的信息，在记录数据的同时，必须保存有关时间的信息，以便用户对数据进展分析并采取正确的应对措施。系统扩展了一片DS12887来为系统提供一个时间基准。2.3显示电路设计及I/O扩展系统采用KS0713液晶显示器。KS0713液晶模块具有24个指令控制字。通过写入不同的控制字，设置液晶显示器的初始条件以及各种运行条件，以实现液晶显示器的运行状态和运行形式。I/O扩展采用8255A芯片。利用I/O扩展芯片8255A，连接键盘和微型打印机。8255A设置为工作方式0，5个键盘输入接PA0-PA4，作为输入口;打印机的数据端口接至8255A的PB口，作为输出口，打印机的状态信号输入给PC0，打印机忙时BUSY=1。打印机的数据输入采用选通控制，将PC4接至打印机的STB端，当STB有负跳变时数据输入。2.4驱动电路设计采用NPN型三极管进展驱动，当端口电压为高时，负载的电压可以到达最大。系统中用到的抽气泵性能特别的良好，它只需直流+5V便可以可靠的工作。对于发光二极管需要10-20mA的电流，其结型压降和三极管的发射极压降都为0.7V，那么其分压电阻的分压值为3.6V，由此可得其阻值大概在180-360欧之间，本设计采用310欧的电阻做其分压电阻。3系统软件设计系统软件采用模块化方式编制，系统主程序流程图如图3所示。align=center图3主程序流程图/align键盘扫描子程序流程图如图4所示。align=center图4键盘扫描子程序流程图/alignAT89S51复位后运行其内部程序，选择第一种气体的模拟通道并启动A/D转换，把转换结果送单片机，同样方法依次启动另四种气体的转换，由于每一次转换至少需要100us的转换时间，所以在下一种气体的转换经过中把上一种气体的转换数据与程序中设定的超限值进展比拟，假设超出其范围那么进展声光报警，假设在其范围内那么等待下一组测量结果，最后一组数据转换完毕后更新显示器上的气体浓度信息，再把5组测量数据连同其气体种类及时间信息写入外部数据存储器中。4.完毕语多参数气体检测仪的研制，解决了目前国内只能检测到单一气体的问题，检测精度小于±5%满量程。在软件设计中采取了自检程序和数字滤波程序设计，使得检测数据进一步优化，增强了检测仪的抗干扰的才能。质量轻、维护、维修、携带方便，也可以在线固定点采样监测气体浓度。本文作者创新点：采用电化学原理多参数选择组合的方法，可以同时检测氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢和可燃气体的浓度，解决了目前只能检测到单一气体的问题。根据不同的行业要求，不同的监测点，对不同的检测参数可以更换不同的传感器来监测不同种类的气体，对不同气体可以设定不同的监测浓度和分辨率。1林秀敏，陈捷.GM-1型智能多参数气体检测仪J.江西煤炭科技，1999年第1期.2潘小青，刘庆成.气体传感器及其开展J.东华理工学院学报，Vol27No.1.3FJF01型气体质量检测仪使用讲明书.防化研究院,2005.4沙占友.智能传感器系统设计及应用M.北京：电子工业出版社，2004.5刘长春,崔大付.电化学传感器及其在芯片实验室中的应用J.传感器技术,2003,7.6李月红.红外线遥控技术在单片机系统中的应用J.江苏技术师范学院学报,2005,2.7高海生.单片机应用技术大全M.西安：西南交通大学出版社，1996.8何立明.单片机应用系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社，1996.9张兢，路彦和，赵学斌.空气传感器TGS2600在空气质量监测中的应用J.微计算机信息，2006，7-1：201-203.