基于AT89C52單片機(jī)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(jī)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(jì)。著重說明了中紅外發(fā)光二極管作為紅外光源的優(yōu)勢(shì)；詳細(xì)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(yīng)用；AD7896在模／數(shù)轉(zhuǎn)換中的運(yùn)用；最后給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖。該系統(tǒng)對(duì)提高有害氣體的檢測(cè)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(shí)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(jī)

0 引言
當(dāng)前我國環(huán)境保護(hù)的形勢(shì)越來越嚴(yán)峻，環(huán)境污染和生態(tài)破壞己經(jīng)在一定程度上嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)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(jì)損失和人群發(fā)病率的升高都十分驚人?？諝馕廴驹谶@里是一個(gè)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(shí)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(xiǎn)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(duì)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(huì)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(jì)目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體濃度的在線檢測(cè)，以lambert-beer定律為定量分析基礎(chǔ)，通過測(cè)定有害氣體對(duì)紅外光的吸收度來計(jì)算被測(cè)氣體濃度的實(shí)時(shí)分析儀器。整個(gè)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(jī)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(dòng)電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括紅外探測(cè)器及其偏置電路、信號(hào)放大電路及模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)控制電路包括邏輯控制電路及顯示、報(bào)警電路等。
圖1是系統(tǒng)的整體框圖。整個(gè)系統(tǒng)盡管按照功能劃分為幾個(gè)模塊，但在外部時(shí)鐘及單片機(jī)控制下步調(diào)統(tǒng)一地工作，實(shí)現(xiàn)了有害氣體的實(shí)時(shí)測(cè)量。

本文所設(shè)計(jì)的有害氣體檢測(cè)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(jìn)行氣體分析檢測(cè)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(cè)器除了具有很寬的光譜范圍(2μm～7μm)，還具有很快的響應(yīng)速度(時(shí)間常數(shù)1μs)，其很高的探測(cè)靈敏度保證了檢測(cè)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(gè)硬件電路圍繞著紅外光源與單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。外部獨(dú)立脈沖既驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘。為了取得光電轉(zhuǎn)換后微弱信號(hào)的準(zhǔn)確值，設(shè)計(jì)了直流信號(hào)放大電路。單片機(jī)控制的A／D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，液晶顯示屏幕實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)狀態(tài)以及測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，不但易于調(diào)試、維護(hù)，還可滿足系統(tǒng)的功能升級(jí)。

2 系統(tǒng)硬件組成
由于本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的自動(dòng)化檢測(cè)儀器，對(duì)于小規(guī)模的信號(hào)檢測(cè)，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(duì)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(duì)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(chǔ)器和片外RAM，降低了成本和簡化了控制電路。AT89C52有3個(gè)16位的時(shí)鐘(計(jì)數(shù)器)，而且32個(gè)I／O線全部可編程，時(shí)鐘可高達(dá)24 M，和89C51相比，它的使用更加靈活。本文僅對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的外部控制與顯示、報(bào)警模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。