基于AT89S52 的便攜式智能室內(nèi)環(huán)保監(jiān)控儀設(shè)計(jì)

0 　引　言
文中以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)監(jiān)控為背景,介紹一種通用性很強(qiáng)的便攜式智能室內(nèi)環(huán)保監(jiān)控儀。它
的核心是AT89S52 超低功耗單片機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣中有毒有害氣體苯、甲醛、氨氣濃度參數(shù)的采集處理、存儲(chǔ)、顯示、通信、報(bào)警和排氣扇的控制等功能。文中詳細(xì)闡述了監(jiān)控儀及傳感器的工作原理、硬件結(jié)構(gòu)、軟件流程等相關(guān)技術(shù),并指出該儀器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

1 便攜式室內(nèi)環(huán)保監(jiān)控儀的工作原理
便攜式室內(nèi)環(huán)保監(jiān)控儀的工作原理如圖1 所示。室內(nèi)空氣中有害氣體甲醛、苯、氨分別通過(guò)傳感器1 、傳感器
2 、傳感器3 輸出一個(gè)與甲醛、苯、氨濃度相對(duì)應(yīng)的電流信號(hào),該信號(hào)通過(guò)多路轉(zhuǎn)換器分時(shí)間段進(jìn)行I/ V 轉(zhuǎn)換,最后經(jīng)過(guò)A/ D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入CPU[ 1 ] 。CPU 對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字處理后驅(qū)動(dòng)顯示器分別
顯示出被測(cè)室內(nèi)空氣中的甲醛、苯、氨的濃度值。若被測(cè)室內(nèi)空氣中甲醛、苯、氨的濃度超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)定的危險(xiǎn)值時(shí)報(bào)警電路發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)設(shè)備或接通光觸媒燈管。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要改變A/ D 轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)間時(shí),只要發(fā)出相應(yīng)信息,便攜式室內(nèi)環(huán)保監(jiān)控儀即可將測(cè)量時(shí)間經(jīng)串行口及通信電路進(jìn)行更改。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
為了滿足用戶的需要,能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單便捷的操作,同時(shí)還要兼顧體積小、耗電少、精度高的要求,使系統(tǒng)具有抗
干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。硬件電路設(shè)計(jì)中盡可能選用功耗小、性能穩(wěn)定的集成電路。
2. 1 微控制器AT89S52
微控制器是便攜式室內(nèi)環(huán)保監(jiān)控儀的核心,它完成監(jiān)控儀的功能設(shè)定、測(cè)量對(duì)象的選擇、信號(hào)處理存儲(chǔ)、狀態(tài)信
息的顯示、數(shù)據(jù)通信、輸出、顯示、報(bào)警等功能。相對(duì)于AT89 系列單片機(jī),選擇通用性強(qiáng)、功耗小、性能良好的8位AT89S52 微處理器芯片。它與MCS - 51 兼容,具有8kB 的FLASH 存儲(chǔ)空間、2kB 的E2 PROM、256 字節(jié)的片內(nèi)RAM、兩個(gè)16 位的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、可編程串口通訊、可編程看門(mén)狗定時(shí)器WDT、6 個(gè)中斷源等特點(diǎn),大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)[ 2 ] 。

2. 2 傳感器
2. 2. 1 傳感器工作原理
傳感器元件是準(zhǔn)確檢測(cè)甲醛、苯、氨氣氣體濃度的關(guān)鍵。定電位電解式傳感器是一種濕式電化學(xué)氣體傳感器,它通過(guò)測(cè)定氣體在某個(gè)確定電位電解時(shí)所產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)量氣體濃度。傳感器共有三個(gè)電極(活性電極、參考電極、計(jì)數(shù)電極) ,浸在液體電解液中,整體密封在一個(gè)防化學(xué)腐蝕的塑料殼體中,目標(biāo)氣體通過(guò)活性電極鄰近的一個(gè)氣體可滲透薄膜向傳感器內(nèi)部擴(kuò)散。傳感器的工作過(guò)程為:被測(cè)氣體由進(jìn)氣孔擴(kuò)散到工作電極表面,在工作電極、電解液、對(duì)電極之間進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)。其反應(yīng)的性質(zhì)依據(jù)工作電極的熱力學(xué)電位和被分析氣體的電化學(xué)性質(zhì)而定。傳感器在氧化反應(yīng)中,電化學(xué)反應(yīng)中參加反應(yīng)的電子流出工作電極;在還原反應(yīng)中,電化學(xué)反應(yīng)中參加反應(yīng)的電子流向工作電極。流出和流向工作電極的電流與被分析氣體的濃度值成正比[ 3 ] ?；钚噪姌O材料的選擇原則是:該材料應(yīng)對(duì)目標(biāo)氣體具有最優(yōu)敏感性,而交叉敏感度則應(yīng)降至最低。在活性電極和計(jì)數(shù)電極之間的電壓要預(yù)先調(diào)整好,并由一個(gè)外部電壓電路保持,其中參考電極作為電路的反饋控制。相對(duì)于選擇性而言,由于每一種目標(biāo)氣體都有其各自獨(dú)特的電解電壓,因而傳感器的響應(yīng)可以得到進(jìn)一步優(yōu)化。傳感器的輸出是一個(gè)正比于氣體濃度的線性電壓差[ 4 ] 。最后與前置放大器匹配使用轉(zhuǎn)換為4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

2. 2. 2 傳感器的基本性能
傳感器的基本性能指的是傳感器的基本考核指標(biāo),它反映傳感器的質(zhì)量和性能,但其大多數(shù)性能指標(biāo)要與前置放大器經(jīng)過(guò)較好的匹配才能體現(xiàn)出來(lái)。其指標(biāo)主要有:輸出信號(hào)、電極電位、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)線形度、測(cè)量重復(fù)性、抗干擾性、傳感器期待壽命?？蓪⑸鲜鎏匦灾笜?biāo)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大類 。靜態(tài)特性是指?jìng)鞲衅髟诒粶y(cè)量的各個(gè)值

2. 4 I/ V轉(zhuǎn)換電路
由于傳感器輸出是標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA 的電流信號(hào),為了滿足后續(xù)電路的需要采用兩個(gè)運(yùn)算放大器組成I/ V 轉(zhuǎn)換電路,采用RCV420 集成芯片。同時(shí)有效地抑制了輸入信號(hào)間的共模干擾和串模干擾。圖3 是RCV420 與后繼放大電路的原理圖。

2. 5 　A/ D 轉(zhuǎn)換電路
A/ D 轉(zhuǎn)換電路采用AD 公司生產(chǎn)的AD574 芯片,它是快速型12 位逐次逼近式A/ D 轉(zhuǎn)換器,無(wú)需外接元器件就可以獨(dú)立完成A/ D 轉(zhuǎn)換功能。轉(zhuǎn)換時(shí)間15μs～35μs ,可以并行輸出12 位,也可以分8 位和4 位兩次輸出。因此,大大簡(jiǎn)化了AD574 與CPU 接口電路,同時(shí)轉(zhuǎn)換速度快,而且功耗小。
2. 6 通信電路
為了對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步詳盡的處理(如分析評(píng)估、打印存檔、繪制曲線圖表、根據(jù)外界環(huán)境修改報(bào)警設(shè)定值等) ,需要將數(shù)據(jù)從監(jiān)控儀送到計(jì)算機(jī)。采用通用的MAX232 集成芯片與AT89S52 的RXD 和TXD 構(gòu)成串行通訊口,它具有遠(yuǎn)距離、低功耗、高可靠性的調(diào)制解調(diào)芯片,使用該芯片編程容易、外圍電路簡(jiǎn)單,通信距離可達(dá)15 米,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它常用通信芯片的距離,并且小信號(hào)傳送穩(wěn)定可靠,克服了模擬傳送中小信號(hào)失真大的缺點(diǎn),滿足使用要求。