基于AT89S52 的便攜式智能室內環(huán)保監(jiān)控儀設計

0 　引　言
文中以室內空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測監(jiān)控為背景,介紹一種通用性很強的便攜式智能室內環(huán)保監(jiān)控儀。它
的核心是AT89S52 超低功耗單片機,實現對室內空氣中有毒有害氣體苯、甲醛、氨氣濃度參數的采集處理、存儲、顯示、通信、報警和排氣扇的控制等功能。文中詳細闡述了監(jiān)控儀及傳感器的工作原理、硬件結構、軟件流程等相關技術,并指出該儀器的特點和優(yōu)勢。

1 便攜式室內環(huán)保監(jiān)控儀的工作原理
便攜式室內環(huán)保監(jiān)控儀的工作原理如圖1 所示。室內空氣中有害氣體甲醛、苯、氨分別通過傳感器1 、傳感器
2 、傳感器3 輸出一個與甲醛、苯、氨濃度相對應的電流信號,該信號通過多路轉換器分時間段進行I/ V 轉換,最后經過A/ D 轉換電路將模擬信號轉換為數字信號送入CPU[ 1 ] 。CPU 對采樣值進行數字處理后驅動顯示器分別
顯示出被測室內空氣中的甲醛、苯、氨的濃度值。若被測室內空氣中甲醛、苯、氨的濃度超過國家標準或設定的危險值時報警電路發(fā)出聲光報警信號,同時啟動排風設備或接通光觸媒燈管。當計算機控制系統(tǒng)需要改變A/ D 轉換的采樣時間時,只要發(fā)出相應信息,便攜式室內環(huán)保監(jiān)控儀即可將測量時間經串行口及通信電路進行更改。

2 硬件電路設計
為了滿足用戶的需要,能夠進行簡單便捷的操作,同時還要兼顧體積小、耗電少、精度高的要求,使系統(tǒng)具有抗
干擾能力強的特點。硬件電路設計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環(huán)保監(jiān)控儀的核心,它完成監(jiān)控儀的功能設定、測量對象的選擇、信號處理存儲、狀態(tài)信
息的顯示、數據通信、輸出、顯示、報警等功能。相對于AT89 系列單片機,選擇通用性強、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 存儲空間、2kB 的E2 PROM、256 字節(jié)的片內RAM、兩個16 位的定時器/ 計數器、可編程串口通訊、可編程看門狗定時器WDT、6 個中斷源等特點,大大簡化了電路的設計[ 2 ] 。

2. 2 傳感器
2. 2. 1 傳感器工作原理
傳感器元件是準確檢測甲醛、苯、氨氣氣體濃度的關鍵。定電位電解式傳感器是一種濕式電化學氣體傳感器,它通過測定氣體在某個確定電位電解時所產生的電流來測量氣體濃度。傳感器共有三個電極(活性電極、參考電極、計數電極) ,浸在液體電解液中,整體密封在一個防化學腐蝕的塑料殼體中,目標氣體通過活性電極鄰近的一個氣體可滲透薄膜向傳感器內部擴散。傳感器的工作過程為:被測氣體由進氣孔擴散到工作電極表面,在工作電極、電解液、對電極之間進行氧化或還原反應。其反應的性質依據工作電極的熱力學電位和被分析氣體的電化學性質而定。傳感器在氧化反應中,電化學反應中參加反應的電子流出工作電極;在還原反應中,電化學反應中參加反應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:該材料應對目標氣體具有最優(yōu)敏感性,而交叉敏感度則應降至最低。在活性電極和計數電極之間的電壓要預先調整好,并由一個外部電壓電路保持,其中參考電極作為電路的反饋控制。相對于選擇性而言,由于每一種目標氣體都有其各自獨特的電解電壓,因而傳感器的響應可以得到進一步優(yōu)化。傳感器的輸出是一個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換為4～20mA 的標準電流信號。

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,它反映傳感器的質量和性能,但其大多數性能指標要與前置放大器經過較好的匹配才能體現出來。其指標主要有:輸出信號、電極電位、響應時間、響應線形度、測量重復性、抗干擾性、傳感器期待壽命。可將上述特性指標分為靜態(tài)和動態(tài)兩大類 。靜態(tài)特性是指傳感器在被測量的各個值

2. 4 I/ V轉換電路
由于傳感器輸出是標準的4～20mA 的電流信號,為了滿足后續(xù)電路的需要采用兩個運算放大器組成I/ V 轉換電路,采用RCV420 集成芯片。同時有效地抑制了輸入信號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 轉換電路
A/ D 轉換電路采用AD 公司生產的AD574 芯片,它是快速型12 位逐次逼近式A/ D 轉換器,無需外接元器件就可以獨立完成A/ D 轉換功能。轉換時間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,大大簡化了AD574 與CPU 接口電路,同時轉換速度快,而且功耗小。
2. 6 通信電路
為了對所采集的數據進行進一步詳盡的處理(如分析評估、打印存檔、繪制曲線圖表、根據外界環(huán)境修改報警設定值等) ,需要將數據從監(jiān)控儀送到計算機。采用通用的MAX232 集成芯片與AT89S52 的RXD 和TXD 構成串行通訊口,它具有遠距離、低功耗、高可靠性的調制解調芯片,使用該芯片編程容易、外圍電路簡單,通信距離可達15 米,遠遠大于其它常用通信芯片的距離,并且小信號傳送穩(wěn)定可靠,克服了模擬傳送中小信號失真大的缺點,滿足使用要求。