基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉艷芳

摘 要：文章詳細(xì)的介紹了以AT89S51單片機(jī)為控制核心，RS-485串口通信，ADC0809轉(zhuǎn)換，LCD1602液晶顯示等外圍模塊實(shí)現(xiàn)對SO2和NO2實(shí)時(shí)采集處理、顯示、報(bào)警等功能。介紹了從器件選擇，原理圖電路設(shè)計(jì)，再進(jìn)行仿真的思路。此設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到了測量SO2和NO2的目的，測量結(jié)果由液晶屏顯示出來，通過串口線可以和上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)也可以通過串口線對下位機(jī)進(jìn)行控制，系統(tǒng)具有抗干擾性能和自我恢復(fù)能力。

關(guān)鍵詞：空氣污染；SO2和NO2；濃度；監(jiān)測

1 引言

通過對大氣污染調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：近幾年來，雖然國家加大了對環(huán)境污染的治理力度，但各種污染物指標(biāo)還是呈上升趨勢。這是由于我國環(huán)境方面制度還不完善，各地區(qū)因經(jīng)濟(jì)水平不同，對這方面投入力度不盡相同。本設(shè)計(jì)研究的是遠(yuǎn)程空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以單片機(jī)為中心的控制系統(tǒng)投資小，適用范圍廣，會呼喚人們行動(dòng)起來，共同保護(hù)我們的家園。這次研究的有著重大的意義。

本次設(shè)計(jì)包括最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，電阻、電容和晶振的選擇。二氧化硫傳感器和二氧化氮傳感器的選擇三電極化學(xué)傳感器。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是采用ADC0809將傳感器采集來的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再交給單片機(jī)處理。顯示電路采用點(diǎn)陣字符型1602而沒有用數(shù)碼管，避免了鎖存器等驅(qū)動(dòng)電路，使應(yīng)用簡化。且驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小，抗干擾強(qiáng)、顯示信息量大，便于攜帶。通信電路模塊采用485通信數(shù)據(jù)線，可實(shí)現(xiàn)抗共模干擾，遠(yuǎn)距離傳輸，真正保證信號的可靠性。電源電路則采用穩(wěn)壓器7805和電感、電容，確保了電壓的穩(wěn)定性。然后根據(jù)這些電路模塊的設(shè)計(jì)用protel畫出原理圖，

2 空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用本文采用AT89S51單片機(jī)，它是一款高速、低功耗、抗干擾、性價(jià)比好的8位單片機(jī)，在電子行業(yè)廣泛應(yīng)用。單片機(jī)的最小系統(tǒng)是包括電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。

2.1.1時(shí)鐘電路模塊

時(shí)鐘電路是為單片機(jī)提供控制信號的。使用同一時(shí)鐘信號可以保證單片機(jī)的工作同步。本設(shè)計(jì)以盡量降低功耗的原則采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，且是起穩(wěn)定頻率和快速起振的作用。單片機(jī)有一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘振蕩電路所以就只需要外接一個(gè)晶振源就可以產(chǎn)生時(shí)鐘信號了。為了消除定時(shí)器的初值和相應(yīng)的波特率之間的誤差，晶振X1選擇的是11.0592MHZ的振蕩頻率。

2.1.2復(fù)位電路模塊

復(fù)位電路是使單片機(jī)的初始化的電路。當(dāng)系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，需按復(fù)位電路以重新啟動(dòng)。工作原理：隨著電容充電，電容上的電壓增加，RST上電壓降低。選擇適合的充電常數(shù)，即合適的R、C值，即可保證開關(guān)按下時(shí)RST端有兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，從而使單片機(jī)內(nèi)部復(fù)位。開關(guān)按下是手動(dòng)復(fù)位，RST與電源直接相連接，給其一高電平，單片機(jī)直接復(fù)位。

2.1.3電路電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用集成穩(wěn)壓器7805，電感、電容作為電源電路設(shè)計(jì)，電感具有濾波的作用，保證了電流的穩(wěn)定性，電容具有穩(wěn)定電壓的作用，電容的充放電過程，保證了電源不穩(wěn)定時(shí)，電路也可以穩(wěn)定運(yùn)行。此電路起到PCB中穩(wěn)定電路的作用。

2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊采用的是芯片MAX232和串口RS-485構(gòu)成。MAX232芯片是用于連接單片機(jī)與總線RS-485串口的，使用+5V電源供電。RS485串口用于連接計(jì)算機(jī)的，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常由總線RS-485傳到后臺再由人工處理。

2.3 氣體傳感器

考慮到實(shí)際性和可操作性的問題，比較幾種氣體監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)所采用的方法是電化學(xué)傳感器的方法。

2.3.1 SO2/C-100傳感器

SO2傳感器采用三電極電化學(xué)傳感器SO2/C-100。該傳感器能工作時(shí)間和維護(hù)周期都比較長，但還能穩(wěn)定工作。工作原理：當(dāng)有SO2氣體擴(kuò)散進(jìn)入傳感器中，兩電極開始進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流 ，因?yàn)樵撾娏鞔笮≌扔跉怏w的濃度，通過外電路就可以測量二氧化硫氣體的含量。而參考電極敏感電極通過外部電路，使得工作電極和對電極保持在一個(gè)恒定的電位。

2.3.2 NE-NO2傳感器

NO2傳感器采用三電極電化學(xué)傳感器NE-NO2。具有體積較小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，而價(jià)格和其他型號相比具有競爭力。

檢測原理：檢知電極是根據(jù)氣體發(fā)生氧化反應(yīng)，與此同時(shí)對向電極發(fā)生還原反應(yīng)，而參照電極用來監(jiān)視和平衡持續(xù)電壓。二氧化氮?dú)怏w濃度與通過連續(xù)反應(yīng)成產(chǎn)生的電流成比例關(guān)系。

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

傳感器輸出的信號是模擬信號，故需要將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。以便AT80C51處理。本設(shè)計(jì)采用ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)P0口是漏極開路時(shí)是作為輸出口用的，為了使電路穩(wěn)定和增強(qiáng)抗干擾能力，并加大單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，在P0口出接阻值為10K的排阻作為上拉電阻，上拉則是將一個(gè)不確定的信號通過一個(gè)電阻鉗位在高電平，電阻同時(shí)還其限流的作用。

2.5 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

為了使本系統(tǒng)對室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測更為直觀，采用了由2個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成的聲光報(bào)警電路。其中當(dāng)SO2和NO2氣體含量超標(biāo)時(shí)，雙燈閃爍，蜂鳴器報(bào)警。

2.6 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)陣字符型1602設(shè)計(jì)液晶顯示模塊。VEE是控制LCD顯示屏的亮度，若為低電平，則亮度最高，可能出現(xiàn)鬼影。所以接一個(gè)10K的滑動(dòng)變阻器，從而來控制屏的亮度，以免出現(xiàn)鬼影或者屏幕過暗。在檢測環(huán)境氣體濃度時(shí)，會顯示采集到的氣體濃度值，同時(shí)顯示采集到數(shù)據(jù)的時(shí)間。

2.7 按鍵電路設(shè)計(jì)

考慮到整個(gè)測量系統(tǒng)中不同環(huán)境對氣體濃度要求不同，故設(shè)置了按鍵功能，用于實(shí)現(xiàn)測量范圍的調(diào)整，共設(shè)計(jì)四個(gè)按鍵，按鍵1完成顯示的自動(dòng)與手動(dòng)的切換，可實(shí)現(xiàn)氣體濃度的定時(shí)檢測，左右移位鍵兩個(gè)同時(shí)可實(shí)現(xiàn)兩種氣體濃度范圍的切換，當(dāng)氣體超過其設(shè)定濃度值時(shí)，可通過按鍵進(jìn)行復(fù)位。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心電化學(xué)傳感器測量二氧化硫濃度的系統(tǒng)，其功能包括二氧化硫和二氧化氮濃度的測量，模數(shù)轉(zhuǎn)換，報(bào)警，串口通信，LCD顯示。本設(shè)計(jì)中幾個(gè)有特色的地方：

（1）采用恒流電源技術(shù)。因?yàn)楹懔髟吹木葘φ麄€(gè)模擬信號的精度有十分重大的影響，它是所有工作的最開始的部分。同時(shí)過熱保護(hù)，過流保護(hù)等也可以對整個(gè)電路起到保護(hù)作用。

（2）采用單片機(jī)。在當(dāng)今社會中，單片機(jī)使用的非常廣泛。單片機(jī)的功能多樣、集成度和可靠度更高，而功耗更低且編程比較簡單，從而使用方便。

這次設(shè)計(jì)不僅要了解該設(shè)計(jì)的工作原理、功能以及模塊作用等，還要根據(jù)各種因素排除外界的干擾或者器件選型的不當(dāng)所引起的誤差。

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