基于单片机控制的室内有害气体监测系统的研究

【摘要】在室内有害气体监测系统设计中，选用ATMEL公司的8位STC89C51微处理器芯片作为核心，采用了Keil操作系统作为软件开发平台，开发了基于Keil操作系统的程序。通过安装调试，实现了对室内甲醛、甲苯、水煤气、天然气、液化石油气浓度的监测、显示以及超限及时报警等功能，达到预期设计效果。

【关键词】传感器;有害气体;实时监测;STC89C52

一、总体系统方案设计

本研究采用 STC89C51 单片机作为控制核心，直接利用甲醛传感器采集室内甲醛浓度，利用一氧化碳传感器采集室内一氧化碳浓度，利用烟雾传感器来监测烟雾的危害程序，经过处理后直接传给单片机，单片机综合分析以后，送到数码管上显示，并且通过独立键盘来设置，真题电路设计简单，具体模块框图如下：

图1 模块框图

二、硬件电路设计

1.STC89C51型单片机简介

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

89C51总控制电路如下：

图2  89C51总控制电路

2.显示电路

由于51单片机P0口内部无上拉电阻，所以我在P0口外加了1k的上拉排阻。

总电路图如下：

图3 总电路图

3.电源模块及声光报警模块

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。本设计采用压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5～15V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

4.传感器模块

（1）MQ-2 烟雾传感器

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

（2）MQ-7一氧化碳传感器

MQ-7气体传感器的气敏材料，是用在清洁空气中电导率低的二氧化锡（SnO2）。采用高低温循环检测方式低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0 V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-7传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

（3）MQ-138醛、酮、醇类气体传感器

MQ-138醛、酮、醇类气体传感器使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在醛、酮、醇类气体时，传感器的电导率随空气中醛、酮、醇类气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-138醛、酮、醇类气体传感器对醛、醇、酮、芳族化合物的灵敏度高。，是一款适合多种应用的低成本传感器。

四、总结

本研究的任务是实时监测室内有毒害气体、易燃易爆气体浓度，如果实测浓度超限，则及时进行声光报警。本次设计使用了低电压、高性能CMOS8位微处理器STC89C52 单片机作为控制核心，总体电路具有运行速度快，稳定，结构简单，散热迅速等特点，采用模块化设计，这样不仅有利于系统硬件的设计和调试，同时也方便对系统进行更改和系统硬件的升级。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家技术监督局.GB/T 16127-1996.居室空气中甲醛的卫生标准.北京：中国标准出版社，1994-07-01

[2]刘永华.建筑装修导致室内空气污染的研究[硕士学位论文]，重庆：重庆大学，2004，1-1

[3]郑郁正.单片机原理及运用.四川：四川大学出版社.2005.30-38