摘 要：本文介紹了基于AT89S51單片機(jī)的多參數(shù)氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。利用電化學(xué)傳感器和紅外氣體傳感器，可同時(shí)檢測(cè)氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、甲烷等5種氣體在空氣中的含量，并具有超限報(bào)警、顯示、打印等功能，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、衛(wèi)生防疫、勞動(dòng)保護(hù)、易燃易爆和安全生產(chǎn)等領(lǐng)域，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：氣體檢測(cè)儀，氣體傳感器，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì) Abstract:This paper introduce design method for the multi-parameters gas detector which is based on microcontroller AT89S51.Makes use of gas sensor,it can measure strength of five kinds of gas which include O2、CO、CO2、H2S and CH4 at the same time, it have also alarm and display and print etc function,far-ranging applied in environment monitor, hygiene epidemic prevention, labor protection, combustible and explosive, safety to produce etc. it have certain applied value. Key word:gas detector,gas sensor,hardware design,software design 0 引言 　　井下作業(yè)環(huán)境中氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫及甲烷濃度的高低，直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)和礦工的生命安全。同時(shí)，隨著各種天然氣、煤制氣、液化氣的開發(fā)和使用,各種可燃性氣體散發(fā)在工作場所和人們生活中，因此連續(xù)、直接檢測(cè)工作環(huán)境和生活環(huán)境中有毒氣體、可燃性氣體有著極其重要的意義。目前，氣體檢測(cè)大多采用單氣體檢測(cè)方式，即每測(cè)量一種氣體需要攜帶一種測(cè)量儀表。研制能用一種儀器同時(shí)檢測(cè)多種不同氣體是氣體檢測(cè)儀的發(fā)展趨勢(shì),即進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量,多種氣體檢測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體種類的識(shí)別和濃度的判斷,從而更全面地反映被測(cè)氣體在特定環(huán)境中所顯示的特性。 　　本文介紹基于AT89S51單片機(jī)控制的多參數(shù)氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。 1 多參數(shù)氣體檢測(cè)儀的功能及測(cè)量原理 　　1.1系統(tǒng)功能 　　系統(tǒng)的功能如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)功能框圖[/align] 　　由圖1可知,系統(tǒng)由8個(gè)功能模塊構(gòu)成:進(jìn)氣過濾系統(tǒng)（包括采樣泵、濾膜、氣室、進(jìn)出氣管路）、傳感器及信號(hào)處理單元（紅外傳感器、電化學(xué)傳感器）、主控電路板（微處理器、通訊接口、數(shù)據(jù)管理等）、LCD顯示屏、人機(jī)對(duì)話單元（組合功能鍵、指使燈板）、供電單元（直流穩(wěn)壓電源、電池組、穩(wěn)壓電路）以及時(shí)鐘輸入單元。 　　1.2系統(tǒng)檢測(cè)原理 　　系統(tǒng)檢測(cè)原理如圖2所示。 [align=center] 圖2系統(tǒng)檢測(cè)原理圖[/align] 　　紅外氣體傳感器和電化學(xué)傳感器分別對(duì)氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫和甲烷五種氣體進(jìn)行檢測(cè)。其中，二氧化碳和甲烷采用紅外傳感器檢測(cè)，氧氣、一氧化碳、硫化氫由電化學(xué)傳感器檢測(cè)。被測(cè)氣體通過兩類傳感器時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，由微處理器AT89S51進(jìn)行采集、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生濃度結(jié)果數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行超限比較，當(dāng)被測(cè)氣體的濃度超過儀器設(shè)定的報(bào)警限時(shí)，儀器產(chǎn)生聲光報(bào)警，并在顯示屏上顯示報(bào)警狀態(tài)、故障狀態(tài)、時(shí)間參數(shù)等數(shù)據(jù)信息，同時(shí)保存數(shù)據(jù)結(jié)果。 　　在進(jìn)氣過濾系統(tǒng)中，至少需要1個(gè)I/O端口來控制采樣泵的工作;在傳感器及信號(hào)處理單元，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路把傳感器產(chǎn)生的關(guān)于氣體濃度的有關(guān)信息轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，選擇8路輸入的ADC0809芯片;在顯示模塊中，采用KS0713液晶顯示器，需要單片機(jī)提供3個(gè)I/O控制端口;時(shí)鐘的顯示系統(tǒng)采用DS12887芯片與單片機(jī)進(jìn)行通訊，需要1個(gè)中斷輸入和1個(gè)I/O控制端口;由于系統(tǒng)要存儲(chǔ)至少500組測(cè)試信息，而且AT89S51單片機(jī)只有128KB的RAM，我們外擴(kuò)8K的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264;由于系統(tǒng)可以設(shè)定報(bào)警的限值和變更時(shí)間，則需要5個(gè)鍵盤接口，來控制設(shè)置、上升、下降、右移和打印，用到5個(gè)I/O接口;由于AT89S51單片機(jī)接口有限，利用8255A對(duì)I/O接口進(jìn)行擴(kuò)展。 2 硬件電路設(shè)計(jì) 　　硬件電路主要包括：傳感器及信號(hào)處理部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、時(shí)鐘校準(zhǔn)輸入部分、I/O擴(kuò)展（鍵盤輸入、微型打印輸出）、液晶顯示系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)以及吸氣泵的控制。 　　2.1傳感器采樣電路設(shè)計(jì) 　　本文以測(cè)量CO的電化學(xué)傳感器采樣電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。CO傳感器是由北京康派爾科貿(mào)發(fā)展公司生產(chǎn)的7E/F三電極電化學(xué)傳感器，該型傳感器輸出線性范圍寬，線性穩(wěn)定，額定輸出為0.1uA/ppm, 最小分辨率為0.5ppm,測(cè)量的最小范圍和最大范圍分別為0-20ppm和0-1000ppm。CO的測(cè)量范圍是0-150mg/m︿3,CO的最大測(cè)量范圍轉(zhuǎn)換為ppm是：Ymax=150/1.25=120（ppm） 　　轉(zhuǎn)換為傳感器輸出的最大電流為：Imax=0.1＊120=12（uA） 　　輸出的電流分辨率為：Ii=0.1＊0.5=0.05（uA） 　　由此可得出其檢測(cè)精度為：ε= 0.5ppm/120ppm＊100%=0.42% 　　2.2A/D及時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 　　采用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器芯片。 　　系統(tǒng)要對(duì)環(huán)境的氣體質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)并記錄，記錄信息中各種氣體的濃度是一個(gè)關(guān)鍵的信息，在記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)，必須保存有關(guān)時(shí)間的信息，以便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并采取正確的應(yīng)對(duì)措施。系統(tǒng)擴(kuò)展了一片DS12887來為系統(tǒng)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。 　　2.3顯示電路設(shè)計(jì)及I/O擴(kuò)展 　　系統(tǒng)采用KS0713液晶顯示器。 　　KS0713液晶模塊具有24個(gè)指令控制字。通過寫入不同的控制字，設(shè)置液晶顯示器的初始條件以及各種運(yùn)行條件，以實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行模式。 　　I/O擴(kuò)展采用8255A芯片。 　　利用I/O擴(kuò)展芯片8255A，連接鍵盤和微型打印機(jī)。8255A設(shè)置為工作方式0，5個(gè)鍵盤輸入接PA0-PA4，作為輸入口;打印機(jī)的數(shù)據(jù)端口接至8255A的PB口，作為輸出口，打印機(jī)的狀態(tài)信號(hào)輸入給PC0，打印機(jī)忙時(shí)BUSY=1。打印機(jī)的數(shù)據(jù)輸入采用選通控制，將PC4接至打印機(jī)的STB端，當(dāng)STB有負(fù)跳變時(shí)數(shù)據(jù)輸入。 　　2.4驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 　　采用NPN型三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)端口電壓為高時(shí)，負(fù)載的電壓能夠達(dá)到最大。系統(tǒng)中用到的抽氣泵性能十分的良好，它只需直流+5V便可以可靠的工作。對(duì)于發(fā)光二極管需要10-20mA的電流，其結(jié)型壓降和三極管的發(fā)射極壓降都為0.7V，則其分壓電阻的分壓值為3.6V，由此可得其阻值大概在180-360歐之間，本設(shè)計(jì)采用310歐的電阻做其分壓電阻。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)軟件采用模塊化方式編制，系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 主程序流程圖[/align] 　　鍵盤掃描子程序流程圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 鍵盤掃描子程序流程圖[/align] 　　AT89S51復(fù)位后運(yùn)行其內(nèi)部程序，選擇第一種氣體的模擬通道并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換結(jié)果送單片機(jī)，同樣方法依次啟動(dòng)另四種氣體的轉(zhuǎn)換，由于每一次轉(zhuǎn)換至少需要100us的轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以在下一種氣體的轉(zhuǎn)換過程中把上一種氣體的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與程序中設(shè)定的超限值進(jìn)行比較，若超出其范圍則進(jìn)行聲光報(bào)警，若在其范圍內(nèi)則等待下一組測(cè)量結(jié)果，最后一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后更新顯示器上的氣體濃度信息，再把5組測(cè)量數(shù)據(jù)連同其氣體種類及時(shí)間信息寫入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。 4.結(jié)束語 　　多參數(shù)氣體檢測(cè)儀的研制，解決了目前國內(nèi)只能檢測(cè)到單一氣體的問題，檢測(cè)精度小于±5%（滿量程）。在軟件設(shè)計(jì)中采取了自檢程序和數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)，使得檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化，增強(qiáng)了檢測(cè)儀的抗干擾的能力。質(zhì)量輕、維護(hù)、維修、攜帶方便，也可以在線固定點(diǎn)采樣監(jiān)測(cè)氣體濃度。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用電化學(xué)原理多參數(shù)選擇組合的方法，能夠同時(shí)檢測(cè)氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和可燃?xì)怏w的濃度，解決了目前只能檢測(cè)到單一氣體的問題。根據(jù)不同的行業(yè)要求，不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)不同的檢測(cè)參數(shù)可以更換不同的傳感器來監(jiān)測(cè)不同種類的氣體，對(duì)不同氣體可以設(shè)定不同的監(jiān)測(cè)濃度和分辨率。 參考文獻(xiàn) 　　[1]林秀敏，陳捷.GM-1型智能多參數(shù)氣體檢測(cè)儀[J].江西煤炭科技，1999年第1期. 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