基于A(yíng)T89S52 的便攜式智能室內環(huán)保監控儀設計

0 　引　言
文中以室內空氣中有毒有害氣體的監測監控為背景,介紹一種通用性很強的便攜式智能室內環(huán)保監控儀。它
的核心是AT89S52 超低功耗單片機,實(shí)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。文中詳細闡述了監控儀及傳感器的工作原理、硬件結構、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。

1 便攜式室內環(huán)保監控儀的工作原理
便攜式室內環(huán)保監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(guò)傳感器1 、傳感器
2 、傳感器3 輸出一個(gè)與甲醛、苯、氨濃度相對應的電流信號,該信號通過(guò)多路轉換器分時(shí)間段進(jìn)行I/ V 轉換,最后經(jīng)過(guò)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(jìn)行數字處理后驅動(dòng)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(guò)國家標準或設定的危險值時(shí)報警電路發(fā)出聲光報警信號,同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)設備或接通光觸媒燈管。當計算機控制系統需要改變A/ D 轉換的采樣時(shí)間時(shí),只要發(fā)出相應信息,便攜式室內環(huán)保監控儀即可將測量時(shí)間經(jīng)串行口及通信電路進(jìn)行更改。

2 硬件電路設計
為了滿(mǎn)足用戶(hù)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,使系統具有抗
干擾能力強的特點(diǎn)。硬件電路設計中盡可能選用功耗小、性能穩定的集成電路。
2. 1 微控制器AT89S52
微控制器是便攜式室內環(huán)保監控儀的核心,它完成監控儀的功能設定、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A(yíng)T89 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 字節的片內RAM、兩個(gè)16 位的定時(shí)器/ 計數器、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(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)測量氣體濃度。傳感器共有三個(gè)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(gè)防化學(xué)腐蝕的塑料殼體中,目標氣體通過(guò)活性電極鄰近的一個(gè)氣體可滲透薄膜向傳感器內部擴散。傳感器的工作過(guò)程為:被測氣體由進(jìn)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(jìn)行氧化或還原反應。其反應的性質(zhì)依據工作電極的熱力學(xué)電位和被分析氣體的電化學(xué)性質(zhì)而定。傳感器在氧化反應中,電化學(xué)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(xué)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(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(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(xiàn)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(zhì)量和性能,但其大多數性能指標要與前置放大器經(jīng)過(guò)較好的匹配才能體現出來(lái)。其指標主要有:輸出信號、電極電位、響應時(shí)間、響應線(xiàn)形度、測量重復性、抗干擾性、傳感器期待壽命?？蓪⑸鲜鎏匦灾笜朔譃殪o態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大類(lèi) 。靜態(tài)特性是指傳感器在被測量的各個(gè)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(mǎn)足后續電路的需要采用兩個(gè)運算放大器組成I/ V 轉換電路,采用RCV420 集成芯片。同時(shí)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(chǎn)的AD574 芯片,它是快速型12 位逐次逼近式A/ D 轉換器,無(wú)需外接元器件就可以獨立完成A/ D 轉換功能。轉換時(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(jìn)行進(jìn)一步詳盡的處理(如分析評估、打印存檔、繪制曲線(xiàn)圖表、根據外界環(huán)境修改報警設定值等) ,需要將數據從監控儀送到計算機。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(jiǎn)單,通信距離可達15 米,遠遠大于其它常用通信芯片的距離,并且小信號傳送穩定可靠,克服了模擬傳送中小信號失真大的缺點(diǎn),滿(mǎn)足使用要求。