有毒气体检测仪

便携式有毒气体检测仪1第1章绪论1.1便携式气体检测仪的工作原理与行业前景1.1.1有毒气体检测仪的工作原理便携式气体检测仪选用气敏传感器及微控制器为报警器的控制核心，传感器检测到气体转换成电信号，送入AD转换器将模拟信号转为数字信号，通过单片机的处理以及软件编程实现报警，最终将气体浓度显示在液晶上。报警可采用二极管加蜂鸣器实现声光报警。电源可采用镍镉充电电池，工作时间长达6000h。同时还可设置一个4×4键盘，通过按键来实现报警上限值的修改，降低编程的难度。其中需要对气敏传感器做一些介绍，气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类极其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。此次设计中，我采用了MQ-7型号的传感器，它适用于一氧化碳气体的检测，检测范围为20ppm～2000ppm，工作温度在-20℃~50℃，灵敏度高，输出信号为伏特级，功耗≤0.2W，连续工作使用寿命大于叁年，可靠性好，可根据用户要求调整外型及参数提供应用设计服务。1.1.2便携式气体检测仪的行业前景微电子技术的发展和工业测量的需求，使便携式气体检测仪有着很好的发展前景。便携式仪表体积小，单电源供电，使其携带方便，检测工业环境和家庭内部的气体含量方便快捷。在微电子技术基础上发展起来的单片机及其外围器件，使仪表技术进入了一个崭新的智能化时代。此外，半导体工艺的发展使器件普遍地采用CMOS技术，CMOS器件不仅器件的体积越来越小，也为实现低电压、低功耗和功耗管理提供了良好的条件，使便携式仪表的普及成为可能。从使用者的角度来说，我们希望便携式仪表在大多数情况下都能携带方便，操作简单，无需复杂维护又能长时间可靠地工作。它的硬件可以看作是一个完整的单片机系统，包括了多种形式的输入输出，整个系统的电源管理是一个重要的问题，在设计具体的电源模块时要注意如下几个方便携式有毒气体检测仪2面：1、为降低系统功耗，减小仪表体积，应尽可能地选用CMOS器件；2、根据容许的空间和需求的容量合理地选择电池，从互换性角度考虑应尽量选用普通电池作为电源；3、选用合适的电源稳压变换器件，在满足电源需求的前提下，使电源模块的外围电路简单，减小占用空间：4、当要实现多电压输出时，既可以直接选用具备相应功能的电源稳压变换器件，也可以充分利用电路中已有器件的辅助电压输出，达到简化外围电路的目的。1.2一氧化碳测定的意义1.2.1一样化碳对人体健康的危害在通常状况下,一氧化碳是无色、无臭、无味、有毒的气体,不融于水，标准状况下气体密度为l.25g/L,和空气密度(标准状况下1.293g/L相差很小,这也是容易发生煤气中毒的因素之一，它为中性气体。室内一氧化碳主要来源于吸烟、含碳燃料的不完全燃烧等。当不存在室内源时，室内一氧化碳含量与室外持平，维持在3~10ml/m3。由于一氧化碳不能透过皮肤，因此，它对人体健康的影响主要通过呼吸系统来实现。一氧化碳能与血红蛋白结合形成羟基血红蛋白(COHb)，但是一氧化碳与血红蛋白的结合能力远远大于氧气的结合能力，是氧气的200倍，当与氧气同时存在时，血红蛋白优先与一氧化碳结合，制约了氧气在血液中的传播。一氧化碳可对心脏、肺和神经系统产生有害影响，当COHb的浓度为10％时，主要引起心血管疾病，导致中枢神经紊乱；当浓度为2.5％时，可加重胸痛病人的症状。当一氧化碳进入人体时,会导致缺氧，使人出现头痛、头晕、疲倦、恶心等感觉，严重时会发生心悸亢进、虚脱、昏睡、痉挛，部分患者可并发脑水肿、肺水肿、严重的心肌损害、休克、呼吸衰竭、死亡等。1.2.2测定一氧化碳的意义鉴于上述一氧化碳的种种危害，以及人们的人生安全，那么检测环境中的一氧化碳变的十分重要，本文设计的便携式CO检测仪起到举足轻重的作用，使得人们的居住条件变地更安全，生活质量得以提高。便携式有毒气体检测仪31.3课题背景单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。单片机也广泛应用于仪器仪表：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。便携式有毒气体检测仪4第2章系统分析与关键技术2.1系统分析便携式有毒气体检测仪的基本功能模块如下图2-1所示。从图中可以看出,对于任何一种便携式仪表而言,除了功能传感器需要具备自身的要求和特点之外,液晶显示模块和键盘输入模块均是通用模块,其主要的功能也大致相同,所以此部分的参考资料寻找方便。单片机AD转换气敏传感器液晶显示键盘输入外部存储器图2-1便携式有毒气体检测仪的功能模块图从图中可以看出，仪表的主要功能模块分为三类：数据采集：是指在单片机的控制下，使用功能传感器完成特定信号的测量和数据采集的功能，传感器再将采集到的信号和数据传输到单片机中。结果显示：是指单片机将采集到的数据发送到液晶显示模块，并控制液晶显示模块按照一定的格式将其显示的功能。操纵输入：是指操纵者或其他器件向单片机发送控制指令，用于控制仪器的模式，该指令一般通过键盘输入。单片机在控制指令的要求下，完成一定功能，如进行信号测量，数据显示等。2.2关键技术在整个设计中，以下几个方面最为重要：一是对传感器的选择，二是液晶显示模块的电源，三是液晶显示模块的驱动和编程，四是行列键盘的输入，五是键盘的软件便携式有毒气体检测仪5去抖，下面对其进行简要介绍：传感器的选择：传感器种类繁多，所以在选择的时候要明确目标，找一个性价比高的产品。液晶显示模块的电源：液晶显示模块的电源需要提供两路不同的电压，如何在电源单输入的情况下，设计整个单片机系统的多路电源输出，这是设计时首先需要考虑的问题。液晶显示模块的驱动和编程：主要是设计液晶模块和单片机的接口电路，以及利用单片机对液晶模块的驱动和操作。行列键盘的输入：行列键盘是本次设计中单片机的输入接口。它的硬件连接和编程都是较难的。键盘软件去抖：在键盘输入时，由于人工输入和按键的机械特性，按键会发生颤动，从而影响键盘输入信号。在接下来的硬件部分将对上述关键技术进行逐一介绍。便携式有毒气体检测仪6第3章系统硬件设计3.1系统电源设计便携式仪器的工作性质决定了其电源必须独立，所以采用了方便快捷的镍镉充电电池，电源部分的电路原理图如图3-1。GNDGNDGNDD1Vin1Vout23LM7805+C1+C2GNDGNDGNDC3104C410447uf100uf441166553322SWDPDTVCCVCCR11kPOWERLEDGND112233U1CHATOU图3-1电源部分电路原理图可供选择的电源稳压变换的集成电源器件主要有如下几类：低压差线性稳压器件；通用开关型稳压器件；多功能或专用的电源器件；电压基准器件；从体积上考虑，电源稳压变换器件与电路中的其他器件一样选用智能芯片，而不宜选用传统的线性稳压器件。由于使用电池供电，经过一段时间的放电后，电池电压会有所下降，这时电源模块应能保持稳定的输出，这就要求电源部分对输入电压的要求不能太苛刻，要允许输入电压在一定的范围内变化。在各种集成电源器件中，通用开关型集成稳压器件有较高的电源效率，适应较宽的输入电压范围，容易通过变换产生多种类型的输出电压，非常适合于使用电池供电的系统，在便携式仪表中有着广泛的应用。这类转换器件按其控制方式的不同可分为两类：(1)脉冲宽度调制式(PWM)；(2)脉冲频率调制式(PWF)。脉冲宽度调制式(PWM)转换器工作于固定的开关频率，其滤波电路的设计较简单；脉冲频率调制式(PWF)转换器在小功率输出时可望获得较低的静态电流。此例中使用了脉冲频率调制式(PWF)的稳压芯片LM7805，经过整流稳压后输出电压为5V。便携式有毒气体检测仪73.2信号采集及处理3.2.1信号采集电路气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。目前，市场上的传感器种类繁多。通常以气敏特性来分类，主要可分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光化学型气体传感器、高分子气体传感器等。下面对各类传感器进行简要介绍；1、半导体气体传感器半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器，根据其气敏机制可以分为电阻式和非电阻式两种。电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜(例如：SnO2，ZnO，Fe2O3，TiO2等)制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化，气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应，传感器内的加热器有助于氧化反应进程，它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高.当探测气体中混有硫化物时，容易中毒。非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场效应管式(MOSFET)半导体气体传感器，其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测氢和硅烧气等可燃性气体。其中，MOSFET气体传感器工作原理是挥发性有机化合物(VOC)与催化金