【正文】 環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計預(yù)測，美國1996年—2002年氣體傳感器年均增長率為（27～30）％。 目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)。如日本費(fèi)加羅公司推出了檢測（～10）10－6硫化氫低功耗氣體傳感器，美國IST提供了壽命達(dá)10年以上的氣體傳感器，美國FirstAlert公司推出了生物模擬型（光化反應(yīng)型）低功耗CO氣體傳感器等。二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展MEMS技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器。如美國GeneralMonitors公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國IST公司的具有微處理器的“MegaGas”傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點(diǎn)支持發(fā)展的情況下，國內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。其現(xiàn)狀是： （1）燒結(jié)型氣敏元件仍是生產(chǎn)的主流，占總量90％以上；接觸燃繞式氣敏元件已具備了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力；電化學(xué)氣體傳感器有了試制產(chǎn)品。 （2）在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應(yīng)層和修隔離層等工藝，使燒結(jié)型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結(jié)構(gòu)方面研制了補(bǔ)償復(fù)合結(jié)構(gòu)、組合差動結(jié)構(gòu)以及集成化陣列結(jié)構(gòu)；在氣敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生產(chǎn)氣敏元件，新研究開發(fā)的Al2O3氣敏材料、石英晶體和有機(jī)半導(dǎo)體等也開始用于氣敏材料。 （3）低功耗氣敏元件（如一氧化碳，甲烷等氣敏元件）已從產(chǎn)品研究進(jìn)入中試。 （4）國內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過“九五”初期的400萬支。產(chǎn)量超過20萬支的主要廠家有5家，黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費(fèi)加羅公司（合資）、北京電子管廠（特種電器廠），其中前四家都超過100萬支，據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，1998年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過600萬支?？偟目磥?，我國氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國外先進(jìn)水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距，與日本比較仍要落后10年。（1）超聲波技術(shù)超聲原理測量氣體濃度是近10年來隨著電子技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新技術(shù)，同時具有測量范圍寬、精度高、無節(jié)流、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。超聲波技術(shù)是利用超聲波在某種氣體中的傳播速度與當(dāng)前氣體溫度和氣體性質(zhì)的關(guān)系，通過測量超聲波在氣體中的傳播速度以及氣體溫度，進(jìn)而推算出氣體的大概濃度。超聲波技術(shù)測量氣體濃度克服了傳統(tǒng)氣體檢測方法的缺點(diǎn)。在大流量、大管徑的氣體濃度檢測方面，完全可以適應(yīng)未來工業(yè)生產(chǎn)中的高精度測量。目前，影響該技術(shù)測量精度的因素主要是工作環(huán)境的差異，極易受到周圍壓力、溫度、濕度等因素的影響。在進(jìn)行測量時，必須采用補(bǔ)償措施，盡量減小誤差，以此來保證測量精度。（2）氣敏法在進(jìn)行檢測時，通過將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出。根據(jù)被測氣體的種類，其分析方法也不同。氣敏技術(shù)主要應(yīng)用于氣敏傳感器檢測氣體的濃度。氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結(jié)構(gòu)以及制作工藝密切相關(guān)。其中采用金屬氧化敏感材料制作的半導(dǎo)體氣敏元件具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用等優(yōu)點(diǎn)。但是采用氣敏法檢測氣體濃度也存在不足。由于在氣體檢測儀中一般將氣敏元件與標(biāo)準(zhǔn)元件組成測量電橋電路，所以電橋電路的非線性以及電橋供電電壓的大小會對測量精度產(chǎn)生很大的影響。除此之外，在檢測時還需要考慮現(xiàn)場溫度、空氣擾動等因素，為此必須采取補(bǔ)償電路等措施。該方法適合對測量精度要求不高的場所。（3）光干涉法光干涉法是利用光的折射率與被測氣體的含量有關(guān)來檢測氣體濃度的。當(dāng)被測氣體的氣室與空氣室同時充入空氣時，如果兩束光所經(jīng)過的光程相同，則干涉條紋不產(chǎn)生移動。如果改變氣室中被測氣體的成分、溫度或壓力，折射率會發(fā)生改變，光程也隨之改變，干涉條紋從而發(fā)生移動。而當(dāng)兩氣室溫度和壓力相等時，干涉條紋的移動量與氣體濃度成正比，只要測得移動量，便可測得氣體溫度。在采用光干涉法對氣體溫度進(jìn)行測量時，必須考慮到周圍測量環(huán)境的影響，如溫度、濕度、壓力等。（4）被動檢氣管法在檢氣管內(nèi)的惰性載體上涂漬對被測氣體有效的顯色劑，氣體通過檢氣管端口擴(kuò)散進(jìn)入管內(nèi)，在經(jīng)過惰性載體時，與惰性載體上的顯色劑發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生顏色的變化。檢氣管顯色長度的平方與被測氣體濃度及采樣時間的乘積存在一定的線性關(guān)系，從而求出環(huán)境中氣體的時間加權(quán)濃度。被動檢氣管法與傳統(tǒng)的方法相比較，檢氣管結(jié)構(gòu)簡單、分析快速、操作方便，并且不受被測環(huán)境的空間大小、有無電源的影響；攜帶非常方便，利于外出測定和大面積布點(diǎn)測定；使用后的載體以及主要顯色劑可以進(jìn)行回收循環(huán)利用，不產(chǎn)生環(huán)境污染。一般情況下，被測氣體的溫度、風(fēng)速、濕度等外部因素對測定無明顯影響。除上述介紹的4種非光學(xué)氣體濃度檢測法外，還有熱催化法、色譜分析法等非光學(xué)分析法。在光學(xué)分析中，主要基于光譜學(xué)，利用光和大氣污染分子相互作用的特性進(jìn)行檢測，具有大范圍、高組分、連續(xù)實(shí)時檢測的特點(diǎn)，已成為氣體濃度檢測的理想工具。主要有差分吸收光譜技術(shù)、傅里葉變換紅外光譜技術(shù)、可調(diào)諧激光二極管激光吸收光譜技術(shù)、差分吸收激光雷達(dá)和拉曼散射激光雷達(dá)技術(shù)等等。 單片機(jī)與PC機(jī)串行通信研究背景和意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PC機(jī)以其優(yōu)越的性價比和豐富的軟件資源成為計算機(jī)應(yīng)用的主流機(jī)種。單片機(jī)自誕生以來以其性能穩(wěn)定、價格低廉、功能強(qiáng)大，在智能儀器、工業(yè)裝備以及日用電子消費(fèi)品中得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代化集中管理需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析、制表、打印、繪圖、報警等,同時，又要求對現(xiàn)場裝置進(jìn)行實(shí)時控制，完成各種規(guī)定操作，達(dá)到集中管理的目的。由于單片機(jī)的計算能力有限，難以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。因此在功能比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，通常以PC機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)，由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集及對裝置的控制，而由上位機(jī)完成各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及對單片機(jī)的控制，二者結(jié)合，使得單片機(jī)的應(yīng)用已不僅僅局限于傳統(tǒng)意義上的自動監(jiān)測或控制，而形成了向以網(wǎng)絡(luò)為核心的分布式多點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。在一般的利用PC機(jī)對單片機(jī)進(jìn)行控制的場合，采用Windows作為上位機(jī)的平臺，其優(yōu)點(diǎn)是界面友好，編程和操作都比較容易。因此研究PC機(jī)與單片機(jī)串行通信具有重要的現(xiàn)實(shí)及工業(yè)意義。本論文主要完成氣體濃度測試儀軟件設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括：A/D轉(zhuǎn)換程序、超標(biāo)報警、鍵盤檢測控制、數(shù)據(jù)顯示、串口通信程序等。本系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制核心，以實(shí)現(xiàn)氣體濃度測試儀的基本控制功能。系統(tǒng)主要功能內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)信號采集濾波、開始測量、超標(biāo)報警、鍵盤檢測控制、串口通信、PC機(jī)處理數(shù)據(jù)等。本系統(tǒng)設(shè)計采用功能模塊化的設(shè)計思想，本論文內(nèi)容分為以下幾個章節(jié)：設(shè)計器件簡介和選擇；硬件的設(shè)計；軟件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試。并利用Proteus Professional單片機(jī)仿真軟件對單片機(jī)系統(tǒng)的顯示模塊進(jìn)行仿真調(diào)試。第2章 方案器件簡介硬件設(shè)計部分主要包括：MCU、A/D、LCD、電源電平轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)選擇器等芯片的選擇，以下做一些器件的比較。 MCU簡介本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及控制部分以單片機(jī)為核心。我們選擇單片機(jī)STC89C52為控制核心，主要基于考慮STC89C52低功耗、超低價高速度、高可靠、超強(qiáng)抗靜電，超強(qiáng)抗干擾、無法解密等優(yōu)點(diǎn)。此外，其8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器，512字節(jié)RAM對于本系統(tǒng)的程序大小而言，已基本夠用。STC89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，STC89C5X可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。同時STC89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)本。STC單片機(jī)有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。STC89C52單片機(jī)引腳功能圖如圖21所示:VCC:電源電壓VSS:即地XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。圖21單片機(jī)引腳圖P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問器件激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。（）和輸入()。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。表21為 。 表21引腳號功能特性T2： 定時器/計數(shù)器2外部計數(shù)脈沖輸入，時鐘輸出T2EX： 定時器/計數(shù)器2捕獲重裝載觸發(fā)和方向控制 P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，同時可作輸入口，作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX@RI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗(yàn)時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。P3口：P3口時一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入1時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表22所示。此外，P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程器件，改引腳還用于輸入編程脈沖（ ）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位復(fù)位，可禁止ALE操作。該位置復(fù)位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。 ：程序儲存允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)89C5X單片機(jī)由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次 有效，即輸出兩個脈沖。在次期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 /VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 端狀態(tài)。如 端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上＋12V的編程允許電源Vpp,當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。表22 P3口的第二功能 端口引腳具體第二功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）（外中斷0）（外中斷1）T0（定時/計數(shù)器0）T1（定時/計數(shù)器1）（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的基本方法很多，有計數(shù)法、逐次逼近法、雙斜積分法和并行轉(zhuǎn)換法。由于逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換具有速度快，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，而且采用這種方法的ADC芯片成本低，所以我們采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型ADC包括1個比較器、一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個逐次逼近寄存器（SAR）和1個邏輯控制單元。逐次逼近型是將采樣信號和已知電壓不斷進(jìn)行比較，一個時鐘周期完成1位轉(zhuǎn)換，依次類推,轉(zhuǎn)換完成后，輸出二進(jìn)制數(shù)。這類型ADC的分辨率和采樣速率是相互牽制的。優(yōu)點(diǎn)是分辨率低于12位時，價格較低，采樣速率也很好。ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。鑒于其8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換、輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容、5V電源供電時輸入電壓在0～5V之間、工作頻率為250KHZ、轉(zhuǎn)換時間為32 微秒、一般功耗僅為15MW等優(yōu)點(diǎn)，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用，所以在本設(shè)計中采用ADC0832作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。其具體特點(diǎn)如下： 8位分辨率； 雙通道A/D轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平