【正文】 3078億元，%。據(jù)儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，08年上半年儀器儀表行業(yè)總產(chǎn)值實(shí)現(xiàn) ，%，其中分析儀器、環(huán)境監(jiān)測儀器儀表增長率高達(dá)32%?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步為氣體檢測儀器儀表行業(yè)的發(fā)展提供了條件，市場和政府政策的推動(dòng)、人們安全意識(shí)的提高、相關(guān)法規(guī)法律的完善是氣體檢測行業(yè)發(fā)展的核心動(dòng)力，這些推動(dòng)使氣體檢測儀器儀表行業(yè)處于產(chǎn)業(yè)高速增長期。未來一段時(shí)間，使用半導(dǎo)體和催化原理的氣體檢測儀器儀表依靠著價(jià)格優(yōu)勢仍會(huì)占據(jù)部分低端市場。電化學(xué)傳感器及檢測儀器，在精度要求高的低濃度毒性氣體、有機(jī)蒸汽、酒精氣體、氧氣監(jiān)測領(lǐng)域綜合優(yōu)勢突出。紅外氣體傳感器及儀器適用于監(jiān)測各種易燃易爆、二氧化碳?xì)怏w，具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)將導(dǎo)致電化學(xué)、紅外原理的氣體檢測儀器占領(lǐng)更廣泛的行業(yè)高端市場，并在未來逐步成為市場主流[15]。 需求分析本節(jié)分兩個(gè)部分著重對(duì)手持式室內(nèi)檢測儀的發(fā)展前景以及需求情況進(jìn)行了的介紹。市場需求分析，主要說明它的市場需求、應(yīng)用范圍、潛在力等?？尚行苑治?，主要介紹設(shè)計(jì)在方案、經(jīng)濟(jì)等設(shè)計(jì)的可行性，是否有實(shí)用性，市場價(jià)值如何。 市場需求分析隨著國民生活水平的不斷提高和安全防范意識(shí)的逐步增強(qiáng)，人們?cè)絹碓疥P(guān)心自己的居住環(huán)境，不僅要求家居環(huán)境的人性化和舒適化，而且對(duì)智能化和安全化也提出了更高的要求。相應(yīng)的研發(fā)領(lǐng)域也應(yīng)運(yùn)而生，新技術(shù)、新產(chǎn)品層出不窮，室內(nèi)防盜、火災(zāi)報(bào)警、煤氣泄漏、水管爆裂等一系列存在不安全因素的相關(guān)產(chǎn)品都開始涌入市場。根據(jù)氣體檢測儀器儀表的用途及技術(shù)要求，該市場可分為民用、工業(yè)用、警用氣體檢測儀器儀表市場。 近年來，隨著國家對(duì)安全生產(chǎn)的重視，有關(guān)部門陸續(xù)頒發(fā)了各種涉及氣體檢測的規(guī)定，如《可燃?xì)怏w檢測報(bào)警使用規(guī)范》、《石油工業(yè)動(dòng)火作業(yè)安全規(guī)程》、《國有煤礦瓦斯治理規(guī)定》、《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》等均對(duì)所涉及的各種氣體檢測及氣體檢測儀器儀表的安裝有明確規(guī)定。以上規(guī)定極大地促進(jìn)國內(nèi)工業(yè)用氣體檢測儀器儀表市場的高速增長。美國、日本等國家已經(jīng)通過立法，要求所有住房等人居場所必須安裝氣體報(bào)警器。國內(nèi)民用氣體檢測儀器儀表市場也在環(huán)保、清潔、綠色、健康等理念和國家及地方規(guī)定引導(dǎo)下不斷發(fā)展，如上海頒布了《上海市燃?xì)馊紵骶甙踩铜h(huán)保技術(shù)要求》，規(guī)定家用燃?xì)庠罹邞?yīng)設(shè)置熄火保護(hù)裝置，商用燃具的安裝處所應(yīng)設(shè)置燃?xì)庑孤﹫?bào)警切斷裝置。這將引發(fā)對(duì)民用氣體檢測儀器儀表的巨大需求?？傮w上，預(yù)計(jì)未來三年氣體檢測儀器儀表市場將保持 30%以上的增長率，2012年需求量將超過1500萬臺(tái)。 可行性分析隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多情況下都需要對(duì)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行限定，對(duì)室內(nèi)有害、危險(xiǎn)氣體的濃度等需要檢測。因此，對(duì)于室內(nèi)的氣體檢測儀器的設(shè)計(jì)需要方便使用，便于攜帶，功耗要求低，且不受地域限制。本設(shè)計(jì)利用集成溫濕度傳感器DHT11的品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等特點(diǎn)，利用MQ系列的MQ2氣敏傳感器，同時(shí)結(jié)合MSP430F149單片機(jī)強(qiáng)大的高速處理功能，選擇蜂鳴器、LED報(bào)警，矩陣式按鍵，DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，設(shè)計(jì)了一個(gè)手持式室內(nèi)氣體檢測儀器，并根據(jù)檢測到的數(shù)值進(jìn)行超限報(bào)警，并在LCD上顯示檢測結(jié)果及實(shí)時(shí)時(shí)間等信息。本系統(tǒng)測量準(zhǔn)確、調(diào)試方便、可實(shí)時(shí)記錄報(bào)警信息、方便工作人員排故，可應(yīng)用于家庭，工業(yè)，農(nóng)業(yè)等需要實(shí)時(shí)測溫濕度、室內(nèi)氣體濃度檢測等場所。同時(shí)本設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，所選處理器在低功耗產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方面應(yīng)用較多，對(duì)于手持設(shè)備，電池供電的儀器儀表是理想選擇。在技術(shù)方面，本設(shè)計(jì)在硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程上相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，沒有增加額外的難度[8]。第2章 總體方案設(shè)計(jì)本章從氣體檢測的基本原理入手，根據(jù)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，著重介紹和說明設(shè)計(jì)方案中的氣體檢測傳感器，微處理器、顯示模塊、按鍵、時(shí)鐘等模塊的方案選擇和論證，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的總體方案做了概要說明。本設(shè)計(jì)以MSP430F149為主控制器，通過MQ2氣敏傳感器，DHT11溫濕度傳感器檢測室內(nèi)環(huán)境的CO氣體濃度、溫濕度，然后送單片機(jī)處理后在液晶顯示模塊顯示結(jié)果，同時(shí)判斷溫濕度是否超過預(yù)設(shè)的上限值，CO濃度是否超過安全值。設(shè)計(jì)中選用了聲光報(bào)警的方式，若溫濕度超過了預(yù)設(shè)上限值或CO超過安全值則采用蜂鳴報(bào)警，否則用LED指示正常。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖21所示。MSP430F149 處理器CO氣體檢測LCD液晶顯示報(bào)警模塊實(shí)時(shí)時(shí)鐘矩陣式按鍵溫濕度采集 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖 氣體檢測原理及傳感器的選擇本節(jié)著重介紹氣體檢測的基本原理，氣敏傳感器元件的選擇及不同方案的對(duì)比論證，以確定選用合適的傳感器元件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 氣體檢測原理說明氣體檢測是利用氣敏傳感器等元件檢測環(huán)境中的氣體濃度，輸出電壓、電流等模擬信號(hào)，或直接輸出已經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，然后將氣敏元件的輸出結(jié)果送到單片機(jī)等處理器操作。傳感器是實(shí)現(xiàn)外界物理量的測量和處理器之間的橋梁。氣體檢測的靈敏度、準(zhǔn)確度等都與傳感器有關(guān)。其次是對(duì)測量信號(hào)的軟件處理，通過程序處理，一定的算法，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境中不同濃度的氣體的檢測。 氣敏傳感器的選擇當(dāng)單片機(jī)用作測控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)總要有被測信號(hào)懂得輸入通道，由計(jì)算機(jī)處理必要的輸入信息。對(duì)于測量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲得被測信號(hào)是其核心任務(wù)，而對(duì)測控系統(tǒng)來講，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測試和對(duì)控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳感器是實(shí)現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對(duì)原始被測信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測量和控制都將無法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量[4]。 溫濕度傳感器有分立的溫度傳感器和濕度傳感器，輸出量有數(shù)字的和模擬的。如常用的溫度傳感器有DS18BAD590、PT100、LM135/235/335等，濕度傳感器有HS1101等。這些分立的溫濕度傳感器若輸出的是模擬值的時(shí)候，需要采用AD轉(zhuǎn)換，然后用單片機(jī)等處理器對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理。溫濕度一體的傳感器有常見的SHT10/SHT1DHT11/DHT21等。適合于本設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器可以有：（1）分別采用溫度傳感器或濕度傳感器作為采集溫濕度的器件，然后讀取溫濕度后送顯示部分顯示結(jié)果。這種方式，電路較為復(fù)雜，而且會(huì)用到AD轉(zhuǎn)換，增加軟件編程的負(fù)擔(dān)，而且器件較多，增加硬件的焊接難度和調(diào)試難度，同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)成本。（2）選擇溫濕度一體的數(shù)字式傳感器芯片。這樣可以減小外界對(duì)系統(tǒng)的干擾，又可以兼顧系統(tǒng)的成本，完全符合測量要求。而且數(shù)字式傳感器輸出的是數(shù)字量，可以直接送單片機(jī)處理，無需額外的AD轉(zhuǎn)換，簡化電路，簡化程序設(shè)計(jì)。由（1）、（2）可見，對(duì)于本設(shè)計(jì)選擇溫濕度一體數(shù)字式傳感器。氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w、瓦斯氣體、煤氣、呼氣中乙醇、人體口腔口臭的檢測等。它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報(bào)警，還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)需要檢測室內(nèi)CO的濃度是否過高，是否對(duì)人身有害[14]。所以，適合本設(shè)計(jì)的氣敏傳感器有：（1）MQ系列氣敏傳感器。此系列氣敏傳感器屬于半導(dǎo)體氣敏傳感器，在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)不同濃度的氣體，如對(duì)液化氣、丙烷、氫氣、甲烷、丁烷、乙醇、煙霧等有良好的靈敏度，而且壽命長、成本低，驅(qū)動(dòng)電路簡單。（2）光化學(xué)氣敏傳感器。光學(xué)式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型等等，主要以紅外吸收型為主。由于不同氣體對(duì)紅外波吸收程度不同，通過測量紅外吸收波長來檢測氣體。目前因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價(jià)頗高。經(jīng)過對(duì)比，本設(shè)計(jì)中選用了MQ系列的MQ2氣敏傳感器檢測室內(nèi)CO氣體的濃度。MQ2氣敏傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境中的CO有很高的敏感度，輸出為模擬信號(hào)，可通過AD轉(zhuǎn)換處理。 處理器選擇氣體檢測儀對(duì)處理器的要求主要涉及運(yùn)算速度、傳輸速度、功耗等方面，尤其對(duì)于以電池供電，便攜式氣體檢測儀器，系統(tǒng)的功耗及處理器的功耗對(duì)檢測有很大影響。單片機(jī)做為微控制器的一種，在當(dāng)今智能系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，它是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。單片機(jī)最大的特點(diǎn)就是學(xué)習(xí)門檻低、應(yīng)用范圍廣、制作成本低、功能強(qiáng)大，主要向幾個(gè)方面的技術(shù)發(fā)展：通用性、低成本、高性能、低功耗。常見的微控制器中，8位單片機(jī)中的51系列(同用型)AT89S5STC89S52等、AVR系列(高性能)的單片機(jī)在功耗方面的體現(xiàn)不是太明顯。32位微處理器如ARM，屬于高端處理器，在功耗方面有低功耗模式，但是在軟件編程上難度較大，短期內(nèi)快速上手有一定的難度。經(jīng)過選擇對(duì)比，綜合設(shè)計(jì)需要，本設(shè)計(jì)在微處理器的選擇上基于處理速度，功耗等方面的考慮，尤其是考慮到系統(tǒng)的供電采用電池供電方式，從而選用了美國TI公司的16位RISC超低功耗的MSP430F149微處理器，此處理器除了超低功耗這一特點(diǎn)外，片上還集成了很多模塊，使得用一片MSP430芯片就能完成以前要用很多芯片組合層內(nèi)完成的功能，大大縮小產(chǎn)品的體積，并且降低了成本。同時(shí)，MSP430F149是MSP430系列單片機(jī)中應(yīng)用較為廣泛的一款單片機(jī)，在低功耗方面有突出的特點(diǎn)，可以靈活選擇時(shí)鐘，關(guān)閉不需要工作的外設(shè)模塊，進(jìn)入五種低功耗模式中的任意一種，從而達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。對(duì)于手持式設(shè)備或首選電池供電，功耗低的設(shè)備MSP430系列單片機(jī)是非?？尚械摹ｋ娮釉O(shè)計(jì)中常用的輸出顯示設(shè)備有兩種：數(shù)碼管和LCD。（1）數(shù)碼管是現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中使用相當(dāng)普遍的一種顯示設(shè)備，每個(gè)數(shù)碼管由7個(gè)發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)組成，分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管兩種。數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容比較直觀，通常顯示從0到F中的任意一個(gè)數(shù)字，一個(gè)數(shù)碼管可以顯示一位。多個(gè)數(shù)碼管就可以顯示多位，在顯示位數(shù)比較少的電路中，程序編寫，外圍電路設(shè)計(jì)都十分簡單，但是當(dāng)要顯示的位數(shù)相對(duì)多的時(shí)候，數(shù)碼管操作起來十分煩瑣，顯示的速度受到限制，系統(tǒng)顯示能力的擴(kuò)展受到了限制。（2）液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動(dòng)手設(shè)計(jì)的圖案。當(dāng)需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時(shí)候，它的優(yōu)點(diǎn)就突現(xiàn)出來了，并且當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成時(shí)，可以通過軟件的修改來不斷擴(kuò)展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)比較簡單，顯示能力的擴(kuò)展將不會(huì)涉及到硬件電路的修改，可擴(kuò)展性很強(qiáng)。字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件之一。不足之處在于其價(jià)格比較昂貴，驅(qū)動(dòng)程序編寫比較復(fù)雜。本設(shè)計(jì)需要顯示溫濕度值、CO濃度值，還可顯示設(shè)置溫濕度數(shù)值報(bào)警數(shù)值的上下限，顯示數(shù)字較多，為了便于觀察和控制，選用點(diǎn)陣式LCD液晶顯示。 按鍵控制設(shè)計(jì)中為了方便操作和控制系統(tǒng)更好的完成需要的功能，采用按鍵方式完成人機(jī)(處理器)對(duì)話。按鍵控制方式常用的有獨(dú)立按鍵和矩陣式鍵盤。獨(dú)立鍵盤控制簡單，但占用I/O口較多；矩陣鍵盤占用I/O引腳少，但編程較為復(fù)雜。綜合設(shè)計(jì)需要，選用矩陣式按鍵來完成按鍵控制功能。同時(shí)，按鍵因?yàn)槭菣C(jī)械元件，在操作中因?yàn)闄C(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突跳等原因，在觸點(diǎn)開啟或閉合的瞬間會(huì)發(fā)生電壓抖動(dòng)的現(xiàn)象，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，防止誤操作，需要對(duì)按鍵進(jìn)行去抖操作?？梢酝ㄟ^軟件編程來完成去抖操作，在按鍵按下時(shí)延時(shí)10ms左右消除抖動(dòng)引起的電壓跳變。 報(bào)警器在本設(shè)計(jì)中當(dāng)室內(nèi)溫濕度過界或CO濃度超過一定值時(shí)需要通過報(bào)警方式提醒用戶。報(bào)警器的種類較多，如常見的聲光報(bào)警、語音報(bào)警等。語音報(bào)警軟件編程較復(fù)雜，一般在手持式檢測儀器上不常用。聲光報(bào)警設(shè)計(jì)簡單，易于軟件控制。所以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要本設(shè)計(jì)中選擇了有源蜂鳴器及LED來完成報(bào)警功能。在單片機(jī)應(yīng)用的設(shè)計(jì)上，很多方案都會(huì)用到蜂鳴器，大部分都是使用蜂鳴器來做提示或報(bào)警，比如按鍵按下、開始工作、工作結(jié)束或是故障等等。蜂鳴器是一種一體化的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、