【文章內(nèi)容簡介】 6 年 — 2021 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)用整機相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標。如日本費加羅公司推出了檢測（ ～ 10）179。 10－ 6 硫化氫低功耗氣體傳感器，美國 IST提供了壽命達 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。二是增強可靠性，實現(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和監(jiān)視故障狀況功能，實現(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)品研究進入中試 。 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 （ 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、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費加羅公司（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。 總的看來，我國氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進展，但與國外先進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。 國內(nèi)外氣體濃度檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 非光學(xué)分析法 （ 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)性強等特點。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。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。在進行測量時，必須采用補償措施，盡量減小誤差，以此來保證測量精度。 （ 2）氣敏法 在進行檢測時，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。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準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成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 現(xiàn)場溫度、空氣擾動等因素，為此必須采取補償電路等措施。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 氣管端口擴散進入管內(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測定；使用后的載體以及主要顯色劑可以進行回收循環(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。 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行檢測，具有大范圍、高組分、連續(xù)實時檢測的特點，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)、差分吸收激光雷達和拉曼散射激光雷達技術(shù)等等。 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 單片機與 PC 機串行通信研究背景 和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， PC 機 以其優(yōu)越的性價比和豐富的軟件資源成為計算機應(yīng)用的主流機種。單片機自誕生以來以其性能穩(wěn)定、價格 低廉、功能強大，在智能儀器、工業(yè)裝備以及日用電子消費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)場裝置進行實時控制，完成各種規(guī)定操作，達到集中管理的目的。 由于 單片機的計算能力有限，難以進行復(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 機為上位機，單片機為下位機，由單片機完成數(shù)據(jù)的采集及對裝置的控制，而由上位機完成各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及對單片機的控制 ， 二者結(jié)合，使得單片機的應(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 核心的分布式多點系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。 在一般的利用 PC 機對單片機進行控制的場合，采用 Windows 作為上位機的平臺，其優(yōu)點是界面友好，編程和操作都比較容易。因此研究 PC 機與單片機串行通信具有 重要 的現(xiàn)實及工業(yè)意義。 本氣體濃度測試儀的設(shè)計內(nèi)容 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)采用單片機為控制核心，以實現(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、超標報警、鍵盤檢測控制、串口通信、 PC 機處理數(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 單片機仿真軟件對單片機系統(tǒng)的顯示模塊進行仿真調(diào)試。 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 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為核心。 我們選擇單片機 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、超強抗靜電，超強抗干擾、無法解密等優(yōu)點。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。 空閑模式下， CPU 停 止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 。 掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，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。 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 21單片機引腳圖 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)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，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，因為內(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 還可分別作為定時 /計數(shù)器 2的外部計數(shù)輸入（ ）和輸入 ()。 Flash 編程和程序校驗期間， P1 接收低 8 位地址。表 21為 和 的第二功能。 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 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 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，因為內(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)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ALE/錯誤 !未找到引用源。 ：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（ 錯誤 !未找到引用源。 ）。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，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無效。 錯誤 !未找到引用源。 ：程序儲存允許（ 錯誤 !未找到引用源。 ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) 89C5X 單片機由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 錯誤 !未找到引用源。 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。 錯誤 !未找到引用源。 /VPP：外 部訪問允許。欲使 CPU僅訪問外部程序存儲成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 器（地址為 0000HFFFH）， EA 端必須