【導(dǎo)讀】目前，對于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀表有很多種，成本不是很高，監(jiān)測速度。較快，但大數(shù)產(chǎn)品只是用來監(jiān)測，不具備自動調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的能力。持，監(jiān)測工作才可以深入持久地開展下去，才能達(dá)到監(jiān)測和控制的有機(jī)結(jié)合。營造一個(gè)健康的室內(nèi)生存空間。[1]彭軍.傳感器與監(jiān)測技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,~95.室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究吸引了越來越多人的關(guān)注。實(shí)際上，單純的監(jiān)測不能提供經(jīng)濟(jì)可行的空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)措施，因此只有以控制作為監(jiān)。證了前臺數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確，有利于進(jìn)行全方位的評價(jià)，為人類營造一個(gè)健康的室內(nèi)生存空間。作量飽滿，能得到較全面訓(xùn)練。合理，能正確使用國家標(biāo)準(zhǔn)單位。的實(shí)時(shí)采集處理、顯示、報(bào)警等功能。和通用性，并且使用LCD1602點(diǎn)陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機(jī)對話界面。同時(shí)設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在參數(shù)超標(biāo)時(shí)及時(shí)的報(bào)警。

　　

【正文】 電源電壓 (通常稱之為電源限輸出，即RailToRail Output)的最新儀表放大器。主要特點(diǎn)如下。 只使用一個(gè)外接電阻來設(shè)置增益 (G),最高增益可以達(dá)到 1000，從而給用戶帶來極大的方便。 具有優(yōu)良的直流特性。增益精度 %(G=1),增益漂移 25ppm(G=1),輸入失調(diào)電壓最大 100μ V(AD623B)，輸入失調(diào)電壓漂移 1μ V/176。 C(AD623B),輸入偏置電流最大 25nA。 具有優(yōu)良的 CMRR(它隨增益增加而增加 )，使誤差最小。 帶寬 800kHz(G=1)。 的輸入共模抑制比范圍很寬，可以放大比地電位低 150mV 的共模電壓。 AD623 單電源供電能達(dá)到最佳性能。 的低功率 (電源電流最大 574μ A)、寬電源范圍和電源限輸出特性非常天津工業(yè)大學(xué) 2021 年本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 適合電池供電應(yīng)用場合。電源限輸出特性使低電源供電條件下，電源輸出級使其動態(tài) 范圍達(dá)到最大。 可以取代分立器件搭成的儀表放大器，具有優(yōu)良的線性度、溫度穩(wěn)定性和小體積可靠性。 儀表放大器采用 8 腳工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝形式，即 DIP、 SOIC 和小型 SOIC三種形式。 AD623 主要用于低功耗醫(yī)用儀表放大器、傳感器接口、熱電偶放大器、工業(yè)過程控制、低功耗數(shù)采系統(tǒng)及差動放大器。本課題中氣體傳感器出來的信號是很微弱的小信號，采用 AD623 滿足放大要求。圖 所示為 AD623 引腳排列圖。 圖 AD623 引腳排列圖 圖 AD623 簡化原理示意圖 AD623 是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型儀表放大器，如圖 所示為 AD623 簡化原理示意圖。 AD623 與傳統(tǒng)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器 (例如 AD620)天津工業(yè)大學(xué) 2021 年本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 的不同之處是在兩個(gè)輸入放大器之前分別加兩個(gè) PNP 晶體管作為電壓緩沖器，以便向兩個(gè)輸入放大器提供共模信號，并且符合電源限輸入運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)的要求。輸入放大器用來將差動電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，它還對前面兩個(gè)輸入放大器輸出的共模信號起到抑制作用。 由于 AD623 電路結(jié)構(gòu)中的三個(gè)運(yùn)放輸出擺幅都 能達(dá)到任一電源限，而且其共模電壓范圍可擴(kuò)展到負(fù)電源限以下，所以提高了 AD623 的輸出信號范圍。 AD623的輸出電壓計(jì)算公式 如式 31 所示 ： ViRgKVo ???????? ??? 1001 （ 31） AD623 中的三個(gè)運(yùn)放都是電壓反饋型運(yùn)放 (VFA)，所以當(dāng)增益增加時(shí)， AD623 的帶寬減小。 AD623 的增益 (G)是用一個(gè)精密電阻 Rg 設(shè)置的，而不論引腳 1 和 8 之間的阻抗如何。應(yīng)該注意，如果需要設(shè)置 G=1, Rg 不必連接。 電阻選擇計(jì)算公式 如式 32 所示 ： 1GK100 ??Rg （ 32） AD623 的參考端 (REF)電位用來確定零輸出電壓，這當(dāng)負(fù)載與系統(tǒng)的地不共地時(shí)特別有用。它提供一種對輸出引入精密補(bǔ)償?shù)?直接方法。還可以利用參考端提供一個(gè)虛地電壓來放大雙極性信號。參考端允許的電壓變化范圍為 如果AD623 相對地輸出，則參考端應(yīng)接地 [21]。 如圖 所示為 AD623 與定電位電解式傳感器連接組成的前置放大濾波電路。 圖 放大濾波電路 在 AD623 的正向輸入端加了一個(gè)高質(zhì)量的濾波電容。增益電阻選用了一個(gè)天津工業(yè)大學(xué) 2021 年本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 的高精度電阻，則放大倍數(shù)約為 100。由放大電路出來的信號 約為 0~5V，滿足 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 的 0~5V的 輸入要求 [22]。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 氣體傳感器出來的信號是模擬信號，而微處理器 AT89S52 只能處理數(shù)字信號，故需要對模擬信號信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為處理器能識別的數(shù)字信號，由于經(jīng)過放大電路出來的模擬電壓變化范圍在 0~5V，故選擇性價(jià)比比較合適的 ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其管腳定義如圖 所示。 圖 ADC0809 管腳示意圖 ADC0809 各腳功能如下 表 ： 表 ADC0809各腳功能 引腳 功能介紹 D7D0 IN0IN7 8 位數(shù) 字量輸出引腳 8 位模擬量輸入引腳 VCC +5V工作電壓 REF（ +） 參考電壓正端 REF（ ） 參考電壓負(fù)端 START A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端 ALE 地址鎖存允許信號輸入端 EOC 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平 OE 輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 CLK 時(shí)鐘信號輸入端（一般為 500KHz）。 A、 B、 C 地址輸入線 天津工業(yè)大學(xué) 2021 年本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過 程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 ADC0809 的時(shí)序接口為 51 系列單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，操作方便，如同對存儲器或 I/O 操作一樣， A/D 轉(zhuǎn)換精度為 8 比特，滿足本課題要求。輸入的模擬電壓為 0~5V，一次 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μ S。 聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 為了使本系統(tǒng)對室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測更為直觀，采用了由 6 個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成的聲光報(bào)警電路。其中對應(yīng)每一種有毒氣體都有一紅一綠兩個(gè)發(fā)光二極管與其對應(yīng)，正常情況下對應(yīng)綠色的發(fā)光二極管亮，蜂鳴器不響；當(dāng)氣體的濃度超標(biāo)時(shí)，對 應(yīng)紅色的發(fā)光二極管亮，并啟動蜂鳴器。圖 為聲光報(bào)警電路圖的具體連接，其中 D D D5 是綠色發(fā)光二極管，分別對應(yīng)三種有毒氣體；而 D D D6 是紅色發(fā)光二極管，也分別對應(yīng)三種有毒氣體 [23][24]。 圖 聲光報(bào)警電路圖 液晶顯示電路設(shè)計(jì) 本課題所要顯示的數(shù)據(jù)一共有 5 個(gè)，分別是 3 種有毒氣體的濃度和室內(nèi)的溫度、濕度，故選用 2 行 16 個(gè)字符的 LCD1602 作為顯示模塊，滿足顯示要求。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的 信息顯示器件了。 LCD1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0~D7，和 RS、 R/W、 EN三個(gè)控制端口，工作電壓為 5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光，主要技術(shù)參數(shù)天津工業(yè)大學(xué) 2021 年本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 如表 所示。 表 主要技術(shù)參數(shù) 顯示容量 16 2 字符 芯片工作電壓 ～ 工作電流 (5V) 最佳工作電壓 5V 字符尺寸 （ W H） mm LCD1602 的具體連接線路圖如圖 所示。 圖 連接電路圖 復(fù)位電路設(shè)計(jì) AT89S52 芯片具有復(fù)位操作功能。 RST 為復(fù)位輸入引腳，可在上電或芯片工作的任何時(shí)候?qū)?AT89S52 芯片進(jìn)行復(fù)位。在每次上電之后都應(yīng)使芯片處于復(fù)位狀態(tài)，即給 RST 一個(gè)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平位觸發(fā)信號。本課題使用傳統(tǒng)的 RC復(fù)位電路，如圖 所示。其結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，一般的單片機(jī)系統(tǒng)都用此復(fù)位系統(tǒng)，還外加一個(gè)復(fù)位按鍵，可以人為的給芯片加一個(gè)復(fù)位信號。 天津工業(yè)大學(xué) 2021 年本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 系統(tǒng)復(fù)位電路 圖 電源 電路 電源電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 采用集成穩(wěn)壓器 7805， C2 C30 分別為輸入端 和輸出端濾波電容，D1 為 續(xù)流二極管 。當(dāng)輸出電流較大時(shí)， 7805 應(yīng)配上散熱板。 電源電路圖 所示 本章小結(jié) 本章首先介紹了便攜式室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，該儀器以 8 位單片機(jī) AT89S52 作為控制核心，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺，完成了有毒氣體濃度信號的采集放大轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路等的設(shè)計(jì)。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)有毒氣體濃度信號和溫濕度信號采集與顯示及超標(biāo)聲光報(bào)警等功能。本章重點(diǎn)介紹了信號采集模擬電路和以主控制器為中心的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與工作原理。首先討論了有毒氣體采集模 塊中傳感器選擇問題及模擬放大電路的設(shè)計(jì)問題，最后討論了系統(tǒng)的外圍接口電路模塊，包括液晶顯示 ,聲光報(bào)警等，實(shí)現(xiàn)了各外圍接口電路模塊與 AT89S52 的硬件接口設(shè)計(jì)。 這一章比較具體的說明了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過模塊化的設(shè)計(jì)思想，把一個(gè)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)按照功能劃分成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的電路模型，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在集成到一起。這種方法對于設(shè)計(jì)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)很有效。大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。（說明：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的電路原理圖附在論文的附錄里面。） 天津工業(yè)大學(xué) 2021 年本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 第四章 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路 編程語言的選擇 在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實(shí)現(xiàn)將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。對同一硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能也就不同，其設(shè)計(jì)軟件基本要求 : ?？煽啃允擒浖O(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 、易維護(hù)性。編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。 。系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時(shí)做出處理結(jié)果。 。保證系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的精度。 目前存在有 4 種編程語言支持單片機(jī)，即匯編語言、 PL/M51 語言、 C 語言和BASI 語言。其中匯編 語言和 C 語言應(yīng)用的較多， 匯編語言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。 結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，這里選用了功能強(qiáng)、效率高的 C 語言。 C 語言主要有以下特點(diǎn)：用 C 語言編制的程序效率高，占用存儲空間小，運(yùn)行速度快。 C 語言能寫出最優(yōu)化程序，且能反映出計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況。C 語言能直接與存儲器、接口電路打交道，也能申請中斷。 具有良好的模塊化、容易閱讀、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且編寫的模塊程序易于移植?；?C 語言和匯編語言的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用 C 語言編寫方法。 軟件功能需求 圖 室內(nèi)空氣品質(zhì)檢測儀功能需求框圖 天津工業(yè)大學(xué) 2021 年本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 室內(nèi)空氣品質(zhì)檢測儀功能需求框圖如圖 所示，系統(tǒng)軟件主要由溫濕傳感器采集模塊、 AD 轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)接口模塊、聲光報(bào)警模塊、核心控制器模塊、無線通訊模塊等模塊構(gòu)成，各模塊功能概述如表 所示。 表 各功能模塊功能描述 功能模塊 功能描述 溫濕傳感器采集模塊 對室內(nèi)溫 濕 度測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測 AD 轉(zhuǎn)換模塊 核心控制器模塊 人機(jī)接口模塊 無線通訊模塊 、濕度測點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸 機(jī)無線通訊 上位機(jī)管理模塊 根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的基本要求 ,采取了如下的措施 : 。軟件設(shè)計(jì)中包含有：主程序模塊、顯示模塊、 A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊、聲光報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、中斷處理模塊等。 C51 匯編語言， C51 支持浮點(diǎn)運(yùn)算，可以保證數(shù)據(jù)計(jì)算的精度。 ，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理事件能力。 、硬件抗 干擾。軟件抗干擾措施提高了系統(tǒng)的可靠性。 以下就對一些主要模塊進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 天津工業(yè)大學(xué) 2021 年本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 軟件模塊設(shè)計(jì) 主程序模塊 主程序運(yùn)行流程圖如圖 所示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實(shí)現(xiàn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、送液晶進(jìn)行顯示。程序開始時(shí)，先關(guān)閉中斷，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的各寄存器、RAM、定時(shí)器裝載初值、中斷設(shè)置及各模塊初始化等。完成初始化后，液晶顯示各個(gè)參數(shù)為零， CPU 等待傳感器傳入信號及 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束，從而完成當(dāng) 前監(jiān)測參數(shù)的正確顯示。 圖 主程序流程圖 AD 轉(zhuǎn)換模塊 由于定電位電解式氣體傳感器工作響應(yīng)時(shí)間為 1020 秒左右，故進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前設(shè)置 AD 等待 25 秒，以保證傳感器響應(yīng)完成并使所測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。 天津工業(yè)大學(xué) 2021 年本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 AD 完成轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間， AD 應(yīng)用中我們可以有兩種方法來： ， AD 完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后會向中斷輸出端輸出一個(gè)中斷請求信號，告訴CPU轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成， CPU可以讀取數(shù)據(jù)。 ，設(shè)定一定的時(shí)間讓 CPU處于等待狀態(tài)，此時(shí)間足夠 AD 完成轉(zhuǎn)換，過了等待時(shí)間 CPU再去讀取數(shù)據(jù)。 綜合考慮各方面 的因素，本研究采用第一種方法：中斷查詢法。所用的芯片為 AD0809，根據(jù)所需的要求，