【正文】 采用單總線數(shù)據(jù)格式 ， 一次通訊時間 4ms左右 ， 數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分 ， 具體格式在下面說明 ， 當前小數(shù)部分用于以后擴展 ， 現(xiàn)讀出為零 .操作流程如下 ： 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為 40bit， 高位先出。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。 3SF三電極傳感器用的是無偏操作的外接電路，對于二氧化硫氣體在工作電極發(fā)生氧化反應的，該電路輸出為正．對于在工作電極發(fā)生還原反 應的氣體輸出為負．三電極設計的最大優(yōu)點在于催化了電化學反應較弱氣體的氧化還原反應。 42222 222 SOHOHOSO ??? （ ） 反應中有電流流動，電流的大小由氣體的擴散決定，由菲克斯擴散定律碰綴出極限擴散電流與氣體濃度的關系為： CDSFZiL ????? }/){( ? （ ） 其中： Li 為極限擴散電流； Z 為電子轉(zhuǎn)移數(shù)； F 為法拉第常數(shù)； S 為氣體擴散面積； D 為氣體擴散系數(shù)； ? 為氣體擴散層厚度； C 為被測氣體濃度．在一定工作條件下 Z 、 F 、 S 、 D 均為常數(shù)。如對傳感器使用要求極高或用于安全應用，則校準工作可能相對頻繁些。 最初校準和再校準的時間間隔長短取決于許多因素，通常包括傳感器的使用溫度、濕度、壓力，被暴露于何種氣體，及被暴露于氣體的時間長短。如果傳感器沒有后端氧氣供應通路，持續(xù)暴露在厭氧性的采樣氣體中，則傳感器就會失靈。為使傳感器正確的工作， 3SF CT傳感器的 對電極和參比電極需要很少量的氧氣供應。在儀器不供電時，如果工作電極和參比電極不再短連接，一旦再次使用，傳感器就需要很長的一段“啟動時間”。 壓力范圍： 空氣壓力 ? 10％ 響應時間 (t90) 30秒 相對濕度范圍 15％ to 90％非結露 標準基線范圍 (純空氣中 ) 相當于 0? 2ppm 最大的零點移動 (+20 _+40) 相當于 5ppm 長時間的輸出漂移 2％信號失真／月 建議的負載電阻 3k 輸出線性度 線性 為了使傳感器處于“準備工作”的狀態(tài)， 3SF CT傳感器供電 時，在工作電極與參比電極之間有一短連接 (用一導線直接連接起來 )。 表 傳感器參數(shù) 正常監(jiān)測范圍 0200ppm 最大過載濃度 5000ppm 使用壽命 空氣中 2年 輸出信號 ? A／ ppm 精度 lppm 溫度范 圍 20 C。所有 CT 產(chǎn)品具有高度活躍電極，并且給傳感器非常高的能量儲備，這就保證了傳感器的長期穩(wěn)定性 。在 設 計任何電化學氣體傳感器時，很重要的一點是，通過氣體擴散通過障礙限制速率，而其它各階段速率應該有顯著的增加。電極能對到達它表面的所有目標氣體進行反應，并且仍然有儲備的電化學活動。 圖 傳感器結構示意圖 3SF CT 傳感器是由三個電極構成，三個電極分別為： T 作電極 (Sensing Electrode)、參比電極 (Reference Electrode)、對電極 (Counter Electrode)． City Technology 公司的電化學毒氣傳感器 (包括 3SF CT 傳感器 )是微燃料元件，不必保養(yǎng)而可以保持長期的穩(wěn)定性。 3SF CT傳感器是一種新型的定電位電解化學氣體傳感器，它基于伽伐尼電池基本原理，具有體積較小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等特點。 電化學氣體傳感器檢測原理 電化學氣體傳感器是一種新型的傳感器技術，它是利用電解池原理，將空氣中某種化學氣體通過氧化或還原反應將濃度轉(zhuǎn)化為電信號，通過監(jiān)測電信號的大小得到相應氣體的濃度，常用于測量二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等氣體濃度。 圖 24 二氧化硫 傳感器實物圖 圖 25傳感器接線圖 對幾種二氧化硫監(jiān)測方法的優(yōu)缺點的比較，考慮到工作量 和可操作性的問題。 本設計選用 3SF CT 傳感器 ，具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性 ，體積小巧 。目前因為它的結構關系一般造價頗高。 (7)光學式氣體傳感器 光學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。又分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，原理是氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃氣體在表面或者在催化劑作用下燃燒，由于燃燒使氣敏材料溫度升高從而電阻發(fā)生變化。選擇性，靈敏度高于半導體而壽命又長于電化學，所以也得到了很多的應用，不足之處就是響應時間過長。 (5)固態(tài)電解 質(zhì)氣體傳感器 顧名思義，固態(tài)電解質(zhì)就是以固體離子導電為電解質(zhì)的化學電池。 (4)半導體傳感器和電化學傳感器的區(qū)別 半導體傳感器因其簡單低價已經(jīng)得到廣泛應用，但是又因為它的選擇性差和穩(wěn)定性不理想目前還只是在民用級別使用。電化學傳感器的主要優(yōu)點是氣體的高靈敏度以及良好的選擇性。傳感器內(nèi)的加熱器可以加速氧化過程，這也是為什么有些低端傳感器總是不穩(wěn)定，其原因就是沒有加熱或加熱電壓過低導致溫度太低反應不充分。氣體分子在薄膜表面進行還原反應以引起傳感器電導率的變化。不足之處是必須在高溫下工作、對氣體或氣味的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不理想、功率高等方面。2. 1．氣體傳感器基礎知識 按照氣敏特性來分，氣體傳感器主要分為：半導體型、電化學型、固體電解質(zhì) 型、接觸燃燒型、光化學型等氣體傳感器，又以前兩種最為普遍。2. 3 傳感器的選用 現(xiàn)在傳感器的種類有很多種的 ， 大致的分為電阻傳感器 、 電容傳感器 、電感傳感器以及半導體傳感器等。本設計采用的是按鍵復位電路。單片機本身就如一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地工作。 圖 21 STC90C51引腳布置 圖 單片機外圍電路 時鐘電路由一個晶體振蕩器 12MHZ 和兩個 30pF 的瓷片電容組成。 經(jīng)過上述介紹，結合一般用的比較多的情況，單片機的外圍電路如圖 。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻。工作電壓為 5V，另有 AT89C51工作電壓則是 , 引腳功能一樣。 表 P3 端口引腳兼用功能表 P3引腳 兼用功能 串行通訊輸入（ RXD） 串行通訊輸出（ TXD） 外部中斷 0（ INT0） 外部中斷 1（ INT1） 定時器 0輸入 (T0) 定時器 1輸入 (T1) 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD 單片機的最小系統(tǒng) 單片機的最小系統(tǒng)是由電源、復位、晶振、 /EA=1組成，下面介紹一下每一個組成部分。 對內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時，接到控制信息。輸出時可驅(qū)動 4個 TTL。而在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。對 內(nèi)部 Flash程序存儲器編程時，接收到高 8位地址和控制信息。輸出時可驅(qū)動 4個 TTL。 對內(nèi)部 Flash程序存儲器編程時，接收低 8位地址信息。輸出時可驅(qū)動 4個 TTL。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時， P0口是分時轉(zhuǎn)換的地址 (低 8位 )/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。對內(nèi)部 Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(jié) 。 (1) P0端口 [] P0 是一個 8位漏極開路型雙向 I/O 端口，端口置 1（對端口寫 1）時作高阻抗輸入端。片內(nèi)含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 8051 指令系統(tǒng)及引腳。 單片作為整個系統(tǒng)的中央處理器，承擔著整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和過程控制，以及通信等功能。由于一般室內(nèi)電子電器產(chǎn)品比較多，這對單片機的干擾較大，所以應采用抗干擾性能較好的單片機機型。 STC90C51 單片機簡介 隨著計算機技術的發(fā)展，單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點 而在許多領域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡技術等方面得到廣泛 應用，從而使這些領域的技術水平、自動化程度大大提高。單片機對采樣值進行數(shù)字處理后驅(qū)動液晶顯示器分別顯示出被測空氣中二氧化硫氣體濃度值。 本文研究的 智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀是以 STC工公司的一款 8位超低功 耗單片機 STC90C51為控制核心。儀器采用鋰電池供電，具有良好的便攜性和通用性，并且使用 LCD 點陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機對話界面。并考慮到其中的一些有關穩(wěn)定性 的問題。 8051 單片機 電源電路模塊 串口通信模塊 信號采集 AD 轉(zhuǎn)換 傳感器 液晶顯示模塊 報警電路模塊 第二章 硬件部分設計方案 硬件設計概述 硬件電路的設計是本課題的一個重點，硬件電路的設計要考慮到傳感器的特性，放大電路的放大倍數(shù)，共模干擾， AD 轉(zhuǎn)換的基準的穩(wěn)定性，電源電路的穩(wěn)定性，單片機端口的特性等問題。 二氧化硫監(jiān)測系統(tǒng)的框圖如圖 所示。 二氧化硫監(jiān)測系統(tǒng)的總體 設計 方案 本 設計的 二氧 化硫監(jiān)測儀是采用 3SF 傳感器，傳感器與二氧化硫氣體反應輸出電流信號，經(jīng)串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，在經(jīng)過儀用放大器放大后，傳給 TLC2543AD 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過 AD 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由單片機將數(shù)字信號進行計算，輸出濃度值有 1602液晶顯示屏輸出。例如： SO2監(jiān)測儀 ,SO2 報警儀及實驗室用監(jiān)測報警器等監(jiān)測含有 SO2類氣體的場所或需要 SO2氣體濃度數(shù)值的產(chǎn)品。缺點是易受干擾。 電化學氣體傳感器是利用電解池原理，將空氣中某種化學氣體通過氧化或還原反應將濃度轉(zhuǎn)化為電信號，通過監(jiān)測電信號的大小得到相應氣體的濃度。因參比電極通過負載電阻和陰極連接故陰極電位是參比電極電位和負載上電壓降之和。 紫外熒光法的基本原理為由光源發(fā)射出的紫外光，通過光源濾光片進入反應室，樣氣中的 SO2 分子吸收紫外光生成激發(fā)態(tài) SO2,當它回到基態(tài)時放射出熒光紫外線 ,其放射熒光強度與 SO2 濃度成正比 ,通過第二個濾光片 ,用光電倍增管接受熒光紫外線并轉(zhuǎn)化為電信號 ,經(jīng)過放大器輸出 ,即可知道 SO2 濃度。優(yōu)點是靈敏度高。其優(yōu)點是具有測定濃度范圍寬，所需設備簡單 ，易操作等特點。缺點是使用毒性極大的四氯汞鉀作吸收液 ，不僅對操作人員健康產(chǎn)生影響，而且分析后大量含汞廢液往入會造成環(huán)境污染。 這幾種方法的優(yōu)缺點 如下： 分光度法主要基本原理是利用空氣中的 SO2 被四氯汞鉀溶液吸收后，與甲醛和鹽酸副玫瑰苯胺 (PRA)反應生成紫紅色化合物，其顏色深淺與 SO2 含量成正比，用分光光度法測定其顏色成分。 二氧化硫監(jiān)測儀器的現(xiàn)狀 目前對二氧化硫的監(jiān)測手段有很多種，常用的方法有分光光度法，碘量法，熒光光度法，紫外熒光法，離子檢譜法，電化學 SO2 傳感器法。特別是近期《環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量保證管理規(guī)定》、《環(huán)境監(jiān)測人員上崗證管理規(guī)定》等制度的出臺，在很大程度上，一方面規(guī)范了環(huán)境監(jiān)測的科學方法，另一方面又對環(huán)境監(jiān)測人員提出了更高的要求。如《水和廢水監(jiān)測分析方法》、《環(huán)境空氣監(jiān)測質(zhì)量保證手冊》。加強空氣環(huán)境監(jiān)測的質(zhì)量保證尤為重要。它們之間的換算公式為： 氣體分子量氣體摩 爾體摩11 3 ??? mmgp p m () 所以對于二氧化硫， 3m g/m =ppm 1 。因此，對周圍環(huán)境中二氧化硫進行監(jiān)測是斷定二氧化硫污染程度、進行二氧化硫污染治理的必要工作。 80年代，中國的酸雨主要發(fā)生在西南地區(qū)，面積約為 170萬平方公里，到了 90年代，酸雨污染擴展到華中、華南、華東、華北和東北等地區(qū)，面積已占全國面積的 40%。天然降水的本底 pH值為 ，一般將 pH值小于 ，形成酸雨的主要物質(zhì)是二氧化硫和氮氧化物，而我國酸雨以硫酸為主，當二氧化硫經(jīng)液相氧化或者氣相氧化反應生成，被降水洗脫降到地面后形成酸雨。會造成土壤的酸化、腐蝕各種建筑物材料。 當空氣中的二氧化硫 (還有氮氧化物 )轉(zhuǎn)換為酸性降水，形 成酸雨。吸入極高濃度時可立即引起發(fā)射性聲門痙攣而致窒息死亡。輕微時會發(fā)生流淚、畏光、咳嗽嚴重者則可在數(shù)小時內(nèi)發(fā)生肺水腫而出現(xiàn)呼吸困難。二氧化硫?qū)θ藗兊娜粘Ｉ?、工作、娛樂等方面也有不同?度的影響。二氧化硫通過呼吸進入氣管，對局部組織產(chǎn)生刺激和腐蝕作用，影響呼吸道，誘發(fā)支氣管等疾病。為了更進一步的解空氣環(huán)境質(zhì)量，達到保護、管理和改良環(huán)境的目的，就必須有計劃地進行空氣環(huán)境的調(diào)查研究和監(jiān)測，以便得到明確的認識，同時有效地采取措施，控制和減少空氣污染。 STC90C51 目錄 第一章 概述 ................................................................................................................... 8 關于二氧化硫監(jiān)測的背景和應用 .....................................