【正文】 m with alarm, Timely, accuratly and effectivly detect the harmful gases in these two areas of the living environment and give an alarm to remind people to make some measures in the gas concentration exceeded places, not only effectively protect people39。 then the characteristics of 51 singlechip system, the overall design methodology, as well as harmful gas monitoring system design is discussed in detail。 at last highlight the system hardware and software design principles and programs. In the indoor harmful gas monitoring system, I choose 8 ATMEL Corporation STC89C51 microprocessor chip as the core, and use the Keil operating system as a software development platform, development of procedures based on Keil operating system through installation and missioning, achieving gases concentration monitoring, display, and alarm in time and other functions. After some adjustments， I acheved expected results. Key words:sensor。 monitoring。一方面，甲醛和苯都是確認(rèn)的致癌物，可造成哮喘、心腦血管病、糖尿病、再生障礙性貧血、白血病、胎兒畸形、兒童智力大大降低以及 “ 亞健康 ” 狀態(tài)等多種急慢性癥狀。中國(guó)室內(nèi)裝飾協(xié)會(huì)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作委員會(huì)于 2020 年在北京地區(qū)千戶(hù)新裝修家庭中進(jìn)行的抽檢結(jié)果顯示甲醛超標(biāo)的占 60%。室內(nèi)空氣污染已被世界銀行列為全球四個(gè)最關(guān)鍵的環(huán)境問(wèn)題 之一，全球每年因此而導(dǎo)致死亡的人數(shù)達(dá) 280 萬(wàn)人。 在我國(guó)，每年由于煤氣 (主要是 CO)中毒和天然氣（又稱(chēng)甲烷， CH）中毒的案例并不鮮見(jiàn)。一氧化碳是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，不易察覺(jué)。所 以，人一旦吸入一氧化碳，氧便失去了與血紅蛋白結(jié)合的機(jī)會(huì)，使組織細(xì)胞無(wú)法從血液中獲得足夠的氧氣，致使呼吸困難。煤氣中毒時(shí)病人最初感覺(jué)為頭痛、頭昏、惡心、嘔吐、軟弱無(wú)力，大部分病人迅速發(fā)生抽筋、昏迷，兩頰、前胸皮膚及口唇呈櫻桃紅色，如救治不及時(shí)，可很快因呼吸抑制而死亡。 我國(guó)現(xiàn)有的一氧化碳報(bào)警器，一般將 100ppm200ppm 作為報(bào)警濃度。因此，有必要設(shè)計(jì)一種針對(duì)甲醛、甲苯、水煤氣、天然氣、液化石油氣這些人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的致癌物質(zhì)和常見(jiàn)燃?xì)獾臐舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為人們擁有一個(gè)健康、安全的日常生活環(huán)境提供保障 [2]。這些儀器可實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的檢測(cè)功能，適用于專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)研究機(jī)構(gòu)。 在檢測(cè)可燃?xì)怏w泄露方面，國(guó)外引進(jìn)產(chǎn)品如法國(guó)奧德姆便攜可燃?xì)怏w檢測(cè)儀、美國(guó) ISC 可燃性氣體檢測(cè)儀、日本新宇宙便攜可燃?xì)怏w檢測(cè)儀；國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品主要有北京燕山時(shí)代儀表有限公司生產(chǎn)的 型遙控?cái)?shù)字顯示可燃性氣體變送器、沈陽(yáng)市愛(ài)爾普儀器有限公司 便攜式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀。 本課題研究的意義 本設(shè)計(jì)利用 STC89C51 單片機(jī)作為監(jiān)測(cè)器的控制中心即 CPU,用戶(hù)它來(lái)控制相關(guān)的傳感器。以此來(lái)檢測(cè)室內(nèi)的環(huán)境。使用者可以對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，選擇監(jiān)控有毒氣體的種類(lèi)。例如，當(dāng)有毒氣體增多了，提示家人 第 頁(yè) 共 36 頁(yè) 3 開(kāi)窗通風(fēng)并迅速關(guān)閉氣體來(lái)源等。 本文的主要任務(wù)及結(jié)構(gòu) 本論文所完成的任務(wù)是對(duì)室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測(cè)方法的研究和設(shè)計(jì)，根據(jù)單片機(jī)的工作原理，利用各個(gè)傳感器的特性，設(shè)計(jì)相關(guān)的電路，用單片機(jī)來(lái)采集相關(guān)的各個(gè)變量，在液晶 屏上實(shí)時(shí)的顯示各種狀態(tài)，并且通過(guò)按鍵進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，超過(guò)設(shè)置界限時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。 第一章 引言，本章介紹了室內(nèi)有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)及其發(fā)展。 第三章 元件選型與電路設(shè)計(jì)，本章主要介紹了本設(shè)計(jì)需要的元件以及其原理電路以及硬件設(shè)計(jì)過(guò)程。 第五章 總體系統(tǒng)調(diào)試 ， 主要介紹了對(duì)系統(tǒng)總體調(diào)試的方法與結(jié)果 。 2 總體系統(tǒng) 方案 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì) 采用 STC89C52 單片機(jī)作為控制核心，直接利用甲醛傳感器采集室內(nèi)甲醛濃度 ， 利用一氧化碳傳感器采集室內(nèi)一氧化碳濃度，利用煙霧傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)煙霧的危害程序，經(jīng)過(guò)處理后直接傳給單片機(jī)，單片機(jī)綜合分析以后，送到數(shù)碼管上顯示，并且通過(guò)獨(dú)立鍵盤(pán)來(lái)設(shè)置，真題電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具體模塊框圖如下： 第 頁(yè) 共 36 頁(yè) 4 圖 21 模塊框圖 設(shè)計(jì)原理 本設(shè)計(jì)的 原理 是根據(jù) 51單片機(jī)的工作原理，利用各個(gè)傳感器的特性，設(shè)計(jì)相關(guān)的電路，用單片機(jī)來(lái)采集相關(guān)的各個(gè)變量，結(jié)合時(shí)鐘芯片在液晶屏上實(shí)時(shí)的顯示 各種狀態(tài)，并且通過(guò)按鍵進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，超過(guò)設(shè)置界限時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。由于將 多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， 第 頁(yè) 共 36 頁(yè) 5 ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器， 89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 89C51 總控制電路如下： 圖 31 89C51 總控制電路 STC89C51 引腳功能介紹 VCC：供電電壓。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可 吸收 8TTL 門(mén)電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)地址的低八位。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。當(dāng) P3 口寫(xiě)入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 表 31 51單片機(jī) P3口功能 口管腳 備選功能 RXD串行輸出口 TXD串行輸入口 /INT0外部中斷 0 /INT1外部中斷 1 T0計(jì)時(shí)器 0外部輸入 T1計(jì)時(shí)器 1外部輸入 WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi) 第 頁(yè) 共 36 頁(yè) 7 部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 STC89C51 主要功能如下所示： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線(xiàn) 兩個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5 個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 [2] 系統(tǒng)的引腳接線(xiàn) 根據(jù)其系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)出如圖所示的引腳接線(xiàn)： 圖 32 系統(tǒng)的引腳接線(xiàn) 第 頁(yè) 共 36 頁(yè) 8 為了能夠?qū)崿F(xiàn)使用按鍵進(jìn)行設(shè)置監(jiān)測(cè)氣體的種類(lèi)，我 使用了 4 個(gè)按鍵，其中三個(gè)是選擇氣體傳感器，還有一個(gè)為復(fù)位按鍵。電路圖如下： 第 頁(yè) 共 36 頁(yè) 9 圖 35 中斷按鍵 顯示電路 LED 數(shù)碼管 本設(shè)計(jì)采用 4段 /位 LED數(shù)碼管（能夠顯示 4 個(gè) 8）， LED數(shù)碼管（ LED Segment Displays）是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成 “8”字型的器件，引線(xiàn)已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。位數(shù)有半位， 1， 2， 3， 4，5， 6， 8， 10 位等等， led 數(shù)碼管根據(jù) LED 的接法不同分為共陰和共陽(yáng)兩類(lèi)。顏色有紅，綠，藍(lán)，黃等幾種。選用時(shí)要注意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長(zhǎng)等。 總電路圖如下： 圖 38 總電路圖 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)使用的模塊較多，繪制 PCB 板時(shí)使用了鋪地的接地方法，鋪地的優(yōu)點(diǎn)在于散熱迅速， 穩(wěn)定性好，對(duì)模塊及器件有保護(hù)作用。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類(lèi)型。 多諧振蕩器由 晶體管 或集成電路構(gòu)成。 圖 310 蜂鳴器外形 圖 第 頁(yè) 共 36 頁(yè) 12 設(shè)計(jì)電路 根據(jù)蜂鳴器的和 LED 二極管的特性，制作出的電路圖如下： 圖 311 聲光報(bào)警及電源模塊電路圖 由于在總板上電源和接地接口過(guò)少，不能滿(mǎn)足傳感器等的需求，于是我在模塊里加入了兩排 8 腳排針。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。 MQ2 氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。其結(jié)構(gòu)和外形如圖： 圖 313 MQ2 氣體傳感器外形圖 圖 314 MQ2 氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖 第 頁(yè) 共 36 頁(yè) 14 MQ2 煙霧傳感器模塊 下圖為 MQ2 氣體傳感器實(shí)物圖。 （ 2）雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出） （ 3） TTL 輸出有效信號(hào)為低電平。 （ 5）對(duì)液化氣，天 然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫（ ）檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（ 5 . 0 V加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。 MQ7 傳感器對(duì)一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測(cè)多種含一氧化碳的氣體， 是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 （ 2） 雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出） （ 3） TTL 輸出有效 （ 信號(hào)為低電平。 （ 5） 對(duì)一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性。 當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在 醛 、 酮 、 醇類(lèi) 氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中 醛 、 酮 、 醇類(lèi)氣體 濃度的增加而增大。 MQ138 醛 、 酮 、 醇類(lèi)氣體傳感器 對(duì) 醛、醇、酮、芳族化合物 的靈敏度高。 其結(jié)構(gòu)和外形如圖： 圖 321 MQ138醛 、 酮 、 醇類(lèi)氣體傳感器 外形 圖 圖 322 MQ138醛 、 酮 、 醇類(lèi)氣體傳感器 外形 圖 第 頁(yè) 共 36 頁(yè) 18 MQ138 醛 、 酮 、 醇類(lèi)氣體傳感器 模塊 下圖為 MQ138 醛 、 酮 、 醇類(lèi)氣體傳感器 模塊實(shí)物圖： 圖 323 MQ138 醛、酮、醇類(lèi)氣體傳感器模塊實(shí)物圖 簡(jiǎn)要說(shuō)明： 尺寸： 長(zhǎng) 32mm *寬 22mm *高 30mm 主要芯片： LM39甲醛感應(yīng)探頭 工作電壓：直流 5V 特點(diǎn)： （ 1） 具有信號(hào)輸出指示燈指示； （ 2） 雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出）； （ 3） TTL 輸出有效信號(hào)為低電平；（低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可接單片機(jī) IO 口） （ 4） 模擬量輸出隨濃度增加而增加，濃度越高電壓越高； （ 5） 對(duì)醛、醇、酮、芳族化合物具有很高的靈敏度； （ 6） 具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性； （ 7） 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性； （ 8） 帶安裝孔，方便固定安裝； （ 9） 探頭可以插拔設(shè)計(jì)，方便試驗(yàn)。我一共制作了三塊電路板，第一塊由于打印機(jī)墨質(zhì)不好，腐蝕后得到的電路板線(xiàn)路混亂，斷線(xiàn)過(guò)多所以無(wú)法使用，第二塊電路板銅板質(zhì)量過(guò)硬，得到的電路板鉆孔困難，無(wú)法保證鉆孔時(shí)焊盤(pán)固定，無(wú)法使用。在焊接元件的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電路圖中使用的串口為公口，然而我能夠買(mǎi)到的串