【正文】 KEIL pany.At the end of this article, it makes a summary for the design, proposed a number of shortings in the design and proposed some improvements.Key words: Environmental safety。 Temperature Sensor。 Gas Sensors1 緒論環(huán)境安全是關(guān)系到地球上一切生物的生存與可持續(xù)發(fā)展、一個國家的穩(wěn)定與發(fā)展及世界和平與安定的根本問題，是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)與人文社會科學(xué)研究的熱點。因此對環(huán)境安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計要求很高。 研究的主要內(nèi)容及簡要分析，下面簡要說明各個模塊的功能。數(shù)據(jù)處理模塊：對采集到數(shù)據(jù)進行分析處理，是該系統(tǒng)的核心部分。液晶顯示模塊：將采集來的數(shù)據(jù)處理后按要求顯示。2 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計原則 要求單片機系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護方便、性價比高等特點。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個方面考慮：使用可靠性高的元器件；設(shè)計電路板時布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診斷功能等。因此在設(shè)計時，要盡可能減少人機交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡化的方法。 系統(tǒng)總方案的選定 主控制器方案的選型單片機的選擇單片機是系統(tǒng)的控制核心，所以單片機的性能關(guān)系到整個系統(tǒng)的好壞。單片機種類很多，在眾多51系列單片機中，較為常用的是ATMEL公司的AT89C51和AT89S52單片機，AT89C51片內(nèi)4K，ROM是Flash工藝的，使用專用的編程器自己就可以隨時對單片機進行電擦除和改寫，片內(nèi)有128字節(jié)的RAM。顯然這種單片機優(yōu)點更多，開發(fā)時間也大為縮短。 溫度傳感器選用隨著溫度傳感器智能化、集成化技術(shù)的進步，數(shù)字式溫度傳感器也得到了快速發(fā)展，世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應(yīng)該把握以下幾點：外圍電路應(yīng)該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)成本；溫度傳感器采用的總線負載能力如何，能否滿足多點測溫的需要；占用MCU的I/O引腳數(shù)情況如何，因為MCU的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點溫度測量時，如果測量的點數(shù)超過了輸入通道時，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時間，應(yīng)盡量節(jié)約；與MCU的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡單，溫度測量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。常用的數(shù)字溫度傳感器主要有：（1）AD7418是美國模擬器件公司（ADI）推出的單片溫度測量與控制用集成電其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和10位A/D轉(zhuǎn)換器。2℃，轉(zhuǎn)換時間為15~30ms。AD7418可以級聯(lián)至多8片在同一個I2C總線上。具有抗干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點。LM74具有休眠模式，在休眠時消耗的電流不超過10μA,適用于對功率消耗有嚴格限制的系統(tǒng)。（3）MAX6575L/H是美國MAXIM公司的一種單總線式數(shù)字溫度傳感器，具有較好的線性、較低的功耗，而且編程簡單，調(diào)試容易，使用方便。3℃在 85℃時優(yōu)于177。5℃。它最多允許在一根MCU的I/O總線上同時掛接8個MAX6575L/H進行多點溫度測量。但是，MAX6575L的遠距離傳輸特性并不理想，傳輸范圍只能在5m以內(nèi)，超過此范圍將采集不到被測溫度數(shù)據(jù)，這也是這種器件的一個弊端。DS18B20的測溫范圍55~+125℃，℃，由于每一個DS18B20出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM中，因此CPU可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。由于DS18B20獨特的單總線接口方式在多點測溫時有明顯的優(yōu)勢，占MCU的I/O引腳資源少，MCU的通信協(xié)議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，所以，選用DS18B20作為溫度測量的傳感器。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展。目前，國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為Honeywell公司（HIH360HIH360HIH3610 型），Humirel公司HS110HM1500、HM15HF322HTF3223型），Sensiron公司（SHT1SHT15型）。其主要特點是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55%RH時的輸出頻率為8750Hz（型值），當(dāng)上對濕度從10%變化到95%時，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。（3）頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器典型產(chǎn)品為HTF3223型。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，其電阻值也相應(yīng)改變并且從 NTC 端引出，配上二次儀表即可測量出溫度值。工作范圍：溫度40~+85℃，相對濕度 0~100%RH，精度達到177。（2）HF3223濕度傳感器是法國 Humirel公司生產(chǎn)的專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)相對濕度傳感器，具有線性的頻率輸出，濕度測量范圍 10~95%RH，精度177。%RH，溫度工作范圍30~+80℃，溫度特性好，高可靠性與長時間穩(wěn)定性，在長時間處于飽和狀態(tài)后快速脫濕，反應(yīng)時間10s，對化學(xué)品有較高的抵抗性，浸水沒有影響。帶防護棒式封裝，5VDC恒壓供電，1~4VDC 放大線性電壓輸出，便于用戶使用。3%RH（10~95%RH 范圍），防灰塵，可有效抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì)，非常低的溫度依賴性，長期穩(wěn)定性好，反映時間5s，廣泛應(yīng)用于機房監(jiān)控，智能樓宇，倉庫監(jiān)控等控制場合，價格實惠，是一款性價比極高的濕度傳感器。故選用HS1101。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分 。目前流行于市場氣體傳感器大約有如下一些種類：(1) 催化燃燒式氣體傳感器　　 這種傳感器是白金電阻表面制備耐高溫催化劑層，一定溫度下，可燃性氣體其表面催化燃燒，燃燒是白金電阻溫度升高，電阻變化，變化值是可燃性氣體濃度函數(shù)。催化燃燒式氣體傳感器計量準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，壽命較長。但是可燃性氣體范圍內(nèi)，無選擇性。大部分元素有機蒸汽對傳感器都有中毒作用。比如，酒精傳感器，就是利用二氧化錫高溫下遇到酒精氣體時，電阻會急劇減小原理制備。尤其是，這種傳感器成本低廉，適宜于民用氣體檢測需求。高質(zhì)量傳感器可以滿足工業(yè)檢測需要。(3) 電化學(xué)式氣體傳感器　　 相當(dāng)一部分可燃性、有毒有害氣體都有電化學(xué)活性，可以被電化學(xué)氧化還原。電化學(xué)氣體傳感器分很多子類：　　原電池型氣體傳感器（也稱：加伏尼電池型氣體傳感器，也有稱燃料電池型氣體傳感器，也有稱自發(fā)電池型氣體傳感器），他們原理行同我們用干電池，電池碳錳電極被氣體電極替代了。電流大小與氧氣濃度直接相關(guān)?！　?恒定電位電解池型氣體傳感器，這種傳感器用于檢測還原性氣體非常有效，它原理與原電池型傳感器不一樣，它電化學(xué)反應(yīng)是電流強制下發(fā)生，是一種真正庫侖分析傳感器?！　?濃差電池型氣體傳感器，具有電化學(xué)活性氣體電化學(xué)電池兩側(cè)，會自發(fā)形成濃差電動勢，電動勢大小與氣體濃度有關(guān)，這種傳感器成功實例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質(zhì)型二氧化碳傳感器。(4) 熱導(dǎo)池式氣體傳感器　　 每一種氣體，都有自己特定熱導(dǎo)率，當(dāng)兩個和多個氣體熱導(dǎo)率差別較大時，可以利用熱導(dǎo)元件，分辨其中一個組分含量。這種氣體傳感器可應(yīng)用范圍較窄，限制因素較多。它是利用空氣中氧氣可以被強磁場吸引原理制備。大氣環(huán)境中氮氧化物能夠產(chǎn)生微小影響，這些干擾氣體含量往往很少，磁氧分析技術(shù)選擇性幾乎是唯一！(6)　紅外線氣體傳感器　　 大部分氣體中紅外區(qū)都有特征吸收峰，檢測特征吸收峰位置吸收情況，就可以確定某氣體濃度。使用無需調(diào)制光源紅外探測器使儀器完全沒有機械運動部件，完全實現(xiàn)免維護化。這種傳感器成功用于：二氧化碳、甲烷檢測。半導(dǎo)體傳感器包括電阻式氣體傳感器和非電阻式氣體傳感器，電阻式氣體傳感器是是利用其阻值變化來檢測氣體濃度；非電阻式氣體傳感器是利用一些物理效應(yīng)也器件特性來檢測氣體。一般常用的半導(dǎo)體式氣體傳感器有MQMQMQMQMQ8等，它們一般檢測目的及檢測范圍為：MQ2：可燃氣體、煙霧；300 to 10000ppmMQ4：天然氣、甲烷；300 to 10000ppmMQ5：液化氣、甲烷、煤制氣；300 to 5000ppmMQ6：液化氣、異丁烷、丙烷；100 to 10000ppmMQ8：氫氣、煤制氣；50 to 10000ppm本課題主要檢測煙霧、可燃氣體、有毒氣體，所以選用MQ2檢測煙霧，MQ5檢測可燃氣體和有毒氣體。運用單片機采集系統(tǒng)能很好的解決這些問題。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇直接關(guān)系到采集精度是否理想。TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,使用開關(guān)電容逐次 逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。且價格適中,分辨率較高。并行顯示方式占用硬件資源多，八個筆劃段和幾個顯示驅(qū)動控制端都要接到單片機的I/O引腳，但顯示刷新速度快；串行顯示方式占用硬件資源少，僅數(shù)據(jù)鎖存控制端、時鐘端、數(shù)據(jù)端三個端口要接到單片機的I/O引腳上，顯示刷新速度較并行顯示方式慢。液晶顯示器在使用中有許多注意事項：不能對它長期施加直流電，否則易造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過大的壓力；對于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低；防止紫外線的直接照射；要特別注意防靜電，焊接顯示器時烙鐵要接地。數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對電源沒有特殊要求，受環(huán)境溫度的影響不大，不怕陽光的照射，也沒有嚴格的防靜電要求，而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多，適于安裝在室內(nèi)、室外、黑暗和光線強的各種環(huán)境中，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。 系統(tǒng)組成框圖以單片機為控制核心，采用溫度、濕度、煙霧、可燃氣體和有毒氣體測量，通信技術(shù)，誤差修正等關(guān)鍵技術(shù)，以溫濕度傳感器和氣體傳感器作為測量元件，構(gòu)成智能環(huán)境安全檢測系統(tǒng)。選用的主要器件有：溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器HS1101，氣體傳感器MQ2和MQ5，NE555，AD轉(zhuǎn)換器TLC2543，單片機AT89S52等。傳感器所測量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，取決于傳感器的輸入——輸出特性。 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。 傳感器的動態(tài)特性傳感器測量靜態(tài)信號時，由于被測量不隨時間變化，測量和記錄過程不受時間限制。傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。傳感器動態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態(tài)特性參數(shù)如:最大超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。并且多個DS18B20可以并接到多個地址線上與單片機實現(xiàn)通信。與其它溫度傳感器相比，DS18B20具有以下特性:（1）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。（3）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件。（5）測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。VDD：接電源引腳，~。DQ：數(shù)據(jù)的輸入和輸出引腳。，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等7部分。低溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。初始時，溫度寄存器被預(yù)置成55℃，每當(dāng)計數(shù)器1從預(yù)置數(shù)開始減計數(shù)到0時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1℃，這個過重復(fù)進行直到計數(shù)器2計數(shù)到0時便停止。以后計數(shù)器l每一個循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。計數(shù)器1的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度外使溫度寄存器存值增加1℃計數(shù)器所需的計數(shù)個數(shù)。在計數(shù)器2停止計數(shù)后，比較器將計數(shù)器1中的計數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與025℃進行比較，℃，溫度寄存器的最低位就置0，℃，就置1，℃，溫度寄存器的最低位就進位后置0。 圖33 DS18B20測溫原理圖溫度寄存器中的溫度值以9位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號位其余8位以二進制補碼形式表示溫度值。DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)。當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20進行計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。表 31 溫度和數(shù)字量的關(guān)系變量輸出的二進制碼對應(yīng)的十六進制碼+12500000001111101000FAH+250000000001100100032H+1/20000000000000010001H00000000000000000000H1/2111111111111111FFFFH25111111111001110FFCEH55111111110010010FF92H單線總線，即1wire技術(shù)是DS18B20的一個特點。單總線適用于單主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設(shè)備。當(dāng)只有一個從機設(shè)備時，系統(tǒng)可按單節(jié)點系統(tǒng)操作。DS18B20 有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時VDD接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉(zhuǎn)換，完成溫度轉(zhuǎn)換的時間較長。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，完成溫度測量的時間較短。但當(dāng)所測溫度超過100℃時，DS18B20的漏電流增大，傳感器從I/O線上獲取的電流不足以維持DS18B20通訊所需的電流，此時只能選用外部供電方式。 濕度傳感器測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。下面 介紹HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。 圖34a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖34b、濕度電容響應(yīng)曲線。2%RH；響應(yīng)時間小于5S； pF/℃。 濕度的計算方法本設(shè)計將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成