基于AT89C52單片機(jī)的室內(nèi)有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：介紹了基于AT89C52單片機(jī)的室內(nèi)有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。著重說明了中紅外發(fā)光二極管作為紅外光源的優(yōu)勢；詳細(xì)介紹了紅外氣體傳感器的工作原理及其在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用；AD7896在模／數(shù)轉(zhuǎn)換中的運用；最后給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計的主程序流程圖。該系統(tǒng)對提高有害氣體的檢測效率、降低儀器成本，改善室內(nèi)空氣環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞：有害氣體；紅外光譜；中紅外發(fā)光二極管；AT89C52單片機(jī)

0 引言
當(dāng)前我國環(huán)境保護(hù)的形勢越來越嚴(yán)峻，環(huán)境污染和生態(tài)破壞己經(jīng)在一定程度上嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展并日益威脅副現(xiàn)代人的健康安全，其中由于空氣污染所造成的經(jīng)濟(jì)損失和人群發(fā)病率的升高都十分驚人。空氣污染在這里是一個廣義的概念，它既指通常意義上的大氣污染，也指室內(nèi)空氣的污染，同時也指某些特定生產(chǎn)行業(yè)如采煤、冶煉等的空氣環(huán)境的高危險性。不論是何種情形，其成因都是由于空氣中有害氣體的含量超過甚至大大超過其最小容許濃度所致。
有害氣體泛指對人體健康或生命安全構(gòu)成威脅的各種氣體，比如能使人中毒的有毒氣體、無毒但會使人窒息的氣體、可引發(fā)爆炸或易燃的氣體以及那些破壞生態(tài)、危及人類生存環(huán)境的氣體，如溫室氣體等。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的設(shè)計目的是為了實現(xiàn)對有害氣體濃度的在線檢測，以lambert-beer定律為定量分析基礎(chǔ)，通過測定有害氣體對紅外光的吸收度來計算被測氣體濃度的實時分析儀器。整個系統(tǒng)按功能劃分為：(1)單色紅外光發(fā)射系統(tǒng)；(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(3)單片機(jī)控制系統(tǒng)三大部分。單色光發(fā)射系統(tǒng)包括中紅外發(fā)光二極管陣列及其驅(qū)動電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括紅外探測器及其偏置電路、信號放大電路及模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)控制電路包括邏輯控制電路及顯示、報警電路等。
圖1是系統(tǒng)的整體框圖。整個系統(tǒng)盡管按照功能劃分為幾個模塊，但在外部時鐘及單片機(jī)控制下步調(diào)統(tǒng)一地工作，實現(xiàn)了有害氣體的實時測量。

本文所設(shè)計的有害氣體檢測系統(tǒng)是以光的紅外吸收原理為理論基礎(chǔ)，單色光源所采用的中紅外發(fā)光二極管是一種非常適合進(jìn)行氣體分析檢測的紅外光源，保證了在中紅外區(qū)既能獲得很好的單色性又能得到較大的發(fā)射功率。新型的銻化錮(InSb)紅外探測器除了具有很寬的光譜范圍(2μm～7μm)，還具有很快的響應(yīng)速度(時間常數(shù)1μs)，其很高的探測靈敏度保證了檢測的精度。通過研究幾種主要有害氣體在中紅外區(qū)的吸收峰位置，例如：甲烷—3．35 μm，氧化碳—4．65 μm，二氧化碳—4．26μm，甲醛—3．5 μm，氧化氮—5．25μm，氨氣—3．03μm。系統(tǒng)選取了一組中紅外二極管作為紅外光源，整個硬件電路圍繞著紅外光源與單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計。外部獨立脈沖既驅(qū)動發(fā)光二極管的電流源也作為系統(tǒng)各功能模塊的同步時鐘。為了取得光電轉(zhuǎn)換后微弱信號的準(zhǔn)確值，設(shè)計了直流信號放大電路。單片機(jī)控制的A／D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集，液晶顯示屏幕實時反映系統(tǒng)狀態(tài)以及測量結(jié)果。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，不但易于調(diào)試、維護(hù)，還可滿足系統(tǒng)的功能升級。

2 系統(tǒng)硬件組成
由于本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的自動化檢測儀器，對于小規(guī)模的信號檢測，其數(shù)據(jù)處理任務(wù)并不十分繁重，所以這里選用了ATMEL公司的AT89C52，相對于89C51，AT89C52有更豐富的片內(nèi)資源。例如有8 k字節(jié)的片內(nèi)EEP-ROM，以及256字節(jié)的片內(nèi)RAM，對于本系統(tǒng)的控制程序來說，已經(jīng)足夠，因此可以省去片外程序存儲器和片外RAM，降低了成本和簡化了控制電路。AT89C52有3個16位的時鐘(計數(shù)器)，而且32個I／O線全部可編程，時鐘可高達(dá)24 M，和89C51相比，它的使用更加靈活。本文僅對單片機(jī)系統(tǒng)的外部控制與顯示、報警模塊進(jìn)行設(shè)計。