基于AT89C52單片機的室內有害氣體監控系統

摘要：介紹了基于AT89C52單片機的室內有害氣體監控系統的軟、硬件結構設計。著重說明了中紅外發光二極管作為紅外光源的優勢；詳細介紹了紅外氣體傳感器的工作原理及其在系統數據采集中的應用；AD7896在模／數轉換中的運用；最后給出了系統軟件設計的主程序流程圖。該系統對提高有害氣體的檢測效率、降低儀器成本，改善室內空氣環境具有重要的現實意義。
關鍵詞：有害氣體；紅外光譜；中紅外發光二極管；AT89C52單片機

0 引言
當前我國環境保護的形勢越來越嚴峻，環境污染和生態破壞己經在一定程度上嚴重制約了經濟的發展并日益威脅副現代人的健康安全，其中由于空氣污染所造成的經濟損失和人群發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，也指室內空氣的污染，同時也指某些特定生產行業如采煤、冶煉等的空氣環境的高危險性。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、可引發爆炸或易燃的氣體以及那些破壞生態、危及人類生存環境的氣體，如溫室氣體等。

1 系統工作原理與結構
系統的設計目的是為了實現對有害氣體濃度的在線檢測，以lambert-beer定律為定量分析基礎，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。整個系統按功能劃分為：(1)單色紅外光發射系統；(2)數據采集系統；(3)單片機控制系統三大部分。單色光發射系統包括中紅外發光二極管陣列及其驅動電路。數據采集系統包括紅外探測器及其偏置電路、信號放大電路及模／數轉換電路。單片機控制電路包括邏輯控制電路及顯示、報警電路等。
圖1是系統的整體框圖。整個系統盡管按照功能劃分為幾個模塊，但在外部時鐘及單片機控制下步調統一地工作，實現了有害氣體的實時測量。

本文所設計的有害氣體檢測系統是以光的紅外吸收原理為理論基礎，單色光源所采用的中紅外發光二極管是一種非常適合進行氣體分析檢測的紅外光源，保證了在中紅外區既能獲得很好的單色性又能得到較大的發射功率。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)，還具有很快的響應速度(時間常數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進行設計。外部獨立脈沖既驅動發光二極管的電流源也作為系統各功能模塊的同步時鐘。為了取得光電轉換后微弱信號的準確值，設計了直流信號放大電路。單片機控制的A／D轉換電路實現數據的自動采集，液晶顯示屏幕實時反映系統狀態以及測量結果。系統軟件采用模塊化設計，不但易于調試、維護，還可滿足系統的功能升級。

2 系統硬件組成
由于本系統是以單片機為核心的自動化檢測儀器，對于小規模的信號檢測，其數據處理任務并不十分繁重，所以這里選用了ATMEL公司的AT89C52，相對于89C51，AT89C52有更豐富的片內資源。例如有8 k字節的片內EEP-ROM，以及256字節的片內RAM，對于本系統的控制程序來說，已經足夠，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(計數器)，而且32個I／O線全部可編程，時鐘可高達24 M，和89C51相比，它的使用更加靈活。本文僅對單片機系統的外部控制與顯示、報警模塊進行設計。