基于单片机的空气质量远程监测系统的设计

刘艳芳

摘 要：文章详细的介绍了以AT89S51单片机为控制核心，RS-485串口通信，ADC0809转换，LCD1602液晶显示等外围模块实现对SO2和NO2实时采集处理、显示、报警等功能。介绍了从器件选择，原理图电路设计，再进行仿真的思路。此设计系统达到了测量SO2和NO2的目的，测量结果由液晶屏显示出来，通过串口线可以和上位机进行通信，上位机也可以通过串口线对下位机进行控制，系统具有抗干扰性能和自我恢复能力。

关键词：空气污染；SO2和NO2；浓度；监测

1 引言

通过对大气污染调查研究发现：近几年来，虽然国家加大了对环境污染的治理力度，但各种污染物指标还是呈上升趋势。这是由于我国环境方面制度还不完善，各地区因經济水平不同，对这方面投入力度不尽相同。本设计研究的是远程空气质量监测系统，以单片机为中心的控制系统投资小，适用范围广，会呼唤人们行动起来，共同保护我们的家园。这次研究的有着重大的意义。

本次设计包括最小系统电路的设计，电阻、电容和晶振的选择。二氧化硫传感器和二氧化氮传感器的选择三电极化学传感器。模数转换电路是采用ADC0809将传感器采集来的模拟信号转化成数字信号，再交给单片机处理。显示电路采用点阵字符型1602而没有用数码管，避免了锁存器等驱动电路，使应用简化。且驱动电压低、功耗小，抗干扰强、显示信息量大，便于携带。通信电路模块采用485通信数据线，可实现抗共模干扰，远距离传输，真正保证信号的可靠性。电源电路则采用稳压器7805和电感、电容，确保了电压的稳定性。然后根据这些电路模块的设计用protel画出原理图，

2 空气质量远程监测系统设计

2.1 单片机最小系统

本系统采用本文采用AT89S51单片机，它是一款高速、低功耗、抗干扰、性价比好的8位单片机，在电子行业广泛应用。单片机的最小系统是包括电源电路、时钟电路和复位电路。

2.1.1时钟电路模块

时钟电路是为单片机提供控制信号的。使用同一时钟信号可以保证单片机的工作同步。本设计以尽量降低功耗的原则采用的是内部时钟方式，且是起稳定频率和快速起振的作用。单片机有一个内部时钟振荡电路所以就只需要外接一个晶振源就可以产生时钟信号了。为了消除定时器的初值和相应的波特率之间的误差，晶振X1选择的是11.0592MHZ的振荡频率。

2.1.2复位电路模块

复位电路是使单片机的初始化的电路。当系统处于死锁状态时，需按复位电路以重新启动。工作原理：随着电容充电，电容上的电压增加，RST上电压降低。选择适合的充电常数，即合适的R、C值，即可保证开关按下时RST端有两个机器周期以上的高电平，从而使单片机内部复位。开关按下是手动复位，RST与电源直接相连接，给其一高电平，单片机直接复位。

2.1.3电路电源设计

本设计采用集成稳压器7805，电感、电容作为电源电路设计，电感具有滤波的作用，保证了电流的稳定性，电容具有稳定电压的作用，电容的充放电过程，保证了电源不稳定时，电路也可以稳定运行。此电路起到PCB中稳定电路的作用。

2.2 通信模块设计

通信模块采用的是芯片MAX232和串口RS-485构成。MAX232芯片是用于连接单片机与总线RS-485串口的，使用+5V电源供电。RS485串口用于连接计算机的，当系统出现异常由总线RS-485传到后台再由人工处理。

2.3 气体传感器

考虑到实际性和可操作性的问题，比较几种气体监测方法的优缺点。本次设计所采用的方法是电化学传感器的方法。

2.3.1 SO2/C-100传感器

SO2传感器采用三电极电化学传感器SO2/C-100。该传感器能工作时间和维护周期都比较长，但还能稳定工作。工作原理：当有SO2气体扩散进入传感器中，两电极开始进行化学反应，产生电流 ，因为该电流大小正比于气体的浓度，通过外电路就可以测量二氧化硫气体的含量。而参考电极敏感电极通过外部电路，使得工作电极和对电极保持在一个恒定的电位。

2.3.2 NE-NO2传感器

NO2传感器采用三电极电化学传感器NE-NO2。具有体积较小、重量轻、线性度好、性能稳定等特点，而价格和其他型号相比具有竞争力。

检测原理：检知电极是根据气体发生氧化反应，与此同时对向电极发生还原反应，而参照电极用来监视和平衡持续电压。二氧化氮气体浓度与通过连续反应成产生的电流成比例关系。

2.4 模数转换电路

传感器输出的信号是模拟信号，故需要将模拟信号转化为数字信号。以便AT80C51处理。本设计采用ADC0809模数转换模块。当P0口是漏极开路时是作为输出口用的，为了使电路稳定和增强抗干扰能力，并加大单片机的驱动能力，在P0口出接阻值为10K的排阻作为上拉电阻，上拉则是将一个不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时还其限流的作用。

2.5 声光报警电路设计

为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观，采用了由2个发光二极管和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。其中当SO2和NO2气体含量超标时，双灯闪烁，蜂鸣器报警。

2.6 液晶显示模块设计

本设计采用点阵字符型1602设计液晶显示模块。VEE是控制LCD显示屏的亮度，若为低电平，则亮度最高，可能出现鬼影。所以接一个10K的滑动变阻器，从而来控制屏的亮度，以免出现鬼影或者屏幕过暗。在检测环境气体浓度时，会显示采集到的气体浓度值，同时显示采集到数据的时间。

2.7 按键电路设计

考虑到整个测量系统中不同环境对气体浓度要求不同，故设置了按键功能，用于实现测量范围的调整，共设计四个按键，按键1完成显示的自动与手动的切换，可实现气体浓度的定时检测，左右移位键两个同时可实现两种气体浓度范围的切换，当气体超过其设定浓度值时，可通过按键进行复位。

3 结论

本设计是以单片机为核心电化学传感器测量二氧化硫浓度的系统，其功能包括二氧化硫和二氧化氮浓度的测量，模数转换，报警，串口通信，LCD显示。本设计中几个有特色的地方：

（1）采用恒流电源技术。因为恒流源的精度对整个模拟信号的精度有十分重大的影响，它是所有工作的最开始的部分。同时过热保护，过流保护等也可以对整个电路起到保护作用。

（2）采用单片机。在当今社会中，单片机使用的非常广泛。单片机的功能多样、集成度和可靠度更高，而功耗更低且编程比较简单，从而使用方便。

这次设计不仅要了解该设计的工作原理、功能以及模块作用等，还要根据各种因素排除外界的干扰或者器件选型的不当所引起的误差。

参考文献

[1] 赵负图.最新传感器实用电路手册[M].化学工业出版社，2005：42～88

[2] 张靖，刘少强.监测技术与系统设计[M].北京：电子工业出版社，2002：28～236.

[3] 张宏建，蒙建波.自动监测技术与装置[M].北京：化学工业出版社，2004：125～357