基于单片机的气体质量检测系统的设计

王琳辉

摘 要：面对不断加重的大气污染问题，对日常活动区域内的大气质量进行准确、实时的检测十分必要。因此，对于室内活动区域尤其是公共场所中的空气质量以及甲醛浓度进行超限报警功能的检测系统进行有效的设计研究具有重要的实践意义。本文主要介绍了一种三极管驱动的单音频报警电路装置用于检测采样地点的甲醛浓度以及天然气浓度，通过设置不同的报警上限值来进行合理化空气质量提醒。

关键词：甲醛检测;天然气检测;AT89C52单片机

在人类室内活动区域中，空气质量好坏主要取决于甲醛浓度以及天然气浓度，目前我国对这些室内污染气体浓度的检测方法主要采用化学分析法，通过对化学实验室仪器，例如比色计、分光光度计、酸碱氧化滴定以及气液色谱等，这些方法在检测过程中通常会存在费时费力或者自动化程度低而成本价值高等多种问题，且检测过程需要人工操作，无法进行自动化的现场实时检测。近些年来，随着传感器技术在不同行业的广泛应用，目前已经研发出一种通过单片机进行空气质量自动检测的系统，经过验证具有测试范围广、分辨率高，精度准等多方面的应用优势。基于以上研究，本文设计了适合我国当前需要且适用的空气质量自动检测系统的设计方案及具体实现过程。

1 总体方案设计

该系统的控制核心是单片机，通过对单片机技术的把握来实现对空气质量检测仪的基本控制，在应用及检测过程中主要由基础数据处理阶段，时间及测试阶段，超标报警 及自动休眠等多个部分功能。在运行过程中，仪器若出现不称量操作等现象便会在五分钟后进行自动休眠，来降低运行过程中的电源损耗，该系统在设计过程中采用功能模块化的设计理念，通过对方案设计、硬件把握以及软件防控等三个部分的管理来实现。

在软件的设计方面需要实现对数据语言的编写，主程序的设计把握以及功能模块的程序实现这三大基础，最后还需要通过硬件与软件的结合不断展开调试，来强化功能需求。在系统的功能模块主要由51驱动、数据液晶显示、时钟电路和模数转换这几个部分组成。具体作用路径如下图所示。

2 硬件实现及单元电路设计

2.1 单片机

单片机作为系统的控制中心具有51基本型和52增强型这两种模式，后者在运行过程中的功能作用相对较强，在存储空间方面具有兼容性和发展性，因此，选择了52增强型作为该系统的单片机种类，并结合实际情况，应用AT89C52单片机进行系统数据的采集的硬件电路设计。在硬件传感器的选择上结合本研究的实际情况，选择了CH20/S-10甲醛传感器和MQ-5气体传感器，购于瑞士蒙巴波公司。

2.2 复位电路

复位电路的设计是以开关的断开闭合来实现的。其中，开关断开便是上电复位电路，由于在上电过程中电容电压不能突变，电容处于导通状态，这一阶段中RST脚的电压与VCC相同，随着电容的不断充电，RST脚的电压逐渐下降。因此，在充电阶段选择合理的充电常数，能够保障开关闭合状态下RST脚端的两个机器的高电平，从而使AT89C52内部复位。开关闭合过程是手动实现的电路复位，RST脚端能够通过电阻与VCC的电源相连接形成电阻分压状态，继而实现单片机的复位。

2.3 时钟电路

时钟电路的设置是通过时钟芯片来实现的，在设计过程中需要同时满足低功耗和编程简单的要求，这样就能够在缩短开发时间的基础上实现开发成本的最小化，因此，选择了DS1302时钟芯片。

2.4 报警电路

日常监测设备中的报警信号通常有闪光报警、鸣音报警和语音报警三种类型，前两种在单片机中应用相对频繁，主要是由于硬件结构与编程相对简单，但语音报警尽管具有警报信息相对直接的重要优势，但其在设计过程中存在成本较高以及编程复杂等特点。在本系统的设计要求中，以低功耗为基础需求选择了三极管驱动的单音频报警电路。

2.5 显示电路

显示电路的设计需要以数据浓度显示来实现，在相关的产品中选取了AMPIRE128X64液晶显示模块，该型号的显示器与其他类型相比具有耗电低和功能齐全等特点，动态化的液晶驱动显示是以5V供电，符合本设计的基础设计需求。

2.6 按键

由于本系统只有UP、DOWN、OK、CANCEL4个控制命令，所需按键较少，所以本系统选择独立式按键。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键占有一根I/O口线。各根I/O口线之间不会相互影响。在此电路中，按键输入部采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平，（AT89C52.P1口内部接有上拉电阻）所以就不需要再外接上拉电阻。

在按键的物理应用方面需要进一步通过消除抖动作用来强化功能提升，由于硬件削抖在安装方面还需要额外增加其余的部件，因此，本系统在按键电路中选择了软件延时削抖。

3 软件程序设计方案

在软件程序的设计过程中，其主模块是管理模块，在设计阶段需要在充分考虑系统资源合理使用的前提下保障系统程序的最简化，以此来缩短设计周期，减少调试工作量。在本系统的设计开发过程中，主模块需要充分考虑A/D转换与通信之间的关系问题，然后在结合不同模块的功能情况展开层次化考虑。

设计过程中的主程序的功能发挥需要与硬件系统相结合实现便携式甲醛检测仪运行中的各项功能，完善以时间调整显示、数据分析储存及功能子函数的调用等多项程序。

4 小结

甲醛含量超量，將对人体健康造成很大的影响。随着使用天然气的居民越来越多，天然气存在的潜性危害、天然气泄露也在一步步威胁着居民的身体健康，因此，对室内空气质量的安全检测及及时预警便显得十分重要。本文中设计的用于公共场所及室内甲醛浓度检测报警系统的应用对于提升居民的生活质量，保障日常生活安全具有十分重要的应用价值。

参考文献：

[1]周熊.基于AT89C52单片机的烟雾报警器设计[J].电子设计工程，2013，21（1）：164-165，169.

[2]李杰.一种基于单片机的空气质量自动测控系统设计[J].电子测试，2017，（3）：34-36.