摘 要：本文介紹了基于AT89S51單片機的多參數(shù)氣體檢測儀的設(shè)計和實現(xiàn)方法。利用電化學傳感器和紅外氣體傳感器，可同時檢測氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、甲烷等5種氣體在空氣中的含量，并具有超限報警、顯示、打印等功能，可廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)生防疫、勞動保護、易燃易爆和安全生產(chǎn)等領(lǐng)域，具有一定的應用價值。 關(guān)鍵詞：氣體檢測儀，氣體傳感器，硬件設(shè)計，軟件設(shè)計 Abstract:This paper introduce design method for the multi-parameters gas detector which is based on microcontroller AT89S51.Makes use of gas sensor,it can measure strength of five kinds of gas which include O2、CO、CO2、H2S and CH4 at the same time, it have also alarm and display and print etc function,far-ranging applied in environment monitor, hygiene epidemic prevention, labor protection, combustible and explosive, safety to produce etc. it have certain applied value. Key word:gas detector,gas sensor,hardware design,software design 0 引言 　　井下作業(yè)環(huán)境中氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫及甲烷濃度的高低，直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)和礦工的生命安全。同時，隨著各種天然氣、煤制氣、液化氣的開發(fā)和使用,各種可燃性氣體散發(fā)在工作場所和人們生活中，因此連續(xù)、直接檢測工作環(huán)境和生活環(huán)境中有毒氣體、可燃性氣體有著極其重要的意義。目前，氣體檢測大多采用單氣體檢測方式，即每測量一種氣體需要攜帶一種測量儀表。研制能用一種儀器同時檢測多種不同氣體是氣體檢測儀的發(fā)展趨勢,即進行多參數(shù)測量,多種氣體檢測,實現(xiàn)對多種氣體種類的識別和濃度的判斷,從而更全面地反映被測氣體在特定環(huán)境中所顯示的特性。 　　本文介紹基于AT89S51單片機控制的多參數(shù)氣體檢測儀的設(shè)計和實現(xiàn)方法。 1 多參數(shù)氣體檢測儀的功能及測量原理 　　1.1系統(tǒng)功能 　　系統(tǒng)的功能如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)功能框圖[/align] 　　由圖1可知,系統(tǒng)由8個功能模塊構(gòu)成:進氣過濾系統(tǒng)（包括采樣泵、濾膜、氣室、進出氣管路）、傳感器及信號處理單元（紅外傳感器、電化學傳感器）、主控電路板（微處理器、通訊接口、數(shù)據(jù)管理等）、LCD顯示屏、人機對話單元（組合功能鍵、指使燈板）、供電單元（直流穩(wěn)壓電源、電池組、穩(wěn)壓電路）以及時鐘輸入單元。 　　1.2系統(tǒng)檢測原理 　　系統(tǒng)檢測原理如圖2所示。 [align=center] 圖2系統(tǒng)檢測原理圖[/align] 　　紅外氣體傳感器和電化學傳感器分別對氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫和甲烷五種氣體進行檢測。其中，二氧化碳和甲烷采用紅外傳感器檢測，氧氣、一氧化碳、硫化氫由電化學傳感器檢測。被測氣體通過兩類傳感器時產(chǎn)生的信號經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，由微處理器AT89S51進行采集、計算、數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生濃度結(jié)果數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)結(jié)果進行超限比較，當被測氣體的濃度超過儀器設(shè)定的報警限時，儀器產(chǎn)生聲光報警，并在顯示屏上顯示報警狀態(tài)、故障狀態(tài)、時間參數(shù)等數(shù)據(jù)信息，同時保存數(shù)據(jù)結(jié)果。 　　在進氣過濾系統(tǒng)中，至少需要1個I/O端口來控制采樣泵的工作;在傳感器及信號處理單元，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路把傳感器產(chǎn)生的關(guān)于氣體濃度的有關(guān)信息轉(zhuǎn)化為單片機能識別的數(shù)字信號，選擇8路輸入的ADC0809芯片;在顯示模塊中，采用KS0713液晶顯示器，需要單片機提供3個I/O控制端口;時鐘的顯示系統(tǒng)采用DS12887芯片與單片機進行通訊，需要1個中斷輸入和1個I/O控制端口;由于系統(tǒng)要存儲至少500組測試信息，而且AT89S51單片機只有128KB的RAM，我們外擴8K的外部數(shù)據(jù)存儲器6264;由于系統(tǒng)可以設(shè)定報警的限值和變更時間，則需要5個鍵盤接口，來控制設(shè)置、上升、下降、右移和打印，用到5個I/O接口;由于AT89S51單片機接口有限，利用8255A對I/O接口進行擴展。 2 硬件電路設(shè)計 　　硬件電路主要包括：傳感器及信號處理部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、時鐘校準輸入部分、I/O擴展（鍵盤輸入、微型打印輸出）、液晶顯示系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)以及吸氣泵的控制。 　　2.1傳感器采樣電路設(shè)計 　　本文以測量CO的電化學傳感器采樣電路設(shè)計進行介紹。CO傳感器是由北京康派爾科貿(mào)發(fā)展公司生產(chǎn)的7E/F三電極電化學傳感器，該型傳感器輸出線性范圍寬，線性穩(wěn)定，額定輸出為0.1uA/ppm, 最小分辨率為0.5ppm,測量的最小范圍和最大范圍分別為0-20ppm和0-1000ppm。CO的測量范圍是0-150mg/m︿3,CO的最大測量范圍轉(zhuǎn)換為ppm是：Ymax=150/1.25=120（ppm） 　　轉(zhuǎn)換為傳感器輸出的最大電流為：Imax=0.1＊120=12（uA） 　　輸出的電流分辨率為：Ii=0.1＊0.5=0.05（uA） 　　由此可得出其檢測精度為：ε= 0.5ppm/120ppm＊100%=0.42% 　　2.2A/D及時鐘電路設(shè)計 　　采用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器芯片。 　　系統(tǒng)要對環(huán)境的氣體質(zhì)量進行檢測并記錄，記錄信息中各種氣體的濃度是一個關(guān)鍵的信息，在記錄數(shù)據(jù)的同時，必須保存有關(guān)時間的信息，以便用戶對數(shù)據(jù)進行分析并采取正確的應對措施。系統(tǒng)擴展了一片DS12887來為系統(tǒng)提供一個時間基準。 　　2.3顯示電路設(shè)計及I/O擴展 　　系統(tǒng)采用KS0713液晶顯示器。 　　KS0713液晶模塊具有24個指令控制字。通過寫入不同的控制字，設(shè)置液晶顯示器的初始條件以及各種運行條件，以實現(xiàn)液晶顯示器的運行狀態(tài)和運行模式。 　　I/O擴展采用8255A芯片。 　　利用I/O擴展芯片8255A，連接鍵盤和微型打印機。8255A設(shè)置為工作方式0，5個鍵盤輸入接PA0-PA4，作為輸入口;打印機的數(shù)據(jù)端口接至8255A的PB口，作為輸出口，打印機的狀態(tài)信號輸入給PC0，打印機忙時BUSY=1。打印機的數(shù)據(jù)輸入采用選通控制，將PC4接至打印機的STB端，當STB有負跳變時數(shù)據(jù)輸入。 　　2.4驅(qū)動電路設(shè)計 　　采用NPN型三極管進行驅(qū)動，當端口電壓為高時，負載的電壓能夠達到最大。系統(tǒng)中用到的抽氣泵性能十分的良好，它只需直流+5V便可以可靠的工作。對于發(fā)光二極管需要10-20mA的電流，其結(jié)型壓降和三極管的發(fā)射極壓降都為0.7V，則其分壓電阻的分壓值為3.6V，由此可得其阻值大概在180-360歐之間，本設(shè)計采用310歐的電阻做其分壓電阻。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　系統(tǒng)軟件采用模塊化方式編制，系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 主程序流程圖[/align] 　　鍵盤掃描子程序流程圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 鍵盤掃描子程序流程圖[/align] 　　AT89S51復位后運行其內(nèi)部程序，選擇第一種氣體的模擬通道并啟動A/D轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換結(jié)果送單片機，同樣方法依次啟動另四種氣體的轉(zhuǎn)換，由于每一次轉(zhuǎn)換至少需要100us的轉(zhuǎn)換時間，所以在下一種氣體的轉(zhuǎn)換過程中把上一種氣體的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與程序中設(shè)定的超限值進行比較，若超出其范圍則進行聲光報警，若在其范圍內(nèi)則等待下一組測量結(jié)果，最后一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后更新顯示器上的氣體濃度信息，再把5組測量數(shù)據(jù)連同其氣體種類及時間信息寫入外部數(shù)據(jù)存儲器中。 4.結(jié)束語 　　多參數(shù)氣體檢測儀的研制，解決了目前國內(nèi)只能檢測到單一氣體的問題，檢測精度小于±5%（滿量程）。在軟件設(shè)計中采取了自檢程序和數(shù)字濾波程序設(shè)計，使得檢測數(shù)據(jù)進一步優(yōu)化，增強了檢測儀的抗干擾的能力。質(zhì)量輕、維護、維修、攜帶方便，也可以在線固定點采樣監(jiān)測氣體濃度。 　　本文作者創(chuàng)新點：采用電化學原理多參數(shù)選擇組合的方法，能夠同時檢測氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和可燃氣體的濃度，解決了目前只能檢測到單一氣體的問題。根據(jù)不同的行業(yè)要求，不同的監(jiān)測點，對不同的檢測參數(shù)可以更換不同的傳感器來監(jiān)測不同種類的氣體，對不同氣體可以設(shè)定不同的監(jiān)測濃度和分辨率。 參考文獻 　　[1]林秀敏，陳捷.GM-1型智能多參數(shù)氣體檢測儀[J].江西煤炭科技，1999年第1期. 　　[2]潘小青，劉慶成.氣體傳感器及其發(fā)展[J].東華理工學院學報，Vol 27 No.1. 　　[3]FJF01型氣體質(zhì)量檢測儀使用說明書.防化研究院,2005. 　　[4]沙占友.智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004. 　　[5]劉長春,崔大付.電化學傳感器及其在芯片實驗室中的應用[J].傳感器技術(shù),2003,（7）. 　　[6]李月紅.紅外線遙控技術(shù)在單片機系統(tǒng)中的應用[J].江蘇技術(shù)師范學院學報,2005,（2）. 　　[7]高海生.單片機應用技術(shù)大全[M].西安：西南交通大學出版社，1996. 　　[8]何立明.單片機應用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996. 　　[9]張兢，路彥和，趙學斌.空氣傳感器TGS2600在空氣質(zhì)量監(jiān)測中的應用[J].微計算機信息，2006，7-1：201-203.