利用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多氣體檢測(cè)的系統(tǒng)方案

氣體傳感器是一種能將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)的裝置。根據(jù)這些電氣信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警。因此由氣體傳感器與模式識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成的智能化氣味識(shí)別儀器有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、安全檢查等，越來越受到廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)大多采用單氣體檢測(cè)方式， 即每測(cè)量一種氣體需要一種測(cè)量?jī)x表。用一種儀器能夠進(jìn)行多種氣體的檢測(cè)和識(shí)別是氣體檢測(cè)儀的發(fā)展趨勢(shì)，而本設(shè)計(jì)采用酒精傳感器、甲烷傳感器、一氧化碳傳感器等多種氣體傳感器組成傳感器陣列，通過傳感器陣列能把氣體中的特定成分檢測(cè)出來，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后采用ADC0809 將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，運(yùn)用AT89C51 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，并通過LED 顯示氣體種類和濃度信息，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種氣體的定性識(shí)別和檢測(cè)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件電路由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示和報(bào)警等部分組成，涉及的芯片有AD0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、AT89C51單片機(jī)、SUN7474頻率發(fā)生器以及一些氣體傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、復(fù)位電路和LED 顯示模塊。系統(tǒng)的功能框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1.1 氣體傳感器陣列

氣體傳感器陣列是電子嗅覺系統(tǒng)的關(guān)鍵組成單元，相當(dāng)于初級(jí)嗅覺神經(jīng)元，由具有廣譜響應(yīng)特性、交叉靈敏度較大、對(duì)不同氣味/氣體有不同靈敏度的氣敏元件組成。

氣體傳感器是組成氣體傳感器陣列的核心器件。氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測(cè)出來，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件。通常，氣體傳感器陣列可以采用數(shù)個(gè)單獨(dú)的氣體傳感器組合而成，并采用集成工藝制作，體積小，功耗低，便于信號(hào)的集中采集與處理。單個(gè)氣體傳感器與傳敏陣列在特性上有質(zhì)的區(qū)別，單個(gè)氣體傳感器對(duì)氣味/ 氣體的響應(yīng)可用強(qiáng)度來表示，而氣敏傳感器陣列除了各個(gè)傳感器的響應(yīng)外，在全部傳感器組成的多維空間中形成響應(yīng)模式，在環(huán)境條件一定的情況下，陣列上的響應(yīng)模式與其激勵(lì)是一一對(duì)應(yīng)的，而這正是該系統(tǒng)能對(duì)多種氣味和氣體進(jìn)行辨識(shí)的關(guān)鍵所在。

本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)酒精、甲烷、一氧化碳?xì)怏w的定性和定量分析，首先最重要的工作是選擇合適的傳感器，通過對(duì)性能、可實(shí)現(xiàn)性、價(jià)格等的對(duì)比，針對(duì)酒精氣體，選擇的是MQ-303A酒精傳感器，針對(duì)甲烷氣體，采用的是MQ-4 半導(dǎo)體氣體傳感器，針對(duì)一氧化碳?xì)怏w，選擇的是V-40 一氧化碳傳感器，由這三種傳感器組成傳感器陣列。

該設(shè)計(jì)通過氣體傳感器陣列采集氣體信息，并將采集到的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后送到ADC0809 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.2 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

由氣體傳感器陣列輸出的微弱電信號(hào)，經(jīng)各自信號(hào)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，使其轉(zhuǎn)換為O ~5V 范圍內(nèi)變化的直流信號(hào)，送到A/D 轉(zhuǎn)換電路變換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。

為了方便與89C51 單片機(jī)的連接，本系統(tǒng)選用ADC0809芯片對(duì)采集到的氣體信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其分辨率為8 位，不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整，且具有高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，8個(gè)通道的多路開關(guān)可直接存取8 個(gè)單端模擬信號(hào)中的一個(gè)。利用單片機(jī)寫啟動(dòng)A / D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)束后再由ADC0809 向89C51 發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，CPU 響應(yīng)中斷請(qǐng)求。通過對(duì)譯碼器的讀操作，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并送到被測(cè)量的相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)。再重新選擇被測(cè)量，并再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后中斷返回。ADC0809與單片機(jī)89C51 連線線路如圖2 所示。

圖2 ADC0809 與89C51 的連線線路

微處理器采用的是AT89C51 芯片。

89C51 單片機(jī)是ATMEL、PHILIPS和SST等公司生產(chǎn)的與80C51 兼容的低功耗、高性能8 位單片機(jī)，具有比8031 更豐富的硬件資源，特別是其內(nèi)部增加的閃速可電改寫的存儲(chǔ)器Flash ROM給單片機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用帶來了很大的方便，且芯片價(jià)格非常便宜。在該系統(tǒng)中89C51 主要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按各種氣體濃度的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出其濃度，由數(shù)碼管顯示其相應(yīng)的氣體種類及濃度值，當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。

該系統(tǒng)還采用了分頻器SUN7474.分頻器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行2的n次方分之一的分頻，例如把32768HZ 的脈沖信號(hào)變成1HZ的秒信號(hào)。通常利用T觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，每來一個(gè)脈沖后觸發(fā)器狀態(tài)改變一次，經(jīng)過n個(gè)T觸發(fā)器處理后就可以得到2的n次方分之一的分頻信號(hào)。89C51接12MHZ晶振，經(jīng)ALE端后輸出到分頻器為2MHZ,分頻器進(jìn)行分頻后為ADC0809 提供所需的工作時(shí)鐘。

1.3 顯示電路

在該設(shè)計(jì)中，LED 顯示器的顯示方法采用動(dòng)態(tài)顯示。LED 動(dòng)態(tài)顯示的基本做法在于分時(shí)輪流選通數(shù)碼管的公共端，使得各數(shù)碼管輪流導(dǎo)通，在選通相應(yīng)LED后，即在顯示字段上得到顯示字形碼。這種方式不但能提高數(shù)碼管的發(fā)光效率，并且由于各個(gè)數(shù)碼管的字段線是并聯(lián)使用的，從而大大簡(jiǎn)化了硬件線路。本設(shè)計(jì)中處理結(jié)果采用4位LED顯示，首位顯示氣體類別，后3 位顯示氣體濃度。逐位輪流點(diǎn)亮各個(gè)LED,每一位保持1ms,在10~20ms 之內(nèi)再一次點(diǎn)亮，重復(fù)不止。這樣利用人的視覺停留，好像4 位LED 同時(shí)點(diǎn)亮一樣。

綜上可得，基于單片機(jī)的多氣體檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示電路如圖3。

圖3 多氣體檢測(cè)系統(tǒng)電路

2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示和報(bào)警幾個(gè)模塊組成。

主程序流程圖為圖4。

圖4 主程序流程圖

AD0809 部分程序流程圖為圖5。

圖5 AD0809 部分程序流程圖

顯示子程序流程圖如圖6。

圖6 顯示子程序流程圖

結(jié)語

本文介紹了進(jìn)行多氣體分析的電子嗅覺系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中采用多傳感器組成傳感器陣列，可針對(duì)多種不同氣體進(jìn)行信息采集、信息轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，最后顯示氣體種類和濃度信息，為多種氣體的檢測(cè)提供了一種切實(shí)可行的解決方案。