基于AT89S52 的便携式智能室内环保监控仪设计

0 　引　言
文中以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景,介绍一种通用性很强的便携式智能室内环保监控仪。它
的核心是AT89S52 超低功耗单片机,实现对室内空气中有毒有害气体苯、甲醛、氨气浓度参数的采集处理、存储、显示、通信、报警和排气扇的控制等功能。文中详细阐述了监控仪及传感器的工作原理、硬件结构、软件流程等相关技术,并指出该仪器的特点和优势。

1 便携式室内环保监控仪的工作原理
便携式室内环保监控仪的工作原理如图1 所示。室内空气中有害气体甲醛、苯、氨分别通过传感器1 、传感器
2 、传感器3 输出一个与甲醛、苯、氨浓度相对应的电流信号,该信号通过多路转换器分时间段进行I/ V 转换,最后经过A/ D 转换电路将模拟信号转换为数字信号送入CPU[ 1 ] 。CPU 对采样值进行数字处理后驱动显示器分别
显示出被测室内空气中的甲醛、苯、氨的浓度值。若被测室内空气中甲醛、苯、氨的浓度超过国家标准或设定的危险值时报警电路发出声光报警信号,同时启动排风设备或接通光触媒灯管。当计算机控制系统需要改变A/ D 转换的采样时间时,只要发出相应信息,便携式室内环保监控仪即可将测量时间经串行口及通信电路进行更改。

2 硬件电路设计
为了满足用户的需要,能够进行简单便捷的操作,同时还要兼顾体积小、耗电少、精度高的要求,使系统具有抗
干扰能力强的特点。硬件电路设计中尽可能选用功耗小、性能稳定的集成电路。
2. 1 微控制器AT89S52
微控制器是便携式室内环保监控仪的核心,它完成监控仪的功能设定、测量对象的选择、信号处理存储、状态信
息的显示、数据通信、输出、显示、报警等功能。相对于AT89 系列单片机,选择通用性强、功耗小、性能良好的8位AT89S52 微处理器芯片。它与MCS - 51 兼容,具有8kB 的FLASH 存储空间、2kB 的E2 PROM、256 字节的片内RAM、两个16 位的定时器/ 计数器、可编程串口通讯、可编程看门狗定时器WDT、6 个中断源等特点,大大简化了电路的设计[ 2 ] 。

2. 2 传感器
2. 2. 1 传感器工作原理
传感器元件是准确检测甲醛、苯、氨气气体浓度的关键。定电位电解式传感器是一种湿式电化学气体传感器,它通过测定气体在某个确定电位电解时所产生的电流来测量气体浓度。传感器共有三个电极(活性电极、参考电极、计数电极) ,浸在液体电解液中,整体密封在一个防化学腐蚀的塑料壳体中,目标气体通过活性电极邻近的一个气体可渗透薄膜向传感器内部扩散。传感器的工作过程为:被测气体由进气孔扩散到工作电极表面,在工作电极、电解液、对电极之间进行氧化或还原反应。其反应的性质依据工作电极的热力学电位和被分析气体的电化学性质而定。传感器在氧化反应中,电化学反应中参加反应的电子流出工作电极;在还原反应中,电化学反应中参加反应的电子流向工作电极。流出和流向工作电极的电流与被分析气体的浓度值成正比[ 3 ] 。活性电极材料的选择原则是:该材料应对目标气体具有最优敏感性,而交叉敏感度则应降至最低。在活性电极和计数电极之间的电压要预先调整好,并由一个外部电压电路保持,其中参考电极作为电路的反馈控制。相对于选择性而言,由于每一种目标气体都有其各自独特的电解电压,因而传感器的响应可以得到进一步优化。传感器的输出是一个正比于气体浓度的线性电压差[ 4 ] 。最后与前置放大器匹配使用转换为4～20mA 的标准电流信号。

2. 2. 2 传感器的基本性能
传感器的基本性能指的是传感器的基本考核指标,它反映传感器的质量和性能,但其大多数性能指标要与前置放大器经过较好的匹配才能体现出来。其指标主要有:输出信号、电极电位、响应时间、响应线形度、测量重复性、抗干扰性、传感器期待寿命。可将上述特性指标分为静态和动态两大类 。静态特性是指传感器在被测量的各个值

2. 4 I/ V转换电路
由于传感器输出是标准的4～20mA 的电流信号,为了满足后续电路的需要采用两个运算放大器组成I/ V 转换电路,采用RCV420 集成芯片。同时有效地抑制了输入信号间的共模干扰和串模干扰。图3 是RCV420 与后继放大电路的原理图。

2. 5 　A/ D 转换电路
A/ D 转换电路采用AD 公司生产的AD574 芯片,它是快速型12 位逐次逼近式A/ D 转换器,无需外接元器件就可以独立完成A/ D 转换功能。转换时间15μs～35μs ,可以并行输出12 位,也可以分8 位和4 位两次输出。因此,大大简化了AD574 与CPU 接口电路,同时转换速度快,而且功耗小。
2. 6 通信电路
为了对所采集的数据进行进一步详尽的处理(如分析评估、打印存档、绘制曲线图表、根据外界环境修改报警设定值等) ,需要将数据从监控仪送到计算机。采用通用的MAX232 集成芯片与AT89S52 的RXD 和TXD 构成串行通讯口,它具有远距离、低功耗、高可靠性的调制解调芯片,使用该芯片编程容易、外围电路简单,通信距离可达15 米,远远大于其它常用通信芯片的距离,并且小信号传送稳定可靠,克服了模拟传送中小信号失真大的缺点,满足使用要求。