基于AT89S52的大氣監(jiān)測儀的設計

摘 要：設計了一款以AT89S52單片機為核心，利用電化學SO2傳感器3STF CiTipeL，將數據經傳感器采樣，AD量化，單片機處理后傳至LCD顯示，并利用按鍵設置報警值，在超過報警值時可通過點亮發(fā)光LED發(fā)出警報。該設計精確實現(xiàn)了大氣環(huán)境實時監(jiān)測，可廣泛運用于工作及生活環(huán)境大氣監(jiān)測。

關鍵詞：單片機；傳感器；大氣監(jiān)測；AD采樣；外設控制

1 概述

我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，能源消耗總量中原煤占的比例高達70%左右。其主要排放物為SO2，因SO2排放造成的空氣污染也日益加重。我國硫酸型酸雨在西南地區(qū)覆蓋面積廣，對土壤和植物都產生了生態(tài)損害；且據多項實驗表明，大氣中SO2濃度超標會產生對人類眼和呼吸道的強烈刺激作用，極大的威脅人類健康。國內標準的傳統(tǒng)監(jiān)測方法主要為分光光度法，該方法采用取樣后處理的方法，操作復雜，不具有實時性。針對以上問題，本文基于AT89S52單片機設計了一款SO2濃度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用電化學傳感器采集數據，通過A/D轉換器進行處理后，將數據在LCD上實時顯示，通過按鍵設備人為設定報警值，超過該值后通過點亮發(fā)光二極管發(fā)出警報。本檢測儀結果可靠性高，可廣泛運用在生活及工作環(huán)境。

2 系統(tǒng)方案設計

本檢測系統(tǒng)將SO2濃度通過電化學傳感器將信息采集后，發(fā)送到單片機進行處理，再發(fā)送至LCD顯示，當超出按鍵設置的報警值時，發(fā)光二極管亮起報警提醒外界操作處理。

本系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心，檢測儀結構硬件設計框圖如圖1所示：

3 硬件設計

3.1 傳感器的檢測原理

傳感器采用電化學原理。設計中選用3STF CiTipeL電化學傳感器來檢測SO2濃度，該傳感器由三個電極構成，分別為：工作電極、參比電極、對電極。

發(fā)生在3STF CiTipeL傳感器的電極總反應為：

2SO2+O2+2H2O=2H2SO4

以上為反應機理，通過轉移電子而形成可供監(jiān)測的電流，且該電流值與當當前SO2濃度呈正相關關系，由此可通過計算測得得濃度。通過I/F轉換電路實現(xiàn)電流到電壓的轉換。

3.2 A/D轉換器

由于該電化學化學傳感器輸出的是電流信號，為了實現(xiàn)監(jiān)測信號與單片機之間的接口，必須使用A/D轉換器將電流信號轉變?yōu)閿底中盘枴１驹O計采用美國MAXIM公司的MAX197。MAX197是一種多量程、高精度的高速A/D轉換芯片，它只需+5V電源供電，輸入電壓范圍可由使用者靈活選擇，且具有良好的性價比。MAX197引腳功能如圖2。

3.3 中央控制單元AT89S52單片機

本設計要求系統(tǒng)達到低能耗、高性能、成本低、靈活高效等優(yōu)點，所以系統(tǒng)采用Atmel公司AT89S52單片機作為系統(tǒng)CPU，該單片機與MCS-51兼容，具有8k字節(jié)（Byte）Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器/計數器，1個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。AT89S52單片機引腳圖如圖3，其中P0腳接8位AD量化輸出。

通過AT89C52的P0.0～P0.7與MAX197的D0～D7相連，既用于輸入MAX197的初始化控制字，也用于讀取轉換結果數據。用AT89C52單片機的P2.7作片選信號（低電平有效），則MAX197的高位地址為7FH（01111111）。AT89C52單片機的P1.1腳用做判讀高、低位數據的選擇線，直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳可與AT89C52的INT0相連，以便實現(xiàn)中斷，讀取轉換結果。

3.4 鍵盤電路

鍵盤是智能儀器中重要的人機交流接口，本設計中鍵盤是用來輸入預定的濃度范圍，以達到人為根據環(huán)境設定SO2報警濃度值的目的。本系統(tǒng)設計了三個按鍵，分別為+鍵、-鍵、向下一位移動光標鍵，來完成對參數的調整。鍵盤電路為獨立按鍵式，初始時顯示為00.0ppm，利用移動光標鍵選擇設置的位置，+鍵及-鍵可讓選中位置數字由0到9依次變化。

3.5 顯示電路

本設計濃度顯示部分采用液晶顯示器12864，以ppm為單位實時顯示SO2濃度，報警值參數設定時模塊采用8段共陽極數碼管7SEG-MPX4-CA，可顯示設定值，通過單片機的功能引腳可控制液晶顯示指令。12864接口如圖4。

3.6 發(fā)光二極管報警

發(fā)光二極管用于提醒外界環(huán)境SO2濃度超過設定值，提示信號為一個單一發(fā)光二極管亮起，其電路簡單、成本低，但仍可以很好的實現(xiàn)提示報警的功能。發(fā)光二極管與單片機P1.0引腳相連，通過外部上拉電阻控制電平的高低，點亮或關掉二極管。（如圖5）

4 軟件設計

主程序軟件流程設計如圖6。

在主流程中，對采樣點進行了實時監(jiān)測，采樣點的空氣質量變化會被實時更新，并由顯示程序顯示出來動態(tài)值，LED燈也會在濃度變化后做出及時的反應。

其中，數據處理子程序的軟件流程設計如圖7所示。

數據處理子程序對采樣到的數據進行了去抖，防止采樣點附近突然的大氣擾動影響了測試的準確性。

參考文獻

[1]席 .基于AT89S52單片機的照度模糊控制器的設計[J].南京信息工程大學學報，2009，1（4）：319-322.

[2]程耀瑜.高速12位模數轉換器AD7892及其在圖像采集中的應用[J].電子設計工程，2000（9）：22-24.

[3]曾崢，吳新淮.基于AT89S52單片機的水溫控制系統(tǒng)設計[J].科技廣場，2011（3）：157-159.

[4]李和平.基于AT89S52的礦井溫濕度智能控制系統(tǒng)設計[J].吉首大學學報：自然科學版，2010，31（1）.

[5]李寧，李剛.12位并行輸出AD轉換器AD7492[J].電子設計工程，2001（4）：39-40.

[6]楊丙聰，許忠仁，劉曉峰.基于AT89S52單片機的智能溫度控制器的設計[J].測控技術，2007，26（10）：30-33.