基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉艷芳

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境問題及健康問題日益重視，而在所有污染物中，SO2和NO2是導(dǎo)致空氣和人民生活質(zhì)量下降的原因之一，所以通過對(duì)這些模擬量的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是非常必要的。文章詳細(xì)的介紹了以AT89S51單片機(jī)為控制核心，RS-485串口通信，ADC0809轉(zhuǎn)換，LCD1602液晶顯示等外圍模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2和NO2實(shí)時(shí)采集處理、顯示、報(bào)警等功能。此設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到了測(cè)量SO2和NO2的目的，測(cè)量結(jié)果由液晶屏顯示出來，通過串口線可以和上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)也可以通過串口線對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，系統(tǒng)具有抗干擾性能和自我恢復(fù)能力。

關(guān)鍵詞：空氣污染；SO2和NO2；濃度；監(jiān)測(cè)

1 引言

1.1 研究的背景及意義

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 ，工業(yè)化和城市化突飛猛進(jìn)，環(huán)境問題日益嚴(yán)重。人類正面臨溫室效應(yīng)、酸雨和臭氧層遭到破壞三個(gè)方面大氣污染問題。這些問題表現(xiàn)在二氧化硫、二氧化氮以及總懸浮顆粒物濃度在大氣環(huán)境中嚴(yán)重超標(biāo)；還有機(jī)動(dòng)車尾氣污染物中的氮氧化物污染排放總量迅速增加；這些情況都導(dǎo)致一些重工業(yè)城市PM值達(dá)到2.5，人們的身體健康受到嚴(yán)重威脅嚴(yán)重的污染都對(duì)居住在城市里面的居民的健康造成了很大的傷害。而這樣污染日益嚴(yán)重的生活環(huán)境讓人們的生活越來越緊張。但是我們要明白，雖然我們都是大氣污染的受害者，但是大氣污染的制造者也是我們，所以環(huán)境治理和保護(hù)依然是我們當(dāng)今任務(wù)中的重中之重。

1.2 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀器的現(xiàn)狀

從九十年代起，全國(guó)各大城市注重環(huán)境監(jiān)測(cè)，建立空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，并逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)管理。雖然傳統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還普遍存在于我國(guó)各地區(qū)，但是隨著國(guó)內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜變化，但隨著監(jiān)測(cè)范圍的擴(kuò)大，數(shù)據(jù)采集量的增多，有些地區(qū)會(huì)出現(xiàn)各種問題。絕大多數(shù)的子監(jiān)測(cè)站點(diǎn)只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)的定時(shí)采集，而且遠(yuǎn)距離存在時(shí)間誤差，測(cè)量不準(zhǔn)確，無法實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制；還有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兼容性差，集成度低；數(shù)據(jù)格式多種多樣，多個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)并存，統(tǒng)一管理困難；采集到的數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確性和可靠性，不具有說服力。故從準(zhǔn)確度及可靠性上講，整個(gè)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的質(zhì)量控制實(shí)際上是沒有達(dá)到要求的。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

采用遠(yuǎn)程診斷的空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以隨時(shí)和定期監(jiān)測(cè)空氣中污染氣體濃度在單機(jī)中系統(tǒng)中采用了大量的傳感元件并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，對(duì)輸入微處理器的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行智能處理，提高了抗干擾能力和精度，并且上下位機(jī)不受距離的限制。通過單片機(jī)和個(gè)功能模塊的協(xié)調(diào)配合，完成各項(xiàng)任務(wù)指標(biāo)。系統(tǒng)還專門采用RS-485接口，這樣我們就可以在中心室與現(xiàn)場(chǎng)一樣了解單機(jī)的工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

單片機(jī)是系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的核心，利用其高效的其高效的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化。電源電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，以保證系統(tǒng)各個(gè)部分能處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。體傳感器電路分為NO2氣體檢測(cè)和SO2氣體檢測(cè)，分別測(cè)量大氣中NO2和SO2氣體含量的濃度。A/D轉(zhuǎn)換電路用于把傳感器檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接受的數(shù)字信號(hào)。顯示電路用于顯示監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)。用戶可以設(shè)定時(shí)間通過定時(shí)和隨機(jī)的的方式選擇對(duì)參數(shù)的查看。氣按鍵電路是簡(jiǎn)單的人機(jī)接口。RS-485串口經(jīng)過串口線用于單片機(jī)上位機(jī)進(jìn)行通訊。電路還有濃度報(bào)警裝置，上位機(jī)也可以通過串口來設(shè)定報(bào)警值。在進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作的過程中，以各模塊為單位，來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，將各個(gè)模塊有機(jī)的連接在一起，在與上位機(jī)連接，形成一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 功能設(shè)定

（1）用氣體傳感器來采集模擬信號(hào)。

（2）用A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

（3）當(dāng)監(jiān)測(cè)到測(cè)到污染氣體超標(biāo)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，發(fā)光二極管閃亮。

（4）在LCD顯示屏上顯示污染氣體濃度值監(jiān)測(cè)值以及是否超標(biāo)。

（5）按鍵操作可進(jìn)行測(cè)量值范圍的調(diào)整，及手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)量的轉(zhuǎn)換。

2.3 各模塊設(shè)計(jì)方案

2.3.1數(shù)據(jù)采集電路

大氣中SO2的測(cè)量選用型號(hào)為SO2/C-100二氧化硫傳感器和NE-NO2傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作。兩者都是采電化學(xué)傳感器，相對(duì)于其他傳感器，它們具有更好的穩(wěn)定性，重復(fù)再現(xiàn)性，耐用性和可靠性，快速反應(yīng)和高靈敏度良好選擇性，線性輸出和良好的穩(wěn)定性。最重要一點(diǎn)是性價(jià)比合理，適用于廣泛應(yīng)用。

數(shù)據(jù)采集電路方案具有很大優(yōu)勢(shì)，電路簡(jiǎn)單，成本低，能夠滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求，

2.3.2串口通信設(shè)計(jì)

該模塊實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)，將采集的信號(hào)送到CPU進(jìn)行相應(yīng)處理。

采用RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)不受距離限制，RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率高，最大傳輸距離遠(yuǎn)，抗共模干能力增強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。采用RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)傳輸，可以滿足要求。

2.3.3顯示模塊

該模塊用于顯示接收到的氣體濃度值和讀取單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)間數(shù)據(jù)。

采用LCD液晶顯示。點(diǎn)陣字符型LCD可顯示字母、數(shù)字、符號(hào)，其驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小，畫面效果好，抗干擾強(qiáng)、可靠性高、顯示信息量大且生產(chǎn)過程自動(dòng)化、成本低廉、可以制成各種規(guī)格和類型的液晶顯示器，便于攜帶等。

3 結(jié)論

在查閱了有關(guān)文獻(xiàn)，調(diào)查空氣污染現(xiàn)狀，然后了解單片機(jī)，傳感器，A＼D轉(zhuǎn)換器的基本知識(shí)等等。設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心電化學(xué)傳感器測(cè)量二氧化硫濃度的系統(tǒng)方案，其功能包括二氧化硫和二氧化氮濃度的測(cè)量，模數(shù)轉(zhuǎn)換，報(bào)警，串口通信，LCD顯示。本設(shè)計(jì)中幾個(gè)有特色的地方：

（1）采用單片機(jī)。在當(dāng)今社會(huì)中，單片機(jī)使用的非常廣泛，它有著別的無法取代的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)算速度快，體積小，性價(jià)比高，保護(hù)性強(qiáng)，而且編程比較簡(jiǎn)單，比較適合人們?cè)谌粘Ｉ钪械氖褂谩?/p>

（2）采用RS-485通信。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率高，最大傳輸距離遠(yuǎn)，抗共模干能力增強(qiáng)，即可以實(shí)現(xiàn)近距離傳輸，也可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。

這次設(shè)計(jì)不僅要了解該設(shè)計(jì)的工作原理、功能以及模塊作用等，還要根據(jù)各種因素選擇各模塊方案，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。 在設(shè)計(jì)方案的同時(shí)，也時(shí)刻提醒人們，喚起人們的危機(jī)意識(shí)，呼喚人們行動(dòng)起來，共同保護(hù)我們的家園，從這個(gè)角度來說，只有真正讓廣大群眾行動(dòng)起來，才能使環(huán)境徹底的改變，光靠政府的政策是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這次研究的有著重大的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]李秀芬，高俊杰. 單片機(jī)布線系統(tǒng)的研制.2000：161～227

[2]徐惠民，安德寧.單片微型計(jì)算機(jī)原理接口及應(yīng)用[M].北京郵電大學(xué)出版社

[3]李剛.生物電子學(xué)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009：120～150

[4]楊旭.環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)計(jì)量，2011，23（3）：29～31