单片机实现多气体检测系统

本设计采用酒精传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器等多种气体传感器组成传感器阵列，通过传感器阵列能把气体中的特定成分检测出来，并将其转化为电信号，然后采用ADC0809 将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，运用AT89C51 进行数据处理和计算，并通过LED 显示气体种类和浓度信息，实现了对多种气体的识别和检测。

1 硬件电路设计

本设计硬件电路由数据采集、数据转换、数据处理、结果显示和报警等部分组成，涉及的芯片有AD0809 模数转换芯片、AT89C51单片机、SUN7474频率发生器以及一些气体传感器、驱动电路、复位电路和LED 显示模块。系统的功能框图如图1 所示。

图1 系统功能框图

1.1 气体传感器阵列

气体传感器阵列是电子嗅觉系统的关键组成单元，相当于初级嗅觉神经元，由具有广谱响应特性、交叉灵敏度较大、对不同气味/气体有不同灵敏度的气敏元件组成。

气体传感器是组成气体传感器阵列的核心器件。气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来，并将其转化为电信号的器件。通常，气体传感器阵列可以采用数个单独的气体传感器组合而成，并采用集成工艺制作，体积小，功耗低，便于信号的集中采集与处理。单个气体传感器与传敏阵列在特性上有质的区别，单个气体传感器对气味/ 气体的响应可用强度来表示，而气敏传感器阵列除了各个传感器的响应外，在全部传感器组成的多维空间中形成响应模式，在环境条件一定的情况下，阵列上的响应模式与其激励是一一对应的，而这正是该系统能对多种气味和气体进行辨识的关键所在。

本设计要求实现对酒精、甲烷、一氧化碳气体的定性和定量分析，首先重要的工作是选择合适的传感器，通过对性能、可实现性、价格等的对比，针对酒精气体，选择的是MQ-303A酒精传感器，针对甲烷气体，采用的是MQ-4 半导体气体传感器，针对一氧化碳气体，选择的是V-40 一氧化碳传感器，由这三种传感器组成传感器阵列。

该设计通过气体传感器阵列采集气体信息，并将采集到的信息转化为电信号，然后送到ADC0809 进行模数转换。

1.2 数据采集和数据处理系统

由气体传感器阵列输出的微弱电信号，经各自信号放大电路对信号进行预处理，使其转换为O ~5V 范围内变化的直流信号，送到A/D 转换电路变换为数字信号，对其进行数据采集处理。

为了方便与89C51 单片机的连接，本系统选用ADC0809芯片对采集到的气体信息进行模数转换。其分辨率为8 位，不必进行零点和满度调整，且具有高阻抗斩波稳定比较器，8个通道的多路开关可直接存取8 个单端模拟信号中的一个。利用单片机写启动A / D 转换器，转换结束后再由ADC0809 向89C51 发出中断请求信号，CPU 响应中断请求。通过对译码器的读操作，读取转换结果并送到被测量的相应存储区。再重新选择被测量，并再次启动A/D转换后中断返回。ADC0809与单片机89C51 连线线路如图2 所示。

图2 ADC0809 与89C51 的连线线路

微处理器采用的是AT89C51 芯片。

89C51 单片机是ATMEL、PHILIPS和SST等公司生产的与80C51 兼容的低功耗、高性能8 位单片机，具有比8031 更丰富的硬件资源，特别是其内部增加的闪速可电改写的存储器Flash ROM给单片机的开发及应用带来了很大的方便，且芯片价格非常便宜。在该系统中89C51 主要对采集数据进行处理，按各种气体浓度的数学模型计算出其浓度，由数码管显示其相应的气体种类及浓度值，当浓度超标时，进行报警。

该系统还采用了分频器SUN7474.分频器对脉冲信号进行2的n次方分之一的分频，例如把32768HZ 的脉冲信号变成1HZ的秒信号。通常利用T触发器实现，每来一个脉冲后触发器状态改变一次，经过n个T触发器处理后就可以得到2的n次方分之一的分频信号。89C51接12MHZ晶振，经ALE端后输出到分频器为2MHZ,分频器进行分频后为ADC0809 提供所需的工作时钟。

1.3 显示电路

在该设计中，LED 显示器的显示方法采用动态显示。LED 动态显示的基本做法在于分时轮流选通数码管的公共端，使得各数码管轮流导通，在选通相应LED后，即在显示字段上得到显示字形码。这种方式不但能提高数码管的发光效率，并且由于各个数码管的字段线是并联使用的，从而大大简化了硬件线路。本设计中处理结果采用4位LED显示，首位显示气体类别，后3 位显示气体浓度。逐位轮流点亮各个LED,每一位保持1ms,在10~20ms 之内再一次点亮，重复不止。这样利用人的视觉停留，好像4 位LED 同时点亮一样。

综上可得，基于单片机的多气体检测系统的数据采集、数据处理及结果显示电路如图3。

图3 多气体检测系统电路

2 软件设计

本设计由数据采集、数据转换、数据处理、显示和报警几个模块组成。

主程序流程图为图4。

图4 主程序流程图

AD0809 部分程序流程图为图5。

图5 AD0809 部分程序流程图

显示子程序流程图如图6。

图6 显示子程序流程图

结语

在本设计中采用多传感器组成传感器阵列，可针对多种不同气体进行信息采集、信息转换和数据处理，后显示气体种类和浓度信息，为多种气体的检测提供了一种切实可行的解决方案。