基于单片机的空气污染指数检测系统的研究 |
一、基于气敏传感器的空气污染指数检测显示系统的总体设计
本系统的硬件结构一般有由进气模块、传感器阵列模块、信号采集模块、单片机处理器模块和LCD显示控制模块组成，具体构成如图1所示。
图1系统总体设计原理框图
1.进气模块
进气装置主要解决的问题是，如何将被测的气体引入检测系统中的装有传感器阵列的气泵中，在进气的过程中，涉及到气体的净化装置的设计，最重要的是对进气装置流量的控制问题。在本系统中选用气泵的型号为sa751.5，进气流量为1.5L/min。需要对气体中夹杂的水分，通过由活性炭构成的净化装置过滤隔除掉。进气装置流量的控制能对系统的检测效果产生很大的影响。因此，气泵的流量的大小选择至关重要，影响整个系统的实时性，在此系统中，要求气体在一分钟内完成采样，所以选择1.5L/min流量的气泵。经过测试，具有可靠的实时性和稳定性。
2.传感器
传感器是一种信号检测器件，分别采用三种不同的传感器对SO2，氮氧化物和悬浮颗粒物的浓度进行检测。
3.信号与数字处理电路
信号处理电路将输出的传感器检测到的信号，放大处理后输送到下一级。
数字处理电路是将信号处理电路输出的模拟量转换成有效的数字信号。
4.微处理器
微处理器是将数字处理电路输出的数字信号与标准信号进行对比处理，并输送给显示器和报警系统。
5.显示器
显示器是将微处理器输出的结果进行显示。
6.报警器
报警器是当检测到的污染指数数值达到或超过设定值时就发出报警提示的一种设备。
二、硬件单元设计
1.气敏式传感器的原理与器件选择
气敏传感器按照不同的工作原理可以分为半导体式，催化燃烧式，热传导式以及电化学反应式。不同的传感器由于其结构和工作原理的不同，导致它们有着各自不同的优缺点。半导体气敏传感器件是利用处于被测气体的环境中时，半导体的电阻率或伏安特性随着气体浓度的变换而变化的特性制成的。
半导体气敏传感器的优点：一般对可燃气体比较敏感，选择性相对比较好，不需要经常维护，使用寿命也比较长（可以达到10年）。
半导体气敏传感器的缺点：定量测量的准确度还有待提高，并且测量的精确度很容易受温度影响，测量的线性范围较窄、稳定性比较差、抗干扰能力较弱。
综上所述，半导体气敏传感器适合在气体环境相对稳定，气体浓度变换不大的条件下使用，在低浓度气体环境中输出响应变化比较大，在较高浓度时容易达到饱和，比较适用于民用气体的检测要求。
2.信号与数字处理电路
检测电路输出的微弱电信号达不到所要求的电平，不能直接被利用，必须经放大、补偿等措施进行处理，将来自传感器的信号进行精密放大，抑制共模成分，提高信号质量。信号放大电路是传感器信号调理电路。采用的器件为运算放大器，选择放大器应考虑精度、速度、幅度及共模抑制等要求。
数字处理电路的作用主要是将检测电路输出的模拟信号应用模数转换器变成有效的数字信号。系统选用MAXIM公司的MAX 1270作为模数转换芯片。由于SPI的接收寄存器只有8位，而MAX1270转换结果是12位，因此不能直接用SPI模块完成数据的发送和接收，而通过模仿SPI通信协议用I/O接口模拟的方式实现串行通信。系统选用I/O接口GPE11为SPI总线的MISO信号口，接收MAX1270转换后的数据;I/O接口GPE 12为MOSI信号口，向MAX1270发送控制字;I/O接口GPE13为CLK信号口，向MAX1270发送时钟信号;I/O接口GPF1连接MAX1270的/CS引脚，用来控制MAX1270工作;I/O接口GPG7连接MAX1270的/SSTRB引脚，用来通知S3C2410接收数据。
3.显示、存储与报警
LJD128X644液晶显示模块是128x64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵），128个字符（8X16点阵）及4X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。
报警电路分为蜂鸣器报警电路和LED发光报警电路组成。当输入端P1.0为低电平时，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发出声音报警，而当输入端为高电平时不报警。当输入端P1.1为低电平时，LED点亮报警，反之输人端P1.1为高电平则不报警。
三、软件设计
软件部分的设计要根据空气污染指数检测报警系统的信号处理流程来进行，空气污染指数检测报警系统电路中信号的处理流程为：污染指数检测要求有及时数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。根据这一要求，污染指数检测报警系统的信息测量与处理分三个阶段：
（1）在微处理器的控制下，经传感器转换的电压信号通过输入电路送A/D转换器处理，变为相应的数字量，存入到数据存储器中。
（2）微处理器对采集的测量数据进行必要的数据处理，如特性补偿、数字滤波、标度变换等。
（3）显示处理结果，把数据信号处理为显示及记录所要求的信号格式，通过输出接口电路输出并显示与记录。
四、结论
本文研究的是基于气敏传感器对空气污染指数进行检测、显示和报警，通过理论分析，实验验证，该项目达到了原来设计的技术指标，且具有结构简单、灵敏度高、适用性强等一些列优点，体积较小，使用方便，且测量精度高，具有较好的应用推广价值。
参考文献：
[1]贾建 李建平 高晓光 何秀丽;气体传感器阵列智能测试系统[J];《仪表技术与传感器》2004年 第3期;
[2]刘涛;吕颖坚; 城市空气监测数据与空气污染指数的相关性分析[J];华南预防医学;2004年06期;
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