室内有害气体智能检测系统研发

泰山学院物理与电子工程学院 赵一元

室内有害气体智能检测系统研发

泰山学院物理与电子工程学院 赵一元

本文设计研究一套可以检测室内存在的有害气体，将检测的气体浓度展现给居民并且溶度超标时给出报警的系统装置。

有害气体；单片机；气体传感器；气体检测

现在房屋装修完成后由于各种原因难免会有有害气体残留，如甲醛、苯系物等，平时在生活中也可能会产生各种有害气体，如泄露的煤气等。这些有害气体严重影响身体健康甚至会危及生命。我们旨在研发一种室内气体监测报警系统，随时监测室内有害气体浓度，将检测结果显示出来，并且当有害气体浓度过高时会给出报警。

一、方案选择

本设计采用单片机作为控制核心，直接利用气敏传感器采集室内气体的溶度经过处理后直接传到单片机控制系统。单片机分析后，将信号送到显示屏上，并且当溶度超过设置值时蜂鸣器将发生报警。

在设计中，包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括数据收集部分、控制部分、显示部分以及报警装置；软件部分主要为用到单片机的程序编写。

二、硬件部分设计

1.市场调研

在设计初期，先对设计中用到的传感器、单片机、显示器进行市场调研，选择适当的器件型号。最终选择传感器型号为MQ138甲醛传感器及MQ2气敏传感器，其实物图如图1、图2所示：

图1　MQ138甲醛

图2　MQ2 模块

2.方案设计

为了实现室内有害气体的检测并且进行显示，该系统运用传感器进行数据收集，采集到的信息进行放大，保持之后，送到单片机中，生成可显示的数据信息，并运用液晶显示部分实现气体浓度的展示，运用报警部分实现气体浓度超标时给出警告的功能。

该检测系统是以单片机为核心的，整个系统包括控制模块、数据采集模块、显示和报警模块等。控制模块是即以单片机为主的控制部分。单片机作为控制器，主要负责将收集到的数据进行整合、处理，并且通过软件编程将数据编写成能够发送到显示模块的格式。数据采集模块的主要任务是通过传感器采集室内有害气体的浓度，将结果送至控制器。显示报警模块，顾名思义，就是将气体浓度等信息发送到显示屏，实现气体浓度实施监控。

（1）控制模块

控制模块包括AD转换器和单片机系统。由于传感器输出的为模拟信号，需经过模数转换为数字信号才能被单片机识别。系统采用ADC0832模数转换器。ADC0832模数转换器具有8位分辨率、双通道A/D转换、工作频率为250kHz、转换时间为32μs、一般功耗仅为15mw等优点，适合于本系统。

系统采用STC89C52作为主控核心，设计的单片机最小系统如图二，其中包括芯片、晶振电路和复位电路构成。其中晶振电路是在单片机的XTAL1和XTAL2拐角之间接石英晶体，使其构成自激振荡作为单片机的时钟；复位电路采用按键复位，由按键，电容和电阻组成，按下开关系统自动复位。

（2）数据采集模块

MQ138传感器是一种专用于检测甲醛浓度的半导体传感器，具有价格低廉、响应速度快、灵敏度高，性能稳定及外围驱动电路简单等优点。主要应用于家庭、环境的有害气体探测，适宜于醇类、醛类、芳族化合物等有机溶剂的探测。MQ138型气敏器件对不同的种类、不同的浓度的气体有不同的电阻值。

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

在本系统中甲醛传感器、MQ2传感器模块所检测的电流信号经电位器转换为电压信号，再经AD转换为单片机识别的数字信号。

（3）显示报警模块

显示报警模块主要由液晶显示屏和蜂鸣报警器组成。液晶显示部分采用蓝屏LCD12864显示屏。此显示屏具有汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字、128个字符及64X256点阵显示RAM，内置升压电路，可以采取串口活并口传输数据，具有光标显示、画面移位以及其他自定义功能，能较好的实验所需功能。

蜂鸣器采用IC贴片工艺组合而成的有源电磁式蜂鸣器，其性能稳定，耐高温，寿命长。在发声时声发音节奏长短可随设计要求，任意开发，其电压范围宽广，采取DC供电并且音量大小可随意控制，频率可任意选定。

三、软件部分设计

软件设计是结合硬件部分完成系统设计、实现系统功能的重要组成部分。本系统的软件部分即单片机处理数据并将相应数据发送到显示部分的编程设计。软件部分的设计与硬件部分应密切联系，根据硬件要求对软件部分程序的编写进行设计。充分运用编程所能带来的功效降低对硬件的要求，简化电路。在此系统中，要实现小体积、大功能的特点，软件部分承担着重要责任。因此采取具有比较大灵活性的可编程微控制器，实现所需功能。进行软件设计的步骤如下：

（1）对硬件的结构和可编程器件进行了解，以便选择最为恰当的编程方式。

（2）根据系统的功能要求进行软件设计的整体构思，选择编程所用语言。

（3）进行代码的编写，并且烧录到单片机中进行调试。

四、结语

本次设计实现了实时探测室内有害气体以及易燃易爆气体的浓度，当浓度超限时进行报警。设计中使用了低电压、小体积、高性能的微处理器STC89C52单片机作为控制核心，整个系统具有结构简单、运行速度快、能实现常态化检测的特点。除此之外，在系统设计过程中采取模块化的设计方式，使系统硬件的设计、调试变得简易，同时也方便了系统的升级。

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[4]马学童.室内空气品质监控系统的开发与研制[D].西北工业大学硕士论文,2002.20-34.

赵一元（1995—），男，大学本科，现就读于泰山学院物理与电子工程学院2013级物理学专业，研究方向：物理学。