远程实时空气自动监测系统设计.doc

摘 要城市空气质量是作为城市环境的重要指标之一，将直接影响到城市居民的健康甚至出行。近年来，由于城市空气污染日益加重，所以应该对城市空气的质量进行全天候实时的监测。本文设计了一种基于AT89S52单片机的低成本远程空气监测系统。系统可对城市各个区域的大气温度、湿度、气压、风速和CO，SO2气体浓度进行监测。传感器输出的信号通过电流电压转换和运算放大器的放大之后，送入14位高精度A/D转换芯片MAX1148。测量的数据由单片机处理之后，可以通过DM12864LCD液晶进行显示，可以通过电机驱动芯片L298N来控制电机的正反转，从而控制集气瓶的开关来收集空气。由于单片机本身I/O口有限，通过扩展一个具有I2C总线功能的PCF8574芯片实现I/O口的扩展，扩展后可以用键盘设定时间，单片机通过以太网控制器ENC28J60可以远程和终端的计算机进行通信，以实现对城市空气质量的实时监测。同时，当网络中断或者拥挤的时候，系统监测到的数据可以临时存储在PCF8570储存芯片内。本系统可以灵活地部署在以太网络的各个区域，形成完备的监测网络，实现了对空气中各个重要指标的监测。关键词：空气质量；实时监测；以太网；远程通信AbstractCity air quality is as one of the important indicators of environment in the city, will directly affect the health of the residents and even travel city.This paper describes the design of a low cost remote monitoring system based on AT89S52 single chip microcomputer. The system can be in all regions of the city atmospheric temperature, humidity, air pressure, wind speed and CO, SO2 gas concentration monitoring. The sensor output signal by amplifying current and voltage conversion and operational amplifier, into 14 bits high precision A/D conversion chip MAX1148. The measured data is processed by the single chip computer, can be displayed through the DM12864LCD LCD, can reverse to control the motor through the motor drive chip L298N, switch to control the gas collecting bottle to collect air. As the microcontroller itself I/O Export Co., through the implementation of extended I/O expansion with a I2C bus function of PCF8574 chip, after expansion can set the time using the keyboard, MCU through the Ethernet controller ENC28J60 can communicate with the remote terminal computer, in order to realize the real-time monitoring of the city air quality. At the same time, when the network interruption or congestion, system monitoring data can be temporarily stored in the PCF8570 storage chip.This system can be flexibly deployed in each area Ethernet network, forming a complete monitoring network. The monitoring of the important index in the air.Keywords：Airquality;real-time monitoring;Ethernet;remote communication目 录第1章 绪论11.1 研究空气质量监测的背景及意义11.2 国内外空气质量监测系统的研究状况21.3 本文研究内容5第2章 系统方案论证62.1 系统设计要求及参数指标62.2 总体方案选择6第3章 系统硬件电路设计93.1 单片机外围电路93.2 风速监测电路113.3 CO监测调理电路123.4 大气压监测调理电路143.5 湿度监测调理电路153.6 SO2监测调理电路173.7 AD转换电路193.8 温度监测电路203.9 外部数据存储电路213.10 按键电路223.11 时钟芯片电路233.12 LCD显示电路243.13 单片机接口扩展电路253.14 电机正反转控制电路263.15 以太网接口电路283.16 电源电路30第4章 系统软件设计314.1 系统主程序314.2 初始化子程序324.3 读取时间子程序324.4 温度检测子程序334.5 A/D转换子程序344.6 显示子程序354.7 通讯子程序374.8 电机控制子程序38第5章 毕业设计总结405.1 本文主要研究工作405.2 后续研究工作展望40参考文献42致谢44附录 电路图45附录 系统程序48附录 外文文献5969第1章 绪论1.1 研究空气质量监测的背景及意义人们的生活水平越来越高，对环境的关注也越来越多。而空气质量的指标是一个重要的因素。现在，地球上有将近七十亿的人口，其中，一半的都是城市人口。由于工业发展开始以后，城市人口，规模在不断地扩大，工业发展速度也呈现快速发展的趋势。特别是工厂的兴建和机动车辆快速发展。所以这导致了城市空气污染的日益加重。每天在城市里面的汽车排放出的尾气，城市边缘工厂排放出的工业废气和其它方面的污染源排放的污染的空气，这些都对居住在城市里面的居民的健康造成了很大的伤害。为了保障人们呼吸新鲜空气，就必须加强空气质量监测的系统建设。随着中国经济的快速发展，城市空气的污染状况还会进一步地加剧。如果现在不能有效的控制空气污染，这将会对居民的健康和生存起到不可逆转的威胁。根据网上数据，中国现在至少有2.8亿城市居民在呼吸着被污染的空气。但让人欣慰的是，政府现在已经认识到被污染的空气对民众健康的威胁。所以也采取了很多措施来检测，控制被污染的空气。就城市而言，因为每天道路上拥堵的车流量，所以，汽车排放的尾气主要集中在十字路口和每条道路的分岔口。还有化工厂、炼油厂、发电站等工业园集中的地区，它们所排放的废弃烟雾和有毒物质，会随着空气的流动，飘到居民居住区。这些都是空气污染比较集中的地方，所以应该具体检测和监控，并加以控制。在采取所有有效的控制措施前，对污染空气的检测是最为重要的。因为只有知道了污染空气的成分，才能对污染空气做好有效的控制。按照国家环保总局的规定，目前城市发布的空气质量报告，主要是一氧化硫、氮氧化物、总悬浮颗粒物这三种污染物质的质量指数和相应的空气质量级别，并作空气质量状况的说明和人体健康影响程度描述。大气污染监测是环境保护工作者获得关于空气质量的第一首途径。他可以侦查有害物质的来源、分布、数量、动向等规律。为改善环境、保护人民健康提供资料。大气污染检测一般可以分为三类。（1）对污染源的检测，如工厂的烟囱，汽车尾气排出口的检测。目的是为了了解这些污染源所排出的有害物质是不是达到了国家的排放标准规定，并分析它对大气污染的影响。以便加以从源头上对污染源进行控制。当通过了长时间的定期检测，数据积累后，可以为修订排放标准提供科学依据。（2）对某一区域内大气的监测。是为了了解和掌握环境污染的情况，进行大气质量评估。同时也为某些大中型城市的城市规划、防护隔离等提供科学的依据。（3）对特定的目标进行检测。这是选定某一种或者多种污染物进行的特定的监测。如火力发电站附近的对上呼吸道有刺激性的SO2气体进行检测。因此，监测是研究这一类问题的主要目的。在很长一段时间，我国的空气质量检测技术和监控网络都远远落后于一些西方发达国家，当点式的空气质量监测仪日趋成熟完善，美国率先大力普及，日本不甘落后的时候，我国虽然紧随其后，加大了采用这种检测仪器的力度，但由于特殊的国情和各种因素的限制，点式的空气质量监测仪在我国的普及程度远远低于欧美和日本，且在安装技术和安装水平上的限制，我国在点式监测仪上的运行成本要远远高于同种设备在欧美国家的成本。1随着科学技术的发展，出现了开放式的空气质量监测系统，这种系统主要是采用线状形式进行空气质量监测的采样，相对于传统的监测系统，灵敏度更高一些，同时，由于其特殊的采样方式，使得采集到的样本，通过科学的分析得出的结果更加具有客观性和准确性，更能代表这个区域的空气状况，而且，使用的寿命长，护理量很小，因此，有着远远低于传统空气质量监测系统的运行成本。21.2 国内外空气质量监测系统的研究状况现在主流的关于空气质量监测的技术主要有三个：1.点式的空气质量监测仪。这个系统应用的是比较成熟的检测方案，具有完善的布点理论、数据统计理论、污染成因和演变趋势模型理论。目前在美国的有4000多个监测点，日本有2000多个监测点。在我国也大量使用。该方法已经成为空气自动检测技术的主导方向。但是该系统只能检测一个或者最多两个参数。安装形式有两种：固定站房式和车载式。它能够在无人值守的情况下，维持现场系统的采样运行，记录现场仪器的数据和运行状态，通过多种通讯方式与环境检测中心站进行数据的传输。该系统的仪器原理大部分是采用物理光学为基础的光谱测量分析3 ，测量精度高，结构简单，造价不高，响应时间短，能够及时地反映大气质量浓度变化情况。并能够组成自动监测网络，实现监测数据自动传输远程故障诊断功能。在空气质量系统的各个监测参数中，CO采用的非分散红外吸收法，SO2采用的紫外荧光法。它的不足之处在于这类空气质量监测系统需要单独建立站房，并且监测仪对温度的要求很高，站房内必须靠空调恒温，仪器才能正常工作，另外仪器电路复杂，维护成本高，监测的极限也有待进一步的提高。2空气质量自动监测系统。这个系统的监测项目有PM10、NO、CO、SO2、温度、湿度、风向和风速等，有的设备还有有机物自动检测仪、降水自动采样器。一直被认为是空气质量检测最有效的手段。但是，目前该系统的研究生产主要集中在美国、法国、日本等国家。国内大部分这种空气质量监测系统采用的基本上是传统的数据采集传输方式。虽然该系统能检测很多的项目，检测精度也很高，但是其设备系统一般比较复杂和庞大，检测终端的位置选择和周围条件的要求也比较严格。设备投资大，检测点的数量受到限制，一般的城市只能安装几个监测点，不适合现在城市快速发展的需要。3开放式空气质量监测系统。差分吸收光谱法的大气质量监测系统的特点是采用线采样，其采样代表性较传统的点式有较大的改善，有利于对空气质量的表征。并且能分时测量SO2、CO2和O3三个参数，还能测量其他有机污染参数。具有灵敏度高、分辨率高、多分组、测量结果具有更好的代表性、维护量少、维护周期短、运行成本低的特点。它的不足之处有，这种方法测量的是直线上的线平均浓度，仅能测出污染物的相对浓度，很难获得绝对浓度，必须精确测量距离，方可换算为某一直线上的平均浓度。这种技术只适用于具有窄带吸收结构的气体，从而限制了可测气体的种类，大气中以及污染物控制中许多物质，由于吸收太弱，而不能被探测到。许多物质比如CO，因在紫外线一可见间没有吸收，从而不能被这种方法测量。虽然技术可同时测量多种气体，但是由于不同气体的最佳光程不同，不同的气体监测需要安装不同的光程和接收装置，要在相距几公里的两个地区安装仪器，并且要能够相互看见，所以，也是相当麻烦。本系统对测量环境的要求较高，有雾，降雪以及空气悬浮物多的情况均影响监测，仪器会显示光信号较弱，不能进行监测。从20世纪70年代开始，发达国家陆续建立起空气质量监测系统。到目前为止，美国已经建立起了一系列全方位的立体空气质量监测网络，包括SLAMS，NAMS和SPMS。能够实时在线监测联邦政府规定的常规大气污染物和其他挥发性有机化合物，灰霾和化学烟雾污染物等。并形成颁布了一整套关于监测网络设计、监测方法、标准操作步骤、站点选择和配置、数据处理和通讯的技术、指南和规范，建立起了一套完善的质量保证和质量控制体系，确保了监测数据采集、传输、综合分析和使用的标准性和可靠性。同时，所有的监测数据集中传输到美国环保局的空气质量系统，并通过基于互联网的AIRS系统供给政府官员、研究人员和有兴趣的公众索取和使用。它的检测仪器的技术水平居全球首位。目前，我国只是初步建成了一个由103个城市空气质量监测站组成的全国空气质量监测系统，并于2010年底前完成113个重点环境保护城市空气质量的实时发布工作。监测项目主要是SO2和总悬浮颗粒物。我国虽然在空气质量监测系统上起步要比西方发达国家要晚了很多，但是，国家政府的大力投入，科研人员的苦心钻研，都使得我国的空气质量监测系统从操作使用到技术研发，甚至到设备的自主生产，都有着自己的核心技术和知识产权。国内有河北先河、武汉天虹、北京中晟泰科、铜陵兰盾等已经具有一定的该系统的生产能力，成为国内该系统的生产骨干企业。该系统的常规监测仪器无论性能、可靠性已经基本完全满足国内环境监测工作的需求，基本上替代了进口产品，在技术指标等方面都赶超国际先进水平。虽然在常规的空气质量监测系统中取得了显著的成果，但是在高端顶尖的系统方面依然远远落后于发达国家，这主要是我国在一些核心技术和设备的研究上，一段时间内难以实现突破，尖端技术和设备需要从国外引进。首先，国内点式的空气质量监测系统在技术指标、稳定性、长期运行性等方面与国内外的先进仪器还存在着差距。具体表现为国产仪器的长期漂移指数普遍比国外先进仪器高。在长期运行中，国产仪器的稳定性比较差，但是它的维护周期比较短，维护成本比国外的还是较低。造成我国监测仪器与国外先进水平的根本差距是制造工艺粗糙，表现形式即为可靠性、稳定性差。其次，国内点式的空气质量监测系统的主要监测项目是SO2、CO、O3等常规参数，虽然这些基本可以满足国家需求，但是监测参数还是没有国外全面，缺乏有机物、重金属等有毒有害特征污染物监测项目以及灰霾等监测，大部分这类监测参数的仪器还得引进国外的产品。最后，国产仪器的生产厂家与国外的在技经验上还存在着差距，1983年，美国研制出的全球首套AQMS，积累了大量的研发，生产经验；河北先河于2000年研制出国内首套AQMS，在技术积累上与国外存在一定差距。安徽蓝盾生产的我国首套DAOS空气质量监测系统的时间也比国外的公司晚，且性能指标及可靠性方面也存在差距。总体而言，我国的空气质量监测系统有所发展，但依旧有很多缺陷。如制作工艺水平低，检测内容还不够全面，特别环保部将此前正式公布了新修订的环境空气质量标准。新标准中特别增加了细颗粒物(PM2.5)和臭氧8小时浓度限值监测指标。国务院要求，该项检测在2015年要覆盖所有地级以上城市4。很多设备对有机物、重金属等相关的空气质量检测参数不全。所以，在很长一段时间内，空气质量监测系统的发展方向应该是朝着技术水平的优化方向。让国产的空气质量监测系统的性能远远高于国外的空气检测仪器。1.3 本文研究内容本文叙述了我国关于城市空气质量监测系统的现状，并和国外的进行了比较，提出了现阶段所产生的问题加以实际的分析。通过以上分析，鉴于本文设计的系统以监测空气质量为目的。故在系统设计时重点考虑研究以下几个问题：（1）城市中环境复杂。故需较多监测点采集足够样本数据终端节点的成本不能过高，否则无法实现大范围部署。（2）必须有完备的电源解决方案，实现在复杂环境下的稳定供电。（3）在网络中断情况下，终端节点必须具备一定存储能力，防止数据漏报。（4）系统采用模块化设计，方便用户灵活使用。（5）根据国家空气质量监测标准规定，终端节点完成对SO2和CO的检测，并将检测到的数据处理后，通过以太网传输发送至服务器。服务器将各终端节点的数据分类保存和统计，供用户查询。（6）能完成每天对大气样本的采集。本文章的结构如下：第一章：介绍了本研究题目的意义和现在我国空气质量监测系统的状况和存在的问题。第二章：给出了两套设计方案，并对每种设计方案做出了分析，最后选定了一个最优方案。第三章：本章为系统的硬件电路。分别设计了单片机外围电路、气体传感器的调理电路、AD转换电路、温度检测电路、电源电路、单片机接口扩展电路、LCD显示电路、按键电路、时钟芯片电路、外部存储电路、电机正反转控制电路和以太网接口电路。第四章：在系统硬件电路设计的基础上，针对系统整体功能的需求实现单片机以及参数、数据显示、电机控制等模块的软件功能。第五章：对全文进行了总结回顾。同时指出了研究设计的不足之处。第2章 系统方案论证2.1 系统设计要求及参数指标本系统要求采用适当的传感器，设计能够对城市大气的风速、温度、湿度、大气压力和CO、SO2有害气体进行监测，并能够记录、显示实时数据以及和上位机的远程通讯。根据实际应用的需要以及中国气象局地面气象观测规范中对于我国气象站技术各方面性能的具体要求，气象数据采集系统的功能要求如下：1、 大气温度，测量范围-50+50，分辨率0.12、 大气湿度，测量范围0100%RH，分辨率1%RH3、 大气压力，测量范围5001100hPa，分辨率0.1hPa4、 风速，测量范围060m/s，分辨率0.1m/s5、 CO，测量范围050ppm，分辨率1.0ppm6、 SO2，测量范围020ppm，分辨率0.1ppm2.2 总体方案选择现在使用最普遍的有基于可编程逻辑控制器PLC、基于单片机和基于数字信号处理DSP的核心控制器。对于城市空气质量检测系统，有三套方案可以选择。总体方案一：使用可编程逻辑控制器PLC作为系统的控制核心。PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC的基本结构有电源，一般在交流电压+10%（+15%）范围内；中央处理器CPU；储存器、输入输出接口电路还有一些功能模块如计数模块、定位模块、以太网模块等组成。它的工作原理一般分为三个阶段，即输入采样，用户程序执行和输出刷新。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。PLC具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统。使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。环境要求低。PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。总体方案二：使用典型的嵌入式微控制器单片机作为控制核心。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。总体方案三：DSP的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。数字信号处理的核心算法是离散傅里叶变换DFT，是DFT使信号在数字域和频域都实现了离散化，从而可以用通用计算机处理离散信号。而使数字信号处理从理论走向实用的是快速傅里叶变换FFT，FFT的出现大大减少了DFT的运算量，使实时的数字信号处理成为可能、极大促进了该学科的发展。在对于PLC和单片机的选择上。对单项工程或者重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，但是成本较高。对于大量的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的特点。在单片机与DSP的选择上，DSP是专做数字信号处理的芯片，运行速度快，具有专门的硬件乘法器，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法；而普通的单片机则不具备这些能力，但是凭借成本低廉的优势一般很适合在嵌入式领域使用。所以结合上述优缺点，本设计选用基于单片机为核心的系统。系统的总体框图如图2.1所示。单片机是系统处理数据的核心，为数据的处理提供高效的运算能力。晶振和复位电路是单片机工作最基本的单元电路。电源电路为系统提供稳定的工作电压，以保证系统各个部分能处于稳定的工作状态。按键电路是简单的人机接口。用户可以设定时间和选择对参数的查看。温度传感器电路用于检测大气中温度的高低。湿度传感器电路用于检测大气中湿度的含量。风速传感器电路用于检测大气风速的大小。气压传感器电路用于检测大气中气压的大小。气体传感器电路分为CO气体检测和SO2气体检测，分别测量大气中CO和SO2气体含量的浓度。AD转换电路用于把传感器检测到的模拟信号转换成单片机能接受的数字信号。显示电路用于显示监测到的数据。电机控制电路用于控制电机的正反转，来实现集气瓶的开启和关闭以便自动地收集空气样本。以太网接口电路用于单片机通过以太网和上位机进行通讯。外部存储电路用于网络在中断时存储检测的数据。电源电路晶振和复位电路时钟芯片电路按键电路湿度传感电路风速传感电路气压传感电路气体传感电路单片机AD转换显示电路电机控制电路以太网接口电路外部存储电路温度传感器电路图2.1系统框图第3章 系统硬件电路设计3.1 单片机外围电路系统的核心MCU选用AT89S52。它是一种低功耗，高性能的CMOS 8位微控制器，具有8K的可编程存储器。与工业80C51引脚完全兼容。因为在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统所使用。单片机外围电路如图3.1所示。图 3.1 单片机外围电路VCC引脚接+5V电源，为单片机供电。GND引脚接地EA/VPP引脚接高电平的时候，单片机访问并执行内部程序储存器的指令。访问的地址为0000H1FFFH。本设计只访问内部程序存储器，所以接高电平。PSEN外部程序存储器选通信号。在访问外部数据存储器时，引脚将不被激活。本设计没有外部程序存储器，所以引脚接高电平。晶振电路在单片机的振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端XTAL1和振荡器反相放大器的输出端XTAL2两端跨接晶体，就构成了稳定的自激振荡器。用于产生单片机工作所需的时钟信号。外接晶振的时候，本设计C1和C2选用30pF，C1和C2的功能是稳定频率并对振荡频率有微调作用。复位操作可以使单片机初始化，也可以让死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位电路都是靠外部复位电路来实现的。在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲，即两个机器周期以上的高电平，单片机就可以实现复位。因为系统工作在无人看管的区域，所以应该使用一个看门狗电路来监控单片机的运行情况。看门狗的目的是对环境干扰等因素导致的死机而在无人干预情况下自动恢复系统正常工作。对于AT89S52，它内置有看门狗定时器，如果使用它的内置定时器，在可靠性方面不如硬件电路，比如系统内部定时器自身发生故障时就无法检测到。所以，本设计选用了MAX813L作为单片机的硬件看门狗。看门狗电路如图3.2所示。MAX813L具有上电、掉电状态下的复位，看门狗输出，手动复位输入功能。引脚MR是手动复位输入，低电平有效。RESET是高电平有效输出端，接单片机的复位引脚。WDI是看门狗输入端，当WDI维持高电平或者低电平达到1.6S时，内部的看门都定时器完成计数，且WDO输出为低电平。74HC08为与门。当程序出现死机的情况下，WDO电平由高到底，当变低超过140ms时，MAX813L会产生一个复位脉冲，同时看门狗定时器清零，使WDO变成高电平。还可以随时使用由R4、C11和S1组成的手动复位使芯片产生复位脉冲复位。图3.2 MAX813L看门狗电路3.2 风速监测电路风速的测量选择型号为PH-WS的常规型风速传感器。它采用传统三风杯结构，风杯选用碳纤维材料，强度高。杯体内置的信号处理单元可根据用户需求输出相应信号。具有量程大、线性好、抗雷击能力强、观测方便、稳定可靠等优点。它的测量范围在070m/s，启动风速小于等于0.4m/s，工作电压5V。工作温度-4060；相对湿度0100%。输出信号可以是电流420mA或者电压05V。本设计选用输出为05V的标准电压信号，直接送给AD转换器进行转换后再送至单片机进行处理。PH-WS传感器如图3.3所示。图3.3 PH-WS型风速传感器PH-WS传感器采用三线制，一根线+5V供电，一根线接地，一根线输出05V的标准电压信号，直接输入AD转换器进行转换。接线图如图3.4所示。图 3.4 PH-WS型传感器接线图3.3 CO监测调理电路大气中CO含量的测量选用型号为ME3-CO的一氧化碳传感器。它利用待测气体在电解池中工作电极电位上的电化学氧化过程，待测气体电化学反应所产生的电流与浓度成正比，通过测定电流大小就可以确定待测气体的浓度。它的测量范围为01000ppm，最大过载2000ppm，在空气中可以使用三年，输出信号为0.06uA/ppm，因为检测CO的范围是050ppm，所以输出的信号范围为03uA。分辨率0.5ppm，工作温度范围-2050，压力范围是一个标准大气压，相对湿度范围15%90%RH，线性输出。ME3-CO传感器如图3.5所示。图3.5 ME3-CO型CO传感器CO检测采用电化学元件ME3-CO，该元件可以得到与CO气体浓度成正比的微弱电流信号，该信号必须要进行放大后才能送入AD转换。CO检测调理电路如图3.6和3.7所示。本设计电路中使用的运算放大器为LM324。LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。放大器有四个引脚，引脚2和3是信号输入引脚，引脚1是信号输出引脚，引脚4是正电压供电，引脚11是负电压供电。本设计选用正负5V电压给运算放大器供电。电路中U9、R33、R34、R35和C17构成了恒定电位电路，使得C、R两级和W级之间电位保持一定。这种三电极电化学传感器包含了工作电极W，参考电极R和辅助电极C。W的作用是在电极表面产生化学反应；R在没有电流通过的前提下，用来维持工作电极与参考电极间的电压稳定；C用来输出反应产生的电流信号，再由测量电路实现信号的放大。如果直接在工作电极和参考电极间加一个电压，在电压的作用下，工作电极表面产生化学反应，由于此时工作电极和参考电极间形成回路，反应产生的电流将通过参考电极输出，随着反应电流的变化，工作电极和参考电极间的电压也会发生改变，无法保持恒定。加入辅助电极，就是要通过反馈作用使工作电极和参考电极间的电压保持恒定，保证参考电极没有电流流过，强迫反应电流全部通过辅助电极输出。当传感器输出的3uA信号经过U10被放大100倍，由公式： （3-1）公式3-1可知，选择R38=100k，R37=1K，信号被放大100倍。第二个运算放大器U11的R41=10K，R40=1K，信号被放大10倍，这样被放大1000倍的信号3mA进入同相输入型I/V转换器。输入的电流首先经输入电阻R42变为输入电压U=iR42后，加到运算放大器的同相输入端，经过同相比例放大后得输出电压： （3-2）选择R42=1K，R45=2K，R44=3K后，03mA的信号便被放大到05V电压信号。放大后的CO信号将送到A/D转换器进行转换。图3.6 CO检测调理电路图 3.7 CO检测调理电路3.4 大气压监测调理电路气压是作用在单位面积上的大气压力，即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。气象上使用的所有气压表的刻度均应以hPa分度。在标准条件下，760mmHg的气压等于1032.25hPa。本设计气压的测量选择型号为PH-QY的气压传感器。它的测量范围为101100hPa，分辨率0.1hPa，准确度0.3hPa，供电方式有DC5V、DC12V和DC24V，输出420mA，工作环境温度在-5080，湿度在0100%RH。PH-QY型传感器如图3.8所示。图3.8 PH-QY型大气压传感器大气压测量采用PH-QY型传感器，它采用三线制，一根线接+5V电源，一根线接接地，一根线输出420mA电流。它的调理电路如图3.9所示。用+5V电压给传感器供电，输出的420mA电流I经过RC滤波电路给LM324放大器的同向端，由放大器节点方程可以知道： （3-3）那么： （3-4）故有： （3-5）如果取R19=200、R21=18K、R23=43K、Rf=7.14K，调整RP使Urp=7.53V，则当输入为420mA的时候，输出Uo大气压信号为05V。输出的大气压信号可以送至AD转换器进行数字转换。图3.9 大气压检测调理电路3.5 湿度监测调理电路大气湿度的测量选择型号为Humirel公司生产的HM1500的抗腐蚀高精度湿度传感器。其内部电路是由HS1101型湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器组成。有体积小，不受水渍影响，受温度影响极小，耐化学腐蚀等特点。它的测量范围在0100%RH，输出典型值在湿度为55%下为2.48V，工作范围在-3060，供电电压37V。HM1500传感器如图3.10所示。图3.10 HM500型湿度传感器湿度的检测采用HM1500传感器。它采用三线制，一根线接电源，一根线接地，一根线接输出电压。调理电路如图3.11所示。从HM1500输出的电压值经过由运算放大器LM324组成的电压跟随器。所谓电压跟随器，它的输入等于输出，该电路可以消除负载变化对输出电压的影响。电压Ur26也通过U6组成的电压跟随器，和传感器的信号一起进入差动放大电路，采用差动放大电路，有利于抑制共模干扰和减小温度漂移。利用电阻的叠加原理，可得： （3-6）由公式3-6，当Ur26电压在14V之间变化的时候，输出电压为02.5V之间。通过R26消除湿度传感器的零点误差。被放大的信号送至AD转换器。图 3.11 湿度检测调理电路3.6 SO2监测调理电路大气中SO2的测量选用型号为不需要加偏压的SO2/S-20的二氧化硫传感器。它采用电化学原理测量空气中二氧化硫含量的多少。它的测量范围在020ppm，在空气中的寿命为2年，湿度范围在1590%RH，分辨率0.1ppm，额定输出为1000nAppm，转换为传感器最大电流20uA，线性输出稳定。SO2/S-20传感器如图3.12所示。图3.12 SO2/S-20型SO2传感器SO2传感器采用三电极电化学传感器SO2/S-20。该传感器工作原理是在电解液中放置两个电极WE和CE，使得所测的SO2进行化学反应，然后测量气体电解时所产生的电流，就可以知道SO2的含量。因为化学反应中的电流流动，由此使得WE电极电位产生了变化，导致了输出的信号不稳定，所以在传感器上设置一个没有电流的参考电极RE，它的主要作用是控制WE电极的电位，通过外部电路，使得WE和RE电极间保持在一个恒定的电位，本设计设计了一个恒电位电路。SO2的信号处理电路如图3.13和3.14所示。由恒电位电路、电流电压转换电路和放大电路组成。恒电位电路由传感器，运放U1、电阻R7，R8，R9，C14组成的负反馈电路。运放U1用来比较敏感电极和参考电极之间的电位，当有电位差的时候就输送一个信号，让敏感电极之间有电流通过。因为传感器有比较大的底点流和噪声，所以在敏感电极和参考电极之间接入一个电容C14来过滤噪声的影响。电流电压转换电路由U2、R11、R12构成。它把传感器产生的电流信号转换成电压信号。运算放大器U2的负极经过R11接受输出端的反馈构成反馈电路。输入电流为I1，输出电压为Vo1，由公式可以得到： （3-7）则Vo1=-I1*R12，输出的最大电压为Vo1=-I1max*R12。所以，选择电阻R12的值，可以把电流信号转换为电压信号。反向放大电路由运放U3、R13、R14、R15组成。把负电压信号转换成正电压信号。它的输入为Vo1，输出为V02，由虚短和虚断可以得到： （3-8）则Vo2=-Vo1*R13/R14=-2Vo1放大系统电路由运放U4、R16、R17、R18和C15构成。如图3.14。把小电压信号转换成AD转换所需要的电压信号。它的输入电压为Vo2，输出电压为Vo3，由虚短和虚断可以得到： (3-9)这样，就能使从传感器出来的微弱电流信号转换成AD转换器需要的电压。送入AD转换器进行转换即可。图3.13 SO2检测调理电路图 3.14 SO2检测调理电路3.7 AD转换电路因为大气压的测量范围是5001100hPa，分辨率为0.1hPa，经过计算，需要输出6000个数字量，所以，至少14位的AD转换器才能满足要求，它最多可以输出214=16384个数字量。大气湿度的测量范围是0100%RH，分辨率为1%RH，经过计算，需要输出100个数字量，所以，至少8位的AD转换就能满足要求。风速的测量范围是060m/s，分辨率为0.1m/s，经过计算，需要输出600数字量，所以，至少8位的AD转换就能满足要求。CO的测量范围是050ppm，分辨率为1.0ppm，经过计算，需要输出50个数字量，所以，至少8位的AD转换就能满足要求。SO2的测量范围020ppm，分辨率为0.1ppm，经过计算，需要输出200个数字量，所以，至少8位的AD转换就能满足要求。综上所述，AD转换电路选用MAX1148芯片。它是一个低功耗，8通道，14位逐次逼近，串行输出的AD转换器。它有两种输出模式，一种单极性模式时输出为二进制，另外一种双极性模式时输出为二的补码格式。它采用的是20引脚的TSSOP封装。采样速率可达116Ksps，使用4.75V5.25V单电源供电，内置+4.096V的电压基准和时钟电路。内置多路模拟开关，由软件设置CH0CH7是8路模拟信号的输入端。VDD使用+5V电压供电。COM是公共输入端。单极性和双极性模式下，当转换器输入不为0，而希望转换结果为0时，需在该端输入相应模拟电压。SHDN是低电平有效的关断输入，当此引脚置低电平的时候，AD转换器进入硬关断模式，转换立即终止。REF是AD的基准电压输入，它是模数转换的基准电压，该电压决定了ADC输入范围和满量程输出值。在内部模式下，Vref为+4.096V。REFADJ是带隙基准输出和基准缓冲输入。当此引脚连接至VDD时，禁止内部带隙基准和基准缓冲放大器。AGND是模拟地。DGND是数字地。DOUT是串行数据的输出，和单片机的一个IO口连接。SSTRB是串行触发输出，反映了ADC的转换状态。DIN是串行数据输入，用于输入控制字。CS是片选输入，低电平有效。只有当CS置低电平时，数据才可以同步输入或者输出。SCLK是串行时钟输入，是数据同步输入或输出的移位信号。A/D转换电路如图3.15所示。图3.15 AD转换电路3.8 温度监测电路大气的温度检测使用DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器DS18B20，检测电路如图3.16所示。DS18B20的结构简单，操作灵活，无须外接电路。在使用过程中，可由一根I/O数据线供电和传输数据。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制等。它的测量温度范围为-55+125，符合设计参数要求。分辨率为912位，可通过编程决定。它的转换时间和分辨率有关，当设定为9位的时候，转换时间为93.75ms；当设定为10位的时候，转换时间为187.5ms；当设定为11位的时候，转换时间为375ms；当设定为12位的时候，为750ms。本系统设定它的分辨率为12位，精度可以达到0.0625C。图3.16 温度检测电路3.9 外部数据存储电路监测到的数据的存储定义为8位的字节B，也就是说系统会为每一个数据开辟一个256字节大小的空间用来存储，本系统需要一次测量6个参数的数据，每一分钟测量一次。所以如果选择256K大小的外部数据存储芯片，那么芯片可以存储（256x1024）/256=1024个数据。完全满足设计要求。外部数据存储电路图如图3.17所示。外部数据储存芯片选用基于I2C总线的256K大小PHILIPS公司生产的PCF8570芯片。用于储存系统监测到的数据并在网络终端出现通讯故障的时候临时存储数据，当存储的数据通过网络发送给上位机之后，则删除数据，为以后监测的数据提供存储空间。如图，A0、A1、A2是器件地址选择，这些输入引脚用于多个器件级联的时候设置器件地址。当使用的时候，最大可以级联8个器件。如果只有一个PCF8570被总线寻址，那么这三个引脚必须要接地。TEST是写保护引脚，当接到地的时候，允许器件进行正常的读写操作。SCL引脚用于产生器件所有数据发送或者接收的时钟，这是一个输入引脚。SDA是双向串行传输引脚，用于数据的收发和接收。图3.17外部数据存储器电路3.10 按键电路按键电路分为独立式按键和矩阵式按键。在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显。但是本设计因为需要设置的参数不多，按键数也不多，所以本设计选用独立式按键。每个独立式按键单独占有一个单片机的I/O口，每根I/O口线之间不会相互影响。如图3.18所示。在键盘电路中，按键输入采用的是低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口有确定的高电平。按键的设计还应该考虑抖动的消除，抖动的消除可以分为硬件消除和软件消除。但是因为用硬件消抖还需要外加器件，成本相对的较高。所以本设计选用软件消抖。软件消抖就是当系统检测出有键盘闭合的时候，先执行一个延时子程序产生一段时间的延时，然后等待接通时的抖动消失后在判断是否有按键按下。本设计根据实际的需要，设计了四个独立式按键，分别是确认键、上键、下键和选择键。键盘可以用于对系统时间的设定和查看实时参数时的参数选择。当设定系统时间的时候，如图3.19所示，先长按选择键，再按上键或者下键对年份进行设置后，按确认键进入下一项对月份的设置，系统的时间设定可以精确到分。当设定好时间后，在没有按键动作两分钟后，系统自动退出时间的设定。显示屏自动显示检测到的参数。图3.18 按键电路图上下选择确认图3.19 按键设置图3.11 时钟芯片电路系统的时钟芯片选用DALLAS公司推出的DS1302涡流充电时钟芯片。它内含有一个实时时钟/日历和31字节的RAM，可以提供年、月、日、时、分、秒的信息，每年的天数和闰年的天数可以自动调整。时钟操作可通过AM/PM指示决定采用的小时格式。DS1302是从DS1202改进而来的，主要增加了双电源管脚用于主电源供电和备份电源供电用于紧急情况下的供应，此外，DS1302还增加了7个字节的储存器。芯片的引脚图如图3.20所示。图3.20芯片引脚图VCC2接入宽工作电压2.05.5V。VCC1接入3V干电池备用电源。X1和X2接32.768KHz晶振管脚。RST是芯片复位引脚。I/O是数据输入输出引脚。SCLK是同步串行时钟输入引脚。GND接地。它的外围接线电路如图3.21所示。图3.21 DS1302外部接线图3.12 LCD显示电路LCD显示电路选用DM12864M汉字图形点阵液晶显示模块。模块内置8192个中文汉字，128个字符及64X256点阵显示。显示电路如图3.22所示。DM12864M可以显示汉字，图形以及数字。电源用+3.3V+5V供电，内置升压电路，无需负压。和单片机接口可以选择8位或者4位并行和3位串行。本设计为了节约单片机I/O口，采用了3位串行传输。当模块的PSB引脚接为低电平的时候，模块和单片机的连线即用三根线：引脚CS为串行的片选信号、引脚SID为串行的数据口和引脚CLK串行的同步时钟进行传输。模块的引脚VSS为电源地，引脚VDD为电源正端接电源，引脚VO为LCD驱动电压的输入端，引脚DB0DB7为并行传输时候的数据线，引脚RET为复位端，低电平有效，引脚LA为背光源正极，引脚LK为背光源负极接地。图3.22 DM12864LCD显示电路3.13 单片机接口扩展电路由于单片机本身I/O口数量的限制，设计使用了具有I2C并行扩展芯片PCF8574。它的工作电压在2.56.0V之间，通过两条双向总线I2C可以扩展单片机的I/O口。芯片包含一个8位准双向口和一个I2C总线接口，PCF8574的每个I/O口都可以单独用作输入或者输出使用。芯片还带有一条中断接线INT可以和单片机的中断逻辑相连，通过INT发送中断信号，这样I/O不必经过I2C总线通信就可以通知单片机是否有数据从端口输入。I2C不同于其他模块之间的双线通讯，它的两条线一条为串行数据线SDA，另一条为串行时钟线SCL，当和器件的输出相连时，两条线都必须接4.7K的上拉电阻。因为I2C总线上的器件都是共用总线的，因此，在进行通信的时候，主器件选择需要通讯的器件，即进行总线寻址。I2C总线上的器件都有唯一的一个地址，共7位，这是器件出厂时就已经给定的，不可以更改。PCF8574通过3个硬件地址引脚A0、A1、A2可以寻址8个器件，即通过A0、A1、A2连接到单片机上，可以控制芯片的p0p7口。I/O口扩展电路如图3.23所示。图3.23 I/O口扩展电路3.14 电机正反转控制电路本设计需要使用集气瓶来收集空气样本，这样集气瓶的瓶盖开启和关闭就需要用电机来驱动。本设计电机选择型号为DM-01,DC输入的12V直流电动机。它的额定功率为1W，额定电流为0.08A，额定转矩为511NM。如图3.24所示。电机通过一个开关装置和瓶盖相连，开关装置的转矩为8NM，电机通过正转和反转来控制瓶盖的开启或者关闭。 图3.24 DM-01型12V直流电机单片机控制直流电机正反转设计采用L298N电机驱动芯片，如图3.25所示。它是SGS公司的产品，内含有4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器。无需隔离电路，可以通过单片机的I/O口输入改变芯片控制端的电平，即输入端与输出端的逻辑关系如表3.1所示，这样就可以对46V、2A以下的电机电机进行正反转，停止的操作。在电机正转的时候，如果想控制其转动速度，通过一个输入口输入PWM信号，单片机产生PWM信号可以利用定时器过着延时的方法产生一定占空比的矩形波，电机的转速就会受到该信号的控制，同样的方法可以应用于电极反转的时候。本设计因为需要瓶盖匀速地开启或者关闭，所以不用控制转速的快慢。芯片需要从外部接两个电源，VSS接+5V用于芯片的供电，VS接+12V给驱动直