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1、 摘 要城市空氣質(zhì)量是作為城市環(huán)境的重要指標(biāo)之一，將直接影響到城市居民的健康甚至出行。近年來，由于城市空氣污染日益加重，所以應(yīng)該對城市空氣的質(zhì)量進(jìn)行全天候?qū)崟r的監(jiān)測。本文設(shè)計了一種基于AT89S52單片機(jī)的低成本遠(yuǎn)程空氣監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可對城市各個區(qū)域的大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和CO，SO2氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測。傳感器輸出的信號通過電流電壓轉(zhuǎn)換和運(yùn)算放大器的放大之后，送入14位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1148。測量的數(shù)據(jù)由單片機(jī)處理之后，可以通過DM12864LCD液晶進(jìn)行顯示，可以通過電機(jī)驅(qū)動芯片L298N來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制集氣瓶的開關(guān)來收集空氣。由于單片機(jī)本身I/O口有限，通過擴(kuò)展

2、一個具有I2C總線功能的PCF8574芯片實(shí)現(xiàn)I/O口的擴(kuò)展，擴(kuò)展后可以用鍵盤設(shè)定時間，單片機(jī)通過以太網(wǎng)控制器ENC28J60可以遠(yuǎn)程和終端的計算機(jī)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)對城市空氣質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)測。同時，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷或者擁擠的時候，系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可以臨時存儲在PCF8570儲存芯片內(nèi)。本系統(tǒng)可以靈活地部署在以太網(wǎng)絡(luò)的各個區(qū)域，形成完備的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對空氣中各個重要指標(biāo)的監(jiān)測。關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量；實(shí)時監(jiān)測；以太網(wǎng)；遠(yuǎn)程通信AbstractCity air quality is as one of the important indicators of environment in the city,

3、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, SO

4、2 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 rever

5、se 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 t

6、he 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 PC

7、F8570 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 錄第1章 緒論11.1 研究空氣質(zhì)量監(jiān)測的背景及意義11.2 國內(nèi)外空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究狀況21.3 本

8、文研究內(nèi)容5第2章 系統(tǒng)方案論證62.1 系統(tǒng)設(shè)計要求及參數(shù)指標(biāo)62.2 總體方案選擇6第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計93.1 單片機(jī)外圍電路93.2 風(fēng)速監(jiān)測電路113.3 CO監(jiān)測調(diào)理電路123.4 大氣壓監(jiān)測調(diào)理電路143.5 濕度監(jiān)測調(diào)理電路153.6 SO2監(jiān)測調(diào)理電路173.7 AD轉(zhuǎn)換電路193.8 溫度監(jiān)測電路203.9 外部數(shù)據(jù)存儲電路213.10 按鍵電路223.11 時鐘芯片電路233.12 LCD顯示電路243.13 單片機(jī)接口擴(kuò)展電路253.14 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路263.15 以太網(wǎng)接口電路283.16 電源電路30第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計314.1 系統(tǒng)主程序314.2 初

9、始化子程序324.3 讀取時間子程序324.4 溫度檢測子程序334.5 A/D轉(zhuǎn)換子程序344.6 顯示子程序354.7 通訊子程序374.8 電機(jī)控制子程序38第5章 畢業(yè)設(shè)計總結(jié)405.1 本文主要研究工作405.2 后續(xù)研究工作展望40參考文獻(xiàn)42致謝44附錄 電路圖45附錄 系統(tǒng)程序48附錄 外文文獻(xiàn)5969第1章 緒論1.1 研究空氣質(zhì)量監(jiān)測的背景及意義人們的生活水平越來越高，對環(huán)境的關(guān)注也越來越多。而空氣質(zhì)量的指標(biāo)是一個重要的因素?，F(xiàn)在，地球上有將近七十億的人口，其中，一半的都是城市人口。由于工業(yè)發(fā)展開始以后，城市人口，規(guī)模在不斷地擴(kuò)大，工業(yè)發(fā)展速度也呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢。特別是工

10、廠的興建和機(jī)動車輛快速發(fā)展。所以這導(dǎo)致了城市空氣污染的日益加重。每天在城市里面的汽車排放出的尾氣，城市邊緣工廠排放出的工業(yè)廢氣和其它方面的污染源排放的污染的空氣，這些都對居住在城市里面的居民的健康造成了很大的傷害。為了保障人們呼吸新鮮空氣，就必須加強(qiáng)空氣質(zhì)量監(jiān)測的系統(tǒng)建設(shè)。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市空氣的污染狀況還會進(jìn)一步地加劇。如果現(xiàn)在不能有效的控制空氣污染，這將會對居民的健康和生存起到不可逆轉(zhuǎn)的威脅。根據(jù)網(wǎng)上數(shù)據(jù)，中國現(xiàn)在至少有2.8億城市居民在呼吸著被污染的空氣。但讓人欣慰的是，政府現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識到被污染的空氣對民眾健康的威脅。所以也采取了很多措施來檢測，控制被污染的空氣。就城市而言，因

11、為每天道路上擁堵的車流量，所以，汽車排放的尾氣主要集中在十字路口和每條道路的分岔口。還有化工廠、煉油廠、發(fā)電站等工業(yè)園集中的地區(qū)，它們所排放的廢棄煙霧和有毒物質(zhì)，會隨著空氣的流動，飄到居民居住區(qū)。這些都是空氣污染比較集中的地方，所以應(yīng)該具體檢測和監(jiān)控，并加以控制。在采取所有有效的控制措施前，對污染空氣的檢測是最為重要的。因?yàn)橹挥兄懒宋廴究諝獾某煞?，才能對污染空氣做好有效的控制。按照國家環(huán)?？偩值囊?guī)定，目前城市發(fā)布的空氣質(zhì)量報告，主要是一氧化硫、氮氧化物、總懸浮顆粒物這三種污染物質(zhì)的質(zhì)量指數(shù)和相應(yīng)的空氣質(zhì)量級別，并作空氣質(zhì)量狀況的說明和人體健康影響程度描述。大氣污染監(jiān)測是環(huán)境保護(hù)工作者獲得關(guān)于

12、空氣質(zhì)量的第一首途徑。他可以偵查有害物質(zhì)的來源、分布、數(shù)量、動向等規(guī)律。為改善環(huán)境、保護(hù)人民健康提供資料。大氣污染檢測一般可以分為三類。（1）對污染源的檢測，如工廠的煙囪，汽車尾氣排出口的檢測。目的是為了了解這些污染源所排出的有害物質(zhì)是不是達(dá)到了國家的排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并分析它對大氣污染的影響。以便加以從源頭上對污染源進(jìn)行控制。當(dāng)通過了長時間的定期檢測，數(shù)據(jù)積累后，可以為修訂排放標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。（2）對某一區(qū)域內(nèi)大氣的監(jiān)測。是為了了解和掌握環(huán)境污染的情況，進(jìn)行大氣質(zhì)量評估。同時也為某些大中型城市的城市規(guī)劃、防護(hù)隔離等提供科學(xué)的依據(jù)。（3）對特定的目標(biāo)進(jìn)行檢測。這是選定某一種或者多種污染物進(jìn)行的特

13、定的監(jiān)測。如火力發(fā)電站附近的對上呼吸道有刺激性的SO2氣體進(jìn)行檢測。因此，監(jiān)測是研究這一類問題的主要目的。在很長一段時間，我國的空氣質(zhì)量檢測技術(shù)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于一些西方發(fā)達(dá)國家，當(dāng)點(diǎn)式的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀日趨成熟完善，美國率先大力普及，日本不甘落后的時候，我國雖然緊隨其后，加大了采用這種檢測儀器的力度，但由于特殊的國情和各種因素的限制，點(diǎn)式的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀在我國的普及程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美和日本，且在安裝技術(shù)和安裝水平上的限制，我國在點(diǎn)式監(jiān)測儀上的運(yùn)行成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同種設(shè)備在歐美國家的成本。1隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了開放式的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，這種系統(tǒng)主要是采用線狀形式進(jìn)行空氣質(zhì)量監(jiān)測的采樣，相對

14、于傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)，靈敏度更高一些，同時，由于其特殊的采樣方式，使得采集到的樣本，通過科學(xué)的分析得出的結(jié)果更加具有客觀性和準(zhǔn)確性，更能代表這個區(qū)域的空氣狀況，而且，使用的壽命長，護(hù)理量很小，因此，有著遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行成本。21.2 國內(nèi)外空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究狀況現(xiàn)在主流的關(guān)于空氣質(zhì)量監(jiān)測的技術(shù)主要有三個：1.點(diǎn)式的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀。這個系統(tǒng)應(yīng)用的是比較成熟的檢測方案，具有完善的布點(diǎn)理論、數(shù)據(jù)統(tǒng)計理論、污染成因和演變趨勢模型理論。目前在美國的有4000多個監(jiān)測點(diǎn)，日本有2000多個監(jiān)測點(diǎn)。在我國也大量使用。該方法已經(jīng)成為空氣自動檢測技術(shù)的主導(dǎo)方向。但是該系統(tǒng)只能檢測一個或者最多兩

15、個參數(shù)。安裝形式有兩種：固定站房式和車載式。它能夠在無人值守的情況下，維持現(xiàn)場系統(tǒng)的采樣運(yùn)行，記錄現(xiàn)場儀器的數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，通過多種通訊方式與環(huán)境檢測中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。該系統(tǒng)的儀器原理大部分是采用物理光學(xué)為基礎(chǔ)的光譜測量分析3 ，測量精度高，結(jié)構(gòu)簡單，造價不高，響應(yīng)時間短，能夠及時地反映大氣質(zhì)量濃度變化情況。并能夠組成自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動傳輸遠(yuǎn)程故障診斷功能。在空氣質(zhì)量系統(tǒng)的各個監(jiān)測參數(shù)中，CO采用的非分散紅外吸收法，SO2采用的紫外熒光法。它的不足之處在于這類空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)需要單獨(dú)建立站房，并且監(jiān)測儀對溫度的要求很高，站房內(nèi)必須靠空調(diào)恒溫，儀器才能正常工作，另外儀器電路復(fù)雜，

16、維護(hù)成本高，監(jiān)測的極限也有待進(jìn)一步的提高。2空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的監(jiān)測項目有PM10、NO、CO、SO2、溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等，有的設(shè)備還有有機(jī)物自動檢測儀、降水自動采樣器。一直被認(rèn)為是空氣質(zhì)量檢測最有效的手段。但是，目前該系統(tǒng)的研究生產(chǎn)主要集中在美國、法國、日本等國家。國內(nèi)大部分這種空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采用的基本上是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸方式。雖然該系統(tǒng)能檢測很多的項目，檢測精度也很高，但是其設(shè)備系統(tǒng)一般比較復(fù)雜和龐大，檢測終端的位置選擇和周圍條件的要求也比較嚴(yán)格。設(shè)備投資大，檢測點(diǎn)的數(shù)量受到限制，一般的城市只能安裝幾個監(jiān)測點(diǎn)，不適合現(xiàn)在城市快速發(fā)展的需要。3開放式空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。差

17、分吸收光譜法的大氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用線采樣，其采樣代表性較傳統(tǒng)的點(diǎn)式有較大的改善，有利于對空氣質(zhì)量的表征。并且能分時測量SO2、CO2和O3三個參數(shù)，還能測量其他有機(jī)污染參數(shù)。具有靈敏度高、分辨率高、多分組、測量結(jié)果具有更好的代表性、維護(hù)量少、維護(hù)周期短、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)。它的不足之處有，這種方法測量的是直線上的線平均濃度，僅能測出污染物的相對濃度，很難獲得絕對濃度，必須精確測量距離，方可換算為某一直線上的平均濃度。這種技術(shù)只適用于具有窄帶吸收結(jié)構(gòu)的氣體，從而限制了可測氣體的種類，大氣中以及污染物控制中許多物質(zhì)，由于吸收太弱，而不能被探測到。許多物質(zhì)比如CO，因在紫外線一可見間沒有吸收，

18、從而不能被這種方法測量。雖然技術(shù)可同時測量多種氣體，但是由于不同氣體的最佳光程不同，不同的氣體監(jiān)測需要安裝不同的光程和接收裝置，要在相距幾公里的兩個地區(qū)安裝儀器，并且要能夠相互看見，所以，也是相當(dāng)麻煩。本系統(tǒng)對測量環(huán)境的要求較高，有霧，降雪以及空氣懸浮物多的情況均影響監(jiān)測，儀器會顯示光信號較弱，不能進(jìn)行監(jiān)測。從20世紀(jì)70年代開始，發(fā)達(dá)國家陸續(xù)建立起空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。到目前為止，美國已經(jīng)建立起了一系列全方位的立體空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，包括SLAMS，NAMS和SPMS。能夠?qū)崟r在線監(jiān)測聯(lián)邦政府規(guī)定的常規(guī)大氣污染物和其他揮發(fā)性有機(jī)化合物，灰霾和化學(xué)煙霧污染物等。并形成頒布了一整套關(guān)于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、監(jiān)

19、測方法、標(biāo)準(zhǔn)操作步驟、站點(diǎn)選擇和配置、數(shù)據(jù)處理和通訊的技術(shù)、指南和規(guī)范，建立起了一套完善的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制體系，確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸、綜合分析和使用的標(biāo)準(zhǔn)性和可靠性。同時，所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)矫绹h(huán)保局的空氣質(zhì)量系統(tǒng)，并通過基于互聯(lián)網(wǎng)的AIRS系統(tǒng)供給政府官員、研究人員和有興趣的公眾索取和使用。它的檢測儀器的技術(shù)水平居全球首位。目前，我國只是初步建成了一個由103個城市空氣質(zhì)量監(jiān)測站組成的全國空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，并于2010年底前完成113個重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)城市空氣質(zhì)量的實(shí)時發(fā)布工作。監(jiān)測項目主要是SO2和總懸浮顆粒物。我國雖然在空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)上起步要比西方發(fā)達(dá)國家要晚了很多，但是，國家

20、政府的大力投入，科研人員的苦心鉆研，都使得我國的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)從操作使用到技術(shù)研發(fā)，甚至到設(shè)備的自主生產(chǎn)，都有著自己的核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)。國內(nèi)有河北先河、武漢天虹、北京中晟泰科、銅陵蘭盾等已經(jīng)具有一定的該系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，成為國內(nèi)該系統(tǒng)的生產(chǎn)骨干企業(yè)。該系統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)測儀器無論性能、可靠性已經(jīng)基本完全滿足國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測工作的需求，基本上替代了進(jìn)口產(chǎn)品，在技術(shù)指標(biāo)等方面都趕超國際先進(jìn)水平。雖然在常規(guī)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中取得了顯著的成果，但是在高端頂尖的系統(tǒng)方面依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，這主要是我國在一些核心技術(shù)和設(shè)備的研究上，一段時間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)突破，尖端技術(shù)和設(shè)備需要從國外引進(jìn)。首先，國內(nèi)點(diǎn)式的空氣質(zhì)

21、量監(jiān)測系統(tǒng)在技術(shù)指標(biāo)、穩(wěn)定性、長期運(yùn)行性等方面與國內(nèi)外的先進(jìn)儀器還存在著差距。具體表現(xiàn)為國產(chǎn)儀器的長期漂移指數(shù)普遍比國外先進(jìn)儀器高。在長期運(yùn)行中，國產(chǎn)儀器的穩(wěn)定性比較差，但是它的維護(hù)周期比較短，維護(hù)成本比國外的還是較低。造成我國監(jiān)測儀器與國外先進(jìn)水平的根本差距是制造工藝粗糙，表現(xiàn)形式即為可靠性、穩(wěn)定性差。其次，國內(nèi)點(diǎn)式的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測項目是SO2、CO、O3等常規(guī)參數(shù)，雖然這些基本可以滿足國家需求，但是監(jiān)測參數(shù)還是沒有國外全面，缺乏有機(jī)物、重金屬等有毒有害特征污染物監(jiān)測項目以及灰霾等監(jiān)測，大部分這類監(jiān)測參數(shù)的儀器還得引進(jìn)國外的產(chǎn)品。最后，國產(chǎn)儀器的生產(chǎn)廠家與國外的在技經(jīng)驗(yàn)上還存在著

22、差距，1983年，美國研制出的全球首套AQMS，積累了大量的研發(fā)，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)；河北先河于2000年研制出國內(nèi)首套AQMS，在技術(shù)積累上與國外存在一定差距。安徽藍(lán)盾生產(chǎn)的我國首套DAOS空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的時間也比國外的公司晚，且性能指標(biāo)及可靠性方面也存在差距?？傮w而言，我國的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)有所發(fā)展，但依舊有很多缺陷。如制作工藝水平低，檢測內(nèi)容還不夠全面，特別環(huán)保部將此前正式公布了新修訂的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)中特別增加了細(xì)顆粒物(PM2.5)和臭氧8小時濃度限值監(jiān)測指標(biāo)。國務(wù)院要求，該項檢測在2015年要覆蓋所有地級以上城市4。很多設(shè)備對有機(jī)物、重金屬等相關(guān)的空氣質(zhì)量檢測參數(shù)不全。所以，在很長

23、一段時間內(nèi)，空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展方向應(yīng)該是朝著技術(shù)水平的優(yōu)化方向。讓國產(chǎn)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國外的空氣檢測儀器。1.3 本文研究內(nèi)容本文敘述了我國關(guān)于城市空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，并和國外的進(jìn)行了比較，提出了現(xiàn)階段所產(chǎn)生的問題加以實(shí)際的分析。通過以上分析，鑒于本文設(shè)計的系統(tǒng)以監(jiān)測空氣質(zhì)量為目的。故在系統(tǒng)設(shè)計時重點(diǎn)考慮研究以下幾個問題：（1）城市中環(huán)境復(fù)雜。故需較多監(jiān)測點(diǎn)采集足夠樣本數(shù)據(jù)終端節(jié)點(diǎn)的成本不能過高，否則無法實(shí)現(xiàn)大范圍部署。（2）必須有完備的電源解決方案，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定供電。（3）在網(wǎng)絡(luò)中斷情況下，終端節(jié)點(diǎn)必須具備一定存儲能力，防止數(shù)據(jù)漏報。（4）系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計

24、，方便用戶靈活使用。（5）根據(jù)國家空氣質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，終端節(jié)點(diǎn)完成對SO2和CO的檢測，并將檢測到的數(shù)據(jù)處理后，通過以太網(wǎng)傳輸發(fā)送至服務(wù)器。服務(wù)器將各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分類保存和統(tǒng)計，供用戶查詢。（6）能完成每天對大氣樣本的采集。本文章的結(jié)構(gòu)如下：第一章：介紹了本研究題目的意義和現(xiàn)在我國空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的狀況和存在的問題。第二章：給出了兩套設(shè)計方案，并對每種設(shè)計方案做出了分析，最后選定了一個最優(yōu)方案。第三章：本章為系統(tǒng)的硬件電路。分別設(shè)計了單片機(jī)外圍電路、氣體傳感器的調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、溫度檢測電路、電源電路、單片機(jī)接口擴(kuò)展電路、LCD顯示電路、按鍵電路、時鐘芯片電路、外部存儲電路、電機(jī)正反

25、轉(zhuǎn)控制電路和以太網(wǎng)接口電路。第四章：在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)整體功能的需求實(shí)現(xiàn)單片機(jī)以及參數(shù)、數(shù)據(jù)顯示、電機(jī)控制等模塊的軟件功能。第五章：對全文進(jìn)行了總結(jié)回顧。同時指出了研究設(shè)計的不足之處。第2章 系統(tǒng)方案論證2.1 系統(tǒng)設(shè)計要求及參數(shù)指標(biāo)本系統(tǒng)要求采用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，設(shè)計能夠?qū)Τ鞘写髿獾娘L(fēng)速、溫度、濕度、大氣壓力和CO、SO2有害氣體進(jìn)行監(jiān)測，并能夠記錄、顯示實(shí)時數(shù)據(jù)以及和上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要以及中國氣象局地面氣象觀測規(guī)范中對于我國氣象站技術(shù)各方面性能的具體要求，氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能要求如下：1、 大氣溫度，測量范圍-50+50，分辨率0.12、 大氣濕度，測量范

26、圍0100%RH，分辨率1%RH3、 大氣壓力，測量范圍5001100hPa，分辨率0.1hPa4、 風(fēng)速，測量范圍060m/s，分辨率0.1m/s5、 CO，測量范圍050ppm，分辨率1.0ppm6、 SO2，測量范圍020ppm，分辨率0.1ppm2.2 總體方案選擇現(xiàn)在使用最普遍的有基于可編程邏輯控制器PLC、基于單片機(jī)和基于數(shù)字信號處理DSP的核心控制器。對于城市空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，有三套方案可以選擇。總體方案一：使用可編程邏輯控制器PLC作為系統(tǒng)的控制核心。PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)

27、算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。PLC的基本結(jié)構(gòu)有電源，一般在交流電壓+10%（+15%）范圍內(nèi)；中央處理器CPU；儲存器、輸入輸出接口電路還有一些功能模塊如計數(shù)模塊、定位模塊、以太網(wǎng)模塊等組成。它的工作原理一般分為三個階段，即輸入采樣，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。PLC具有的功能及其各種擴(kuò)展單元、智能單元和特殊功能模塊，可以方便、靈活

28、地組成不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。以開關(guān)量控制為其特長；也能進(jìn)行連續(xù)過程的PID回路控制；并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)。使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機(jī)知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易?？垢蓴_能力和可靠性能力都強(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型。環(huán)境要求低。PLC的技術(shù)條件能在一般高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作。總體方案二：使用典型的嵌入式微控制器單片機(jī)作為控制核心。單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種

29、I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的32位300M的高速單片機(jī)。單片機(jī)由運(yùn)算器，控制器，存儲器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)（最小系統(tǒng)），和計算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于單片機(jī)在工業(yè)控制

30、領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)由僅有CPU的專用處理器芯片發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中?？傮w方案三：DSP的目的是對真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號進(jìn)行測量或?yàn)V波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號處理之前需要將信號從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字信號處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字信號處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價低、速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號處理技術(shù)與設(shè)備所無法比擬的。數(shù)字信號處理的核心算法是離散傅里葉變換DFT，是DFT使信號在數(shù)

31、字域和頻域都實(shí)現(xiàn)了離散化，從而可以用通用計算機(jī)處理離散信號。而使數(shù)字信號處理從理論走向?qū)嵱玫氖强焖俑道锶~變換FFT，F(xiàn)FT的出現(xiàn)大大減少了DFT的運(yùn)算量，使實(shí)時的數(shù)字信號處理成為可能、極大促進(jìn)了該學(xué)科的發(fā)展。在對于PLC和單片機(jī)的選擇上。對單項工程或者重復(fù)數(shù)極少的項目，采用PLC方案是明智、快捷的途徑，但是成本較高。對于大量的配套項目，采用單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低、效益高的特點(diǎn)。在單片機(jī)與DSP的選擇上，DSP是專做數(shù)字信號處理的芯片，運(yùn)行速度快，具有專門的硬件乘法器，可以用來快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法；而普通的單片機(jī)則不具備這些能力，但是憑借成本低廉的優(yōu)勢一般很適合在嵌入式領(lǐng)域使用。所以結(jié)合

32、上述優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計選用基于單片機(jī)為核心的系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體框圖如圖2.1所示。單片機(jī)是系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的核心，為數(shù)據(jù)的處理提供高效的運(yùn)算能力。晶振和復(fù)位電路是單片機(jī)工作最基本的單元電路。電源電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，以保證系統(tǒng)各個部分能處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。按鍵電路是簡單的人機(jī)接口。用戶可以設(shè)定時間和選擇對參數(shù)的查看。溫度傳感器電路用于檢測大氣中溫度的高低。濕度傳感器電路用于檢測大氣中濕度的含量。風(fēng)速傳感器電路用于檢測大氣風(fēng)速的大小。氣壓傳感器電路用于檢測大氣中氣壓的大小。氣體傳感器電路分為CO氣體檢測和SO2氣體檢測，分別測量大氣中CO和SO2氣體含量的濃度。AD轉(zhuǎn)換電路用于把傳感器檢測到的模擬

33、信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接受的數(shù)字信號。顯示電路用于顯示監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。電機(jī)控制電路用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，來實(shí)現(xiàn)集氣瓶的開啟和關(guān)閉以便自動地收集空氣樣本。以太網(wǎng)接口電路用于單片機(jī)通過以太網(wǎng)和上位機(jī)進(jìn)行通訊。外部存儲電路用于網(wǎng)絡(luò)在中斷時存儲檢測的數(shù)據(jù)。電源電路晶振和復(fù)位電路時鐘芯片電路按鍵電路濕度傳感電路風(fēng)速傳感電路氣壓傳感電路氣體傳感電路單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換顯示電路電機(jī)控制電路以太網(wǎng)接口電路外部存儲電路溫度傳感器電路圖2.1系統(tǒng)框圖第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 單片機(jī)外圍電路系統(tǒng)的核心MCU選用AT89S52。它是一種低功耗，高性能的CMOS 8位微控制器，具有8K的可編程存儲器。與工業(yè)80C51引腳完全

34、兼容。因?yàn)樵趩涡酒?，擁有靈巧的8位CPU,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)所使用。單片機(jī)外圍電路如圖3.1所示。圖 3.1 單片機(jī)外圍電路VCC引腳接+5V電源，為單片機(jī)供電。GND引腳接地EA/VPP引腳接高電平的時候，單片機(jī)訪問并執(zhí)行內(nèi)部程序儲存器的指令。訪問的地址為0000H1FFFH。本設(shè)計只訪問內(nèi)部程序存儲器，所以接高電平。PSEN外部程序存儲器選通信號。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，引腳將不被激活。本設(shè)計沒有外部程序存儲器，所以引腳接高電平。晶振電路在單片機(jī)的振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端XTAL1和振蕩器反相放大器的輸出端XTAL2兩端跨接晶體，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自

35、激振蕩器。用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時鐘信號。外接晶振的時候，本設(shè)計C1和C2選用30pF，C1和C2的功能是穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)作用。復(fù)位操作可以使單片機(jī)初始化，也可以讓死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動，因此非常重要。單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。在時鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖，即兩個機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。因?yàn)橄到y(tǒng)工作在無人看管的區(qū)域，所以應(yīng)該使用一個看門狗電路來監(jiān)控單片機(jī)的運(yùn)行情況?？撮T狗的目的是對環(huán)境干擾等因素導(dǎo)致的死機(jī)而在無人干預(yù)情況下自動恢復(fù)系統(tǒng)正常工作。對于AT89S52，它內(nèi)置有看門狗定時器，如果使用它的內(nèi)置定

36、時器，在可靠性方面不如硬件電路，比如系統(tǒng)內(nèi)部定時器自身發(fā)生故障時就無法檢測到。所以，本設(shè)計選用了MAX813L作為單片機(jī)的硬件看門狗。看門狗電路如圖3.2所示。MAX813L具有上電、掉電狀態(tài)下的復(fù)位，看門狗輸出，手動復(fù)位輸入功能。引腳MR是手動復(fù)位輸入，低電平有效。RESET是高電平有效輸出端，接單片機(jī)的復(fù)位引腳。WDI是看門狗輸入端，當(dāng)WDI維持高電平或者低電平達(dá)到1.6S時，內(nèi)部的看門都定時器完成計數(shù)，且WDO輸出為低電平。74HC08為與門。當(dāng)程序出現(xiàn)死機(jī)的情況下，WDO電平由高到底，當(dāng)變低超過140ms時，MAX813L會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖，同時看門狗定時器清零，使WDO變成高電平。還

37、可以隨時使用由R4、C11和S1組成的手動復(fù)位使芯片產(chǎn)生復(fù)位脈沖復(fù)位。圖3.2 MAX813L看門狗電路3.2 風(fēng)速監(jiān)測電路風(fēng)速的測量選擇型號為PH-WS的常規(guī)型風(fēng)速傳感器。它采用傳統(tǒng)三風(fēng)杯結(jié)構(gòu)，風(fēng)杯選用碳纖維材料，強(qiáng)度高。杯體內(nèi)置的信號處理單元可根據(jù)用戶需求輸出相應(yīng)信號。具有量程大、線性好、抗雷擊能力強(qiáng)、觀測方便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。它的測量范圍在070m/s，啟動風(fēng)速小于等于0.4m/s，工作電壓5V。工作溫度-4060；相對濕度0100%。輸出信號可以是電流420mA或者電壓05V。本設(shè)計選用輸出為05V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，直接送給AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后再送至單片機(jī)進(jìn)行處理。PH-WS傳感器如圖3

38、.3所示。圖3.3 PH-WS型風(fēng)速傳感器PH-WS傳感器采用三線制，一根線+5V供電，一根線接地，一根線輸出05V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，直接輸入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。接線圖如圖3.4所示。圖 3.4 PH-WS型傳感器接線圖3.3 CO監(jiān)測調(diào)理電路大氣中CO含量的測量選用型號為ME3-CO的一氧化碳傳感器。它利用待測氣體在電解池中工作電極電位上的電化學(xué)氧化過程，待測氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與濃度成正比，通過測定電流大小就可以確定待測氣體的濃度。它的測量范圍為01000ppm，最大過載2000ppm，在空氣中可以使用三年，輸出信號為0.06uA/ppm，因?yàn)闄z測CO的范圍是050ppm，所以輸出的信

39、號范圍為03uA。分辨率0.5ppm，工作溫度范圍-2050，壓力范圍是一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，相對濕度范圍15%90%RH，線性輸出。ME3-CO傳感器如圖3.5所示。圖3.5 ME3-CO型CO傳感器CO檢測采用電化學(xué)元件ME3-CO，該元件可以得到與CO氣體濃度成正比的微弱電流信號，該信號必須要進(jìn)行放大后才能送入AD轉(zhuǎn)換。CO檢測調(diào)理電路如圖3.6和3.7所示。本設(shè)計電路中使用的運(yùn)算放大器為LM324。LM324系列器件帶有差動輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下。應(yīng)用領(lǐng)域包括傳感器放大器，直流增益模塊

40、和所有傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器現(xiàn)在可以更容易地在單電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的電路。放大器有四個引腳，引腳2和3是信號輸入引腳，引腳1是信號輸出引腳，引腳4是正電壓供電，引腳11是負(fù)電壓供電。本設(shè)計選用正負(fù)5V電壓給運(yùn)算放大器供電。電路中U9、R33、R34、R35和C17構(gòu)成了恒定電位電路，使得C、R兩級和W級之間電位保持一定。這種三電極電化學(xué)傳感器包含了工作電極W，參考電極R和輔助電極C。W的作用是在電極表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；R在沒有電流通過的前提下，用來維持工作電極與參考電極間的電壓穩(wěn)定；C用來輸出反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號，再由測量電路實(shí)現(xiàn)信號的放大。如果直接在工作電極和參考電極間加一個電壓，在電壓的作用下，工作電極

41、表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，由于此時工作電極和參考電極間形成回路，反應(yīng)產(chǎn)生的電流將通過參考電極輸出，隨著反應(yīng)電流的變化，工作電極和參考電極間的電壓也會發(fā)生改變，無法保持恒定。加入輔助電極，就是要通過反饋?zhàn)饔檬构ぷ麟姌O和參考電極間的電壓保持恒定，保證參考電極沒有電流流過，強(qiáng)迫反應(yīng)電流全部通過輔助電極輸出。當(dāng)傳感器輸出的3uA信號經(jīng)過U10被放大100倍，由公式： （3-1）公式3-1可知，選擇R38=100k，R37=1K，信號被放大100倍。第二個運(yùn)算放大器U11的R41=10K，R40=1K，信號被放大10倍，這樣被放大1000倍的信號3mA進(jìn)入同相輸入型I/V轉(zhuǎn)換器。輸入的電流首先經(jīng)輸入電阻R42變

42、為輸入電壓U=iR42后，加到運(yùn)算放大器的同相輸入端，經(jīng)過同相比例放大后得輸出電壓： （3-2）選擇R42=1K，R45=2K，R44=3K后，03mA的信號便被放大到05V電壓信號。放大后的CO信號將送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖3.6 CO檢測調(diào)理電路圖 3.7 CO檢測調(diào)理電路3.4 大氣壓監(jiān)測調(diào)理電路氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力，即等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量。氣象上使用的所有氣壓表的刻度均應(yīng)以hPa分度。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，760mmHg的氣壓等于1032.25hPa。本設(shè)計氣壓的測量選擇型號為PH-QY的氣壓傳感器。它的測量范圍為101100hPa，分辨率0.1h

43、Pa，準(zhǔn)確度0.3hPa，供電方式有DC5V、DC12V和DC24V，輸出420mA，工作環(huán)境溫度在-5080，濕度在0100%RH。PH-QY型傳感器如圖3.8所示。圖3.8 PH-QY型大氣壓傳感器大氣壓測量采用PH-QY型傳感器，它采用三線制，一根線接+5V電源，一根線接接地，一根線輸出420mA電流。它的調(diào)理電路如圖3.9所示。用+5V電壓給傳感器供電，輸出的420mA電流I經(jīng)過RC濾波電路給LM324放大器的同向端，由放大器節(jié)點(diǎn)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，調(diào)整RP使Urp=7.5

44、3V，則當(dāng)輸入為420mA的時候，輸出Uo大氣壓信號為05V。輸出的大氣壓信號可以送至AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。圖3.9 大氣壓檢測調(diào)理電路3.5 濕度監(jiān)測調(diào)理電路大氣濕度的測量選擇型號為Humirel公司生產(chǎn)的HM1500的抗腐蝕高精度濕度傳感器。其內(nèi)部電路是由HS1101型濕敏電容構(gòu)成的橋式振蕩器、低通濾波器和放大器組成。有體積小，不受水漬影響，受溫度影響極小，耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)。它的測量范圍在0100%RH，輸出典型值在濕度為55%下為2.48V，工作范圍在-3060，供電電壓37V。HM1500傳感器如圖3.10所示。圖3.10 HM500型濕度傳感器濕度的檢測采用HM1500傳感器。它采

45、用三線制，一根線接電源，一根線接地，一根線接輸出電壓。調(diào)理電路如圖3.11所示。從HM1500輸出的電壓值經(jīng)過由運(yùn)算放大器LM324組成的電壓跟隨器。所謂電壓跟隨器，它的輸入等于輸出，該電路可以消除負(fù)載變化對輸出電壓的影響。電壓Ur26也通過U6組成的電壓跟隨器，和傳感器的信號一起進(jìn)入差動放大電路，采用差動放大電路，有利于抑制共模干擾和減小溫度漂移。利用電阻的疊加原理，可得： （3-6）由公式3-6，當(dāng)Ur26電壓在14V之間變化的時候，輸出電壓為02.5V之間。通過R26消除濕度傳感器的零點(diǎn)誤差。被放大的信號送至AD轉(zhuǎn)換器。圖 3.11 濕度檢測調(diào)理電路3.6 SO2監(jiān)測調(diào)理電路大氣中SO2

46、的測量選用型號為不需要加偏壓的SO2/S-20的二氧化硫傳感器。它采用電化學(xué)原理測量空氣中二氧化硫含量的多少。它的測量范圍在020ppm，在空氣中的壽命為2年，濕度范圍在1590%RH，分辨率0.1ppm，額定輸出為1000nAppm，轉(zhuǎn)換為傳感器最大電流20uA，線性輸出穩(wěn)定。SO2/S-20傳感器如圖3.12所示。圖3.12 SO2/S-20型SO2傳感器SO2傳感器采用三電極電化學(xué)傳感器SO2/S-20。該傳感器工作原理是在電解液中放置兩個電極WE和CE，使得所測的SO2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，然后測量氣體電解時所產(chǎn)生的電流，就可以知道SO2的含量。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)中的電流流動，由此使得WE電極電位產(chǎn)

47、生了變化，導(dǎo)致了輸出的信號不穩(wěn)定，所以在傳感器上設(shè)置一個沒有電流的參考電極RE，它的主要作用是控制WE電極的電位，通過外部電路，使得WE和RE電極間保持在一個恒定的電位，本設(shè)計設(shè)計了一個恒電位電路。SO2的信號處理電路如圖3.13和3.14所示。由恒電位電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路和放大電路組成。恒電位電路由傳感器，運(yùn)放U1、電阻R7，R8，R9，C14組成的負(fù)反饋電路。運(yùn)放U1用來比較敏感電極和參考電極之間的電位，當(dāng)有電位差的時候就輸送一個信號，讓敏感電極之間有電流通過。因?yàn)閭鞲衅饔斜容^大的底點(diǎn)流和噪聲，所以在敏感電極和參考電極之間接入一個電容C14來過濾噪聲的影響。電流電壓轉(zhuǎn)換電路由U2、R11

48、、R12構(gòu)成。它把傳感器產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。運(yùn)算放大器U2的負(fù)極經(jīng)過R11接受輸出端的反饋構(gòu)成反饋電路。輸入電流為I1，輸出電壓為Vo1，由公式可以得到： （3-7）則Vo1=-I1*R12，輸出的最大電壓為Vo1=-I1max*R12。所以，選擇電阻R12的值，可以把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。反向放大電路由運(yùn)放U3、R13、R14、R15組成。把負(fù)電壓信號轉(zhuǎn)換成正電壓信號。它的輸入為Vo1，輸出為V02，由虛短和虛斷可以得到： （3-8）則Vo2=-Vo1*R13/R14=-2Vo1放大系統(tǒng)電路由運(yùn)放U4、R16、R17、R18和C15構(gòu)成。如圖3.14。把小電壓信號轉(zhuǎn)換成AD轉(zhuǎn)換所

49、需要的電壓信號。它的輸入電壓為Vo2，輸出電壓為Vo3，由虛短和虛斷可以得到： (3-9)這樣，就能使從傳感器出來的微弱電流信號轉(zhuǎn)換成AD轉(zhuǎn)換器需要的電壓。送入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。圖3.13 SO2檢測調(diào)理電路圖 3.14 SO2檢測調(diào)理電路3.7 AD轉(zhuǎn)換電路因?yàn)榇髿鈮旱臏y量范圍是5001100hPa，分辨率為0.1hPa，經(jīng)過計算，需要輸出6000個數(shù)字量，所以，至少14位的AD轉(zhuǎn)換器才能滿足要求，它最多可以輸出214=16384個數(shù)字量。大氣濕度的測量范圍是0100%RH，分辨率為1%RH，經(jīng)過計算，需要輸出100個數(shù)字量，所以，至少8位的AD轉(zhuǎn)換就能滿足要求。風(fēng)速的測量范圍是060

50、m/s，分辨率為0.1m/s，經(jīng)過計算，需要輸出600數(shù)字量，所以，至少8位的AD轉(zhuǎn)換就能滿足要求。CO的測量范圍是050ppm，分辨率為1.0ppm，經(jīng)過計算，需要輸出50個數(shù)字量，所以，至少8位的AD轉(zhuǎn)換就能滿足要求。SO2的測量范圍020ppm，分辨率為0.1ppm，經(jīng)過計算，需要輸出200個數(shù)字量，所以，至少8位的AD轉(zhuǎn)換就能滿足要求。綜上所述，AD轉(zhuǎn)換電路選用MAX1148芯片。它是一個低功耗，8通道，14位逐次逼近，串行輸出的AD轉(zhuǎn)換器。它有兩種輸出模式，一種單極性模式時輸出為二進(jìn)制，另外一種雙極性模式時輸出為二的補(bǔ)碼格式。它采用的是20引腳的TSSOP封裝。采樣速率可達(dá)116Ks

51、ps，使用4.75V5.25V單電源供電，內(nèi)置+4.096V的電壓基準(zhǔn)和時鐘電路。內(nèi)置多路模擬開關(guān)，由軟件設(shè)置CH0CH7是8路模擬信號的輸入端。VDD使用+5V電壓供電。COM是公共輸入端。單極性和雙極性模式下，當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸入不為0，而希望轉(zhuǎn)換結(jié)果為0時，需在該端輸入相應(yīng)模擬電壓。SHDN是低電平有效的關(guān)斷輸入，當(dāng)此引腳置低電平的時候，AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)入硬關(guān)斷模式，轉(zhuǎn)換立即終止。REF是AD的基準(zhǔn)電壓輸入，它是模數(shù)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓，該電壓決定了ADC輸入范圍和滿量程輸出值。在內(nèi)部模式下，Vref為+4.096V。REFADJ是帶隙基準(zhǔn)輸出和基準(zhǔn)緩沖輸入。當(dāng)此引腳連接至VDD時，禁止內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)和基準(zhǔn)

52、緩沖放大器。AGND是模擬地。DGND是數(shù)字地。DOUT是串行數(shù)據(jù)的輸出，和單片機(jī)的一個IO口連接。SSTRB是串行觸發(fā)輸出，反映了ADC的轉(zhuǎn)換狀態(tài)。DIN是串行數(shù)據(jù)輸入，用于輸入控制字。CS是片選輸入，低電平有效。只有當(dāng)CS置低電平時，數(shù)據(jù)才可以同步輸入或者輸出。SCLK是串行時鐘輸入，是數(shù)據(jù)同步輸入或輸出的移位信號。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3.15所示。圖3.15 AD轉(zhuǎn)換電路3.8 溫度監(jiān)測電路大氣的溫度檢測使用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，檢測電路如圖3.16所示。DS18B20的結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，無須外接電路。在使用過程中，可由一根I/O數(shù)據(jù)線供電和傳輸數(shù)據(jù)

53、。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制等。它的測量溫度范圍為-55+125，符合設(shè)計參數(shù)要求。分辨率為912位，可通過編程決定。它的轉(zhuǎn)換時間和分辨率有關(guān)，當(dāng)設(shè)定為9位的時候，轉(zhuǎn)換時間為93.75ms；當(dāng)設(shè)定為10位的時候，轉(zhuǎn)換時間為187.5ms；當(dāng)設(shè)定為11位的時候，轉(zhuǎn)換時間為375ms；當(dāng)設(shè)定為12位的時候，為750ms。本系統(tǒng)設(shè)定它的分辨率為12位，精度可以達(dá)到0.0625C。圖3.16 溫度檢測電路3.9 外部數(shù)據(jù)存儲電路監(jiān)測到的數(shù)據(jù)的存儲定義為8位的字節(jié)B，也就是說系統(tǒng)會為每一個數(shù)據(jù)開辟一個256字節(jié)大小的空間用來存儲，本系統(tǒng)需要一次測量6個參數(shù)的數(shù)據(jù)，每一分鐘

54、測量一次。所以如果選擇256K大小的外部數(shù)據(jù)存儲芯片，那么芯片可以存儲（256x1024）/256=1024個數(shù)據(jù)。完全滿足設(shè)計要求。外部數(shù)據(jù)存儲電路圖如圖3.17所示。外部數(shù)據(jù)儲存芯片選用基于I2C總線的256K大小PHILIPS公司生產(chǎn)的PCF8570芯片。用于儲存系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)并在網(wǎng)絡(luò)終端出現(xiàn)通訊故障的時候臨時存儲數(shù)據(jù)，當(dāng)存儲的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)之后，則刪除數(shù)據(jù)，為以后監(jiān)測的數(shù)據(jù)提供存儲空間。如圖，A0、A1、A2是器件地址選擇，這些輸入引腳用于多個器件級聯(lián)的時候設(shè)置器件地址。當(dāng)使用的時候，最大可以級聯(lián)8個器件。如果只有一個PCF8570被總線尋址，那么這三個引腳必須要接地。TE

55、ST是寫保護(hù)引腳，當(dāng)接到地的時候，允許器件進(jìn)行正常的讀寫操作。SCL引腳用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收的時鐘，這是一個輸入引腳。SDA是雙向串行傳輸引腳，用于數(shù)據(jù)的收發(fā)和接收。圖3.17外部數(shù)據(jù)存儲器電路3.10 按鍵電路按鍵電路分為獨(dú)立式按鍵和矩陣式按鍵。在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口就可以構(gòu)成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯。但是本設(shè)計因?yàn)樾枰O(shè)置的參數(shù)不多，按鍵數(shù)也不多，所以本設(shè)計選用獨(dú)立式按鍵。每個獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有

56、一個單片機(jī)的I/O口，每根I/O口線之間不會相互影響。如圖3.18所示。在鍵盤電路中，按鍵輸入采用的是低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O口有確定的高電平。按鍵的設(shè)計還應(yīng)該考慮抖動的消除，抖動的消除可以分為硬件消除和軟件消除。但是因?yàn)橛糜布哆€需要外加器件，成本相對的較高。所以本設(shè)計選用軟件消抖。軟件消抖就是當(dāng)系統(tǒng)檢測出有鍵盤閉合的時候，先執(zhí)行一個延時子程序產(chǎn)生一段時間的延時，然后等待接通時的抖動消失后在判斷是否有按鍵按下。本設(shè)計根據(jù)實(shí)際的需要，設(shè)計了四個獨(dú)立式按鍵，分別是確認(rèn)鍵、上鍵、下鍵和選擇鍵。鍵盤可以用于對系統(tǒng)時間的設(shè)定和查看實(shí)時參數(shù)時的參數(shù)選擇。當(dāng)設(shè)定系統(tǒng)時間的時候，如圖3

57、.19所示，先長按選擇鍵，再按上鍵或者下鍵對年份進(jìn)行設(shè)置后，按確認(rèn)鍵進(jìn)入下一項對月份的設(shè)置，系統(tǒng)的時間設(shè)定可以精確到分。當(dāng)設(shè)定好時間后，在沒有按鍵動作兩分鐘后，系統(tǒng)自動退出時間的設(shè)定。顯示屏自動顯示檢測到的參數(shù)。圖3.18 按鍵電路圖上下選擇確認(rèn)圖3.19 按鍵設(shè)置圖3.11 時鐘芯片電路系統(tǒng)的時鐘芯片選用DALLAS公司推出的DS1302渦流充電時鐘芯片。它內(nèi)含有一個實(shí)時時鐘/日歷和31字節(jié)的RAM，可以提供年、月、日、時、分、秒的信息，每年的天數(shù)和閏年的天數(shù)可以自動調(diào)整。時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用的小時格式。DS1302是從DS1202改進(jìn)而來的，主要增加了雙電源管腳用于主電源供

58、電和備份電源供電用于緊急情況下的供應(yīng)，此外，DS1302還增加了7個字節(jié)的儲存器。芯片的引腳圖如圖3.20所示。圖3.20芯片引腳圖VCC2接入寬工作電壓2.05.5V。VCC1接入3V干電池備用電源。X1和X2接32.768KHz晶振管腳。RST是芯片復(fù)位引腳。I/O是數(shù)據(jù)輸入輸出引腳。SCLK是同步串行時鐘輸入引腳。GND接地。它的外圍接線電路如圖3.21所示。圖3.21 DS1302外部接線圖3.12 LCD顯示電路LCD顯示電路選用DM12864M漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊。模塊內(nèi)置8192個中文漢字，128個字符及64X256點(diǎn)陣顯示。顯示電路如圖3.22所示。DM12864M可以顯示

59、漢字，圖形以及數(shù)字。電源用+3.3V+5V供電，內(nèi)置升壓電路，無需負(fù)壓。和單片機(jī)接口可以選擇8位或者4位并行和3位串行。本設(shè)計為了節(jié)約單片機(jī)I/O口，采用了3位串行傳輸。當(dāng)模塊的PSB引腳接為低電平的時候，模塊和單片機(jī)的連線即用三根線：引腳CS為串行的片選信號、引腳SID為串行的數(shù)據(jù)口和引腳CLK串行的同步時鐘進(jìn)行傳輸。模塊的引腳VSS為電源地，引腳VDD為電源正端接電源，引腳VO為LCD驅(qū)動電壓的輸入端，引腳DB0DB7為并行傳輸時候的數(shù)據(jù)線，引腳RET為復(fù)位端，低電平有效，引腳LA為背光源正極，引腳LK為背光源負(fù)極接地。圖3.22 DM12864LCD顯示電路3.13 單片機(jī)接口擴(kuò)展電路由

60、于單片機(jī)本身I/O口數(shù)量的限制，設(shè)計使用了具有I2C并行擴(kuò)展芯片PCF8574。它的工作電壓在2.56.0V之間，通過兩條雙向總線I2C可以擴(kuò)展單片機(jī)的I/O口。芯片包含一個8位準(zhǔn)雙向口和一個I2C總線接口，PCF8574的每個I/O口都可以單獨(dú)用作輸入或者輸出使用。芯片還帶有一條中斷接線INT可以和單片機(jī)的中斷邏輯相連，通過INT發(fā)送中斷信號，這樣I/O不必經(jīng)過I2C總線通信就可以通知單片機(jī)是否有數(shù)據(jù)從端口輸入。I2C不同于其他模塊之間的雙線通訊，它的兩條線一條為串行數(shù)據(jù)線SDA，另一條為串行時鐘線SCL，當(dāng)和器件的輸出相連時，兩條線都必須接4.7K的上拉電阻。因?yàn)镮2C總線上的器件都是共用

61、總線的，因此，在進(jìn)行通信的時候，主器件選擇需要通訊的器件，即進(jìn)行總線尋址。I2C總線上的器件都有唯一的一個地址，共7位，這是器件出廠時就已經(jīng)給定的，不可以更改。PCF8574通過3個硬件地址引腳A0、A1、A2可以尋址8個器件，即通過A0、A1、A2連接到單片機(jī)上，可以控制芯片的p0p7口。I/O口擴(kuò)展電路如圖3.23所示。圖3.23 I/O口擴(kuò)展電路3.14 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路本設(shè)計需要使用集氣瓶來收集空氣樣本，這樣集氣瓶的瓶蓋開啟和關(guān)閉就需要用電機(jī)來驅(qū)動。本設(shè)計電機(jī)選擇型號為DM-01,DC輸入的12V直流電動機(jī)。它的額定功率為1W，額定電流為0.08A，額定轉(zhuǎn)矩為511NM。如圖3.24

62、所示。電機(jī)通過一個開關(guān)裝置和瓶蓋相連，開關(guān)裝置的轉(zhuǎn)矩為8NM，電機(jī)通過正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來控制瓶蓋的開啟或者關(guān)閉。 圖3.24 DM-01型12V直流電機(jī)單片機(jī)控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)設(shè)計采用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片，如圖3.25所示。它是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)含有4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器。無需隔離電路，可以通過單片機(jī)的I/O口輸入改變芯片控制端的電平，即輸入端與輸出端的邏輯關(guān)系如表3.1所示，這樣就可以對46V、2A以下的電機(jī)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作。在電機(jī)正轉(zhuǎn)的時候，如果想控制其轉(zhuǎn)動速度，通過一個輸入口輸入PWM信號，單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號可以利用定時器過著延時的方法產(chǎn)生一定占空比的矩形波，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會受到該信號的控制，同樣的方法可以應(yīng)用于電極反轉(zhuǎn)的時候。本設(shè)計因?yàn)樾枰可w勻速地開啟或者關(guān)閉，所以不用控制轉(zhuǎn)速的快慢。芯片需要從外部接兩個電源，VSS接+5V用于芯片的供電，VS接+12V給驅(qū)動直