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基于单片机的空气污染指数检测系统的研究

【摘要】基于单片机的空气污染指数检测显示系统是应用气敏传感器采集空

气信息，将采集到的信号转变为电信号，再将采集数据通过A/D转换、微处理

器对数据处理，检测出空气中二氧化硫、氮氧化物和悬浮颗粒物等主要污染物的

含量，最后通过显示器显示，超出设定值时报警。

【关键词】单片机;气敏传感器;空气污染指数

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MAX1270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GPE12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