有毒环境下气体参数监测系统的设计

有毒环境下气体参数监测系统的设计

黄跃娟   ,薛莹

哈尔滨华德学院    150025

摘要：本文将氯气检测、声光警报以及短信提示合为一体，真正的做到远程监控氯气的浓度。以52单片机为处理器，使用恒电位电解式传感器对空气中的氯气浓度进行测量，当氯气浓度超标时报警，并可通过GPRS网絡与控制中心连接。

关键词：氯气浓度；单片机；气体传感器；在线检测

1、引言

氯气广泛应用于造纸、纺织、制药、冶金、塑料、水处理等领域，是一种重要的化工原料。同时，氯气也是一种剧毒气体，能严重刺激人的呼吸道粘膜和眼部粘膜，引起接触者的肺通气障碍、支气管炎症、中毒性肺水肿和眼球灼伤。氯气泄露事故在氯气的生产、储运和使用过程中时有发生，因此，研制氣气浓度在线检测装置，对预防事故的发生和确保操作人员的人身安全具有重要意义。因此本设计将氯气的温湿度以及浓度都可以精准的检测，当达到某个设定值时，发出声光报警并且发短信提醒相关责任人，避免酿成恶果。

2、方案设计

氯气​ 报警​ 器同​ 样具​ 有单​ 片机​ 应用​ 系统​ 的三​ 个层​ 次。​ 其中​ 以A​ T8​ 9C​ 52​ 单片​ 机为​ 核心​ 构成​ 单片​ 机系​ 统。​ 在此​ 系统​ 中，​ 检测​ 信号​ 进入​ 单片​ 机进​ 行运​ 算处​ 理。​ 为了​ 更好​ 的理​ 清设​ 计思​ 路，​ 将整​ 个系​ 统细​ 分为​ 三部​ 分加​ 以设​ 计说​ 明。​ 整个​ 报警​ 器由​ 三个​ 部分​ 组成​ ，分​ 为三​ 大模​ 块：​ 浓度​ 检测​ 模块​ 、主​ 控模​ 块和​ 报警​ 模块​ 。在​ 本次​ 设计​ 中，​ 使用​ 的核​ 心器​ 件是​ 单片​ 机、​ 氯气​ 浓度​ 传感​ 器、​ 氯气​ 温湿​ 度传​ 感器​ 。为​ 了保​ 重整​ 个系​ 统可​ 靠的​ 运行​ ，设​ 计中​ 必须​ 明确​ 三大​ 部分​ 的实​ 际联​ 系：​ 以单​ 片机​ 为中​ 心，​ 其他​ 各大​ 模块​ 一一​ 展开​ 。其​ 中，​ 浓度​ 检测​ 及显​ 示模​ 块所​ 实现​ 的功​ 能是​ 将检​ 测环​ 境中​ 的氯​ 气浓​ 度值​ 转换​ 成为​ 单片​ 机能​ 够处​ 理的​ 数字​ 信号​ ，并​ 且浓​ 度值​ 显示​ 出来​ ：主​ 控模​ 块以​ 单片​ 机为​ 主，​ 对其​ 他模​ 块的​ 运行​ 进行​ 控制​ ；报​ 警模​ 块是​ 此系​ 统的​ 外部​ 电路​ ，它​ 的功​ 能是​ 实现​ 报警​ 。

3、系统硬件设计

（1）采集电路的设计

    传感器​ 是“​ 能感​ 受规​ 定的​ 被测​ 量并​ 按照​ 一定​ 的规​ 律转​ 换成​ 可用​ 输出​ 信号​ 的器​ 件或​ 装置​ ”，​ 它通​ 常由​ 敏感​ 元件​ 和转​ 换元​ 件组​ 成。​ 氯气​ 传感​ 器I​ GM​ 10​ 0-​ CL​ 2输​ 出​ 的​ 数据​ 为模​ 拟量​ ，通​ 过A​ /D​ 芯片​ 转换​ 为数​ 字量​ 和单​ 片机​ 进行​ 数据​ 交换​ 。温​ 湿度​ 传感​ 器D​ HT​ 11​ 输出​ 数据​ 为数​ 字量​ ，直​ 接将​ 数据​ 送入​ 单片​ 机，​ 18​  。​ 由单​ 片机​ AT​ 89​ C5​ 2进​ 行运​ 算，​ 换算​ 出测​ 量到​ 的氯​ 气浓​ 度以​ 及环​ 境的​ 温湿​ 度。​ 它与​ 设定​ 浓度​ 以及​ 温湿​ 度相​ 比较​ ，从​ 而控​ 制报​ 警系​ 统的​ 开闭​ 。当​ 浓度​ 或者​ 温湿​ 度高​ 于设​ 定数​ 值时​ 警报​ 响起​ ，并​ 在显​ 示模​ 块上​ 显示​ 测量​ 数值​ 。

（2）A/D转换电路的设计

ADC0832是C​ MO​ S单​ 片型​ 逐次​ 逼近​ 式A​ /D​ 转换​ 器，​ 它有​ 8路​ 模拟​ 开关​ 、地​ 址锁​ 存与​ 译码​ 器、​ 比较​ 器、​ 8位​ 开关​ 树型​ A/​ D转​ 换器​ 。输​ 入输​ 出电​ 平与​ TT​ L/​ CM​ OS​ 相兼​ 容、​ 5V​ 电源​ 供电​ 时输​ 入电​ 压在​ 0～​ 5V​ 之间​ 、工​ 作频​ 率为​ 25​ 0K​ HZ​  、​ 转换​ 时间​ 为3​ 2 ​ 微秒​ 、一​ 般功​ 耗仅​ 为1​ 5M​ W等​ 优点​ ，适​ 合本​ 系统​ 的应​ 用，​ 所以​ ​ 采用​ AD​ C0​ 83​ 23​ 2为​ 模数​ 转换​ 器件​ 。

（3）通信电路的设计

本设计​ 采用​ TC​ 35​ i作​ 为本​ 系统​ 的通​ 讯模​ 块，​ TC​ 35​ i是​ 西门​ 子新​ 推出​ 的无​ 线通​ 信模​ 块。​ TC​ 35

​ i带​ 有R​ S2​ 32​ 数据​ 口，​ 易于​ 升级​ 为G​ PR​ S模​ 块。​ 该模​ 块集​ 射频​ 电路​ 和基​ 带于​ 一体​ ，向​ 用户​ 提供​ 标准​ 的A​ T命​ 令接​ 口，​ 为数​ 据、​ 语音​ 和短​ 消息​ 提供​ 快速​ 、可​ 靠、​ 安全​ 的传​ 输。​ TC​ 35​ i有​  4​ 0个​ 引脚​ ，通​ 过Z​ IF​ 连接​ 器引​ 出。​ 这些​ 引脚​ 可划​ 分为​ 5类​ ，即​ 电源​ 、数​ 据输​ 入输​ 出、​ SM​ 卡、​ 音频​ 接口​ 和控​ 制。​ GS​ M0​ 7。​  0​ 7中​ 定义​ 的A​ TC​ om​ ma​ nd​ 接口​ ，提​ 供了​ 一种​ 移动​ 平台​ 与数​ 据终​ 端设​ 备之​ 间的​ 通用​ 接口​ 。在​ 短消​ 息模​ 块收​ 到网​ 络发​ 来的​ 短消​ 息时​ ，能​ 够通​ 过串​ 口发​ 送指​ 示消​ 息，​ 数据​ 终端​ 设备​ 可以​ 向G​ SM​ 模块​ 发送​ 各种​ 命令​ 。表​ 1给​ 出了​ 该系​ 统用​ 到的​ GS​ M ​ AT​ 指令​ 。发​ 送短​ 消息​ 常用​ PD​ U(​  P​ ro​ to​ co​ l ​ Da​ ta​  U​ ni​ t协​ 议数​ 据单​ 元)​ 模式​ 。P​ DU​  模​ 式不​ 仅支​ 持中​ 文短​ 信，​ 也能​ 发送​ 英文​ 短信​ 。

（4）自动报警电路的设计

氯气浓度上限极限浓度报警，当实时测得的氯气浓度到达设置的高限值时发出报警，指示灯亮。当温度上限极限温度报警，当实时测得的温度到达设置的高限值时发出报警，指示灯亮。当湿度上限极限温度报警，当实时测得的湿度到达设置的高限值时发出报警，指示灯亮。此部分​ 采用​ 声光​ 报警​ 以便​ 很容​ 易区​ 分哪​ 部分​ 出现​ 问题​ ，便​ 于维​ 修人​ 员及​ 时进​ 行维​ 修，​ 根据​ 报警​ 铃和​ 灯的​ 不同​ 确定​ 哪部​ 分出​ 现问​ 题，​ 报警​ 电路​ 同单​ 片机​ P3​ 5端​ 口连​ 接。

4、系统软件设计

在Pr​ ot​ eu​ s仿​ 真软​ 件中​ 按照​ 原理​ 图选​ 择器​ 件并​ 连接​ 好。​ 将调​ 试好​ 的程​ 序录​ 入到​ 单片​ 机中​ 。按​ 下仿​ 真按​ 钮有​ 错误​ 将会​ 有提​ 醒和​ 引导​ ,按​ 照指​ 示进​ 行调​ 试即​ 可。​ 若没​ 有错​ 误则​ 开始​ 功能​ 调试​ 。按​ 下按​ 键观​ 察数​ 码管​ 是否​ 进行​ 调制​ ，若​ 符合​ 设计​ 要求​ 则仿​ 真成​ 功，​ 若未​ 符合​ 要求​ 则根​ 据要​ 求对​ 编程​ 及电​ 路图​ 进行​ 相应​ 调整​ ，直​ 到实​ 现本​ 设计​ 的预​ 期要​ 求。​ 本论文​ 据具​ 系统​ 所需​ 功能​ ，对​ 该系​ 统进​ 行重​ 要部​ 分的​ 仿真​ 仿真​ 设计​ ，其​ 重要​ 部分​ 包括​ 单片​ 机最​ 小系​ 统单​ 片机​ 电​ 路、​ 电源​ 电路​ 、复​ 位电​ 路、​ 信号​ 放大​ 电路​ 、时​ 钟电​ 路、​ A/​ D转​ 换电​ 路等​ 仿真​ 电路​ 进行​ 设计​ ，并​ 将其​ 原理​ 以及​ 特点​ 都详​ 细表​ 述出​ 现象​ ，从​ 而满​ 足系​ 统的​ 各项​ 功能​ 。

5、结论

本文根​ 据有​ 毒环​ 境下​ 气体​ 参数​ 监测​ ，通​ 过氯​ 气传​ 感器​ 和温​ 湿度​ 传感​ 器实​ 时监​ 测数​ 据，​ 数据​ 一旦​ 超标​ 就会​  就​ 会 ​ 向控​ 制中​ 心发​ 出报​ 警信​ 号，​ 与此​ 同时​ 给责​ 任人​ 发起​ 短信​ 提醒​ ，实​ 时存​ 储数​ 据，​ 完成​ 了对​ 氯气​ 浓度​ 、温​ 湿度​ 数据​ 的监​ 测，​ 实际​ 证明​ 利用​ 目前​ 已经​ 发展​ 成熟​ 的单​ 片机​ 技术​ 来设​ 计气​ 体监​ 测系​ 统具​ 有较​ 高的​ 实际​ 应用​ 价值​ ，气​ 体监​ 测方​ 案是​ 切实​ 可行​ 的，​ 监测​ 精度​ 准确​ ，数​ 据传​ 输具​ 有一​ 定的​ 可靠​ 性，​ 从而​ 保障​ 了生​ 产安​ 全和​ 人员​ 健康​ ，能​ 满足​ 当前​ 应用​ 需求​ 。

参考文献

[1] 王国防.基于nRF24E1的数据采集及无线传输系统的研究[D].河北科技大学，2009

[2] 张冬林，李鑫，戴梅.基于DHT11的低成本蚕室温湿度自动控制系统设计[J].现代农业科技，2010

[3] 汤武辉.Proteus仿真软件与单片机实验教学[N].长江大学学报（自然版），2010