胡钰晗
摘 要：设计了一款以AT89S52单片机为核心，利用电化学SO2传感器3STF CiTipeL，将数据经传感器采样，AD量化，单片机处理后传至LCD显示，并利用按键设置报警值，在超过报警值时可通过点亮发光LED发出警报。该设计精确实现了大气环境实时监测，可广泛运用于工作及生活环境大气监测。
关键词：单片机；传感器；大气监测；AD采样；外设控制
1 概述
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，能源消耗总量中原煤占的比例高达70%左右。其主要排放物为SO2，因SO2排放造成的空气污染也日益加重。我国硫酸型酸雨在西南地区覆盖面积广，对土壤和植物都产生了生态损害；且据多项实验表明，大气中SO2浓度超标会产生对人类眼和呼吸道的强烈刺激作用，极大的威胁人类健康。国内标准的传统监测方法主要为分光光度法，该方法采用取样后处理的方法，操作复杂，不具有实时性。针对以上问题，本文基于AT89S52单片机设计了一款SO2浓度检测系统，该系统利用电化学传感器采集数据，通过A/D转换器进行处理后，将数据在LCD上实时显示，通过按键设备人为设定报警值，超过该值后通过点亮发光二极管发出警报。本检测仪结果可靠性高，可广泛运用在生活及工作环境。
2 系统方案设计
本检测系统将SO2浓度通过电化学传感器将信息采集后，发送到单片机进行处理，再发送至LCD显示，当超出按键设置的报警值时，发光二极管亮起报警提醒外界操作处理。
本系统以AT89S52单片机为核心，检测仪结构硬件设计框图如图1所示：
3 硬件设计
3.1 传感器的检测原理
传感器采用电化学原理。设计中选用3STF CiTipeL电化学传感器来检测SO2浓度，该传感器由三个电极构成，分别为：工作电极、参比电极、对电极。
发生在3STF CiTipeL传感器的电极总反应为：
2SO2+O2+2H2O=2H2SO4
以上为反应机理，通过转移电子而形成可供监测的电流，且该电流值与当当前SO2浓度呈正相关关系，由此可通过计算测得得浓度。通过I/F转换电路实现电流到电压的转换。
3.2 A/D转换器
由于该电化学化学传感器输出的是电流信号，为了实现监测信号与单片机之间的接口，必须使用A/D转换器将电流信号转变为数字信号。本设计采用美国MAXIM公司的MAX197。MAX197是一种多量程、高精度的高速A/D转换芯片，它只需+5V电源供电，输入电压范围可由使用者灵活选择，且具有良好的性价比。MAX197引脚功能如图2。
3.3 中央控制单元AT89S52单片机
本设计要求系统达到低能耗、高性能、成本低、灵活高效等优点，所以系统采用Atmel公司AT89S52单片机作为系统CPU，该单片机与MCS-51兼容，具有8k字节（Byte）Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。AT89S52单片机引脚图如图3，其中P0脚接8位AD量化输出。
通过AT89C52的P0.0～P0.7与MAX197的D0～D7相连，既用于输入MAX197的初始化控制字，也用于读取转换结果数据。用AT89C52单片机的P2.7作片选信号（低电平有效），则MAX197的高位地址为7FH（01111111）。AT89C52单片机的P1.1脚用做判读高、低位数据的选择线，直接与HBEN脚相连。MAX197的INT脚可与AT89C52的INT0相连，以便实现中断，读取转换结果。
3.4 键盘电路
键盘是智能仪器中重要的人机交流接口，本设计中键盘是用来输入预定的浓度范围，以达到人为根据环境设定SO2报警浓度值的目的。本系统设计了三个按键，分别为+键、-键、向下一位移动光标键，来完成对参数的调整。键盘电路为独立按键式，初始时显示为00.0ppm，利用移动光标键选择设置的位置，+键及-键可让选中位置数字由0到9依次变化。
3.5 显示电路
本设计浓度显示部分采用液晶显示器12864，以ppm为单位实时显示SO2浓度，报警值参数设定时模块采用8段共阳极数码管7SEG-MPX4-CA，可显示设定值，通过单片机的功能引脚可控制液晶显示指令。12864接口如图4。
3.6 发光二极管报警
发光二极管用于提醒外界环境SO2浓度超过设定值，提示信号为一个单一发光二极管亮起，其电路简单、成本低，但仍可以很好的实现提示报警的功能。发光二极管与单片机P1.0引脚相连，通过外部上拉电阻控制电平的高低，点亮或关掉二极管。（如图5）
4 软件设计
主程序软件流程设计如图6。
在主流程中，对采样点进行了实时监测，采样点的空气质量变化会被实时更新，并由显示程序显示出来动态值，LED灯也会在浓度变化后做出及时的反应。
其中，数据处理子程序的软件流程设计如图7所示。
数据处理子程序对采样到的数据进行了去抖，防止采样点附近突然的大气扰动影响了测试的准确性。
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