气敏传感器的气体检测系统设计与实现【字数：11402】
摘 要目前，在日常生活及生产中，有毒有害气体广泛存在于人类的工厂原料生产、储存、排放、垃圾焚烧等中，这些有毒有害气体对人类身体健康造成严重的影响。因此，本项目设计了一种基于机器嗅觉的有毒有害气体的检测系统，用于对有毒有害气体进行实时的检测和监测，具有较好的应用前景和现实意义。具体的工作如下（1）针对需要设计的气体检测系统的技术指标（检测对象和精度），结合设计成本选择4种金属氧化物传感器（4种MQ系列）构建采集阵列系统，通过OLED12864在下位机显示输出。（2）采用STM32F103C8T6作为主控制芯片，并设计晶振及外设接口电路（串口、ADC及无线接口），构建最小控制系统；设计了基于线性稳压芯片两级降压电路 7.4V转5V （LM317），5V转3.3V（AMS1117）供后续的气体检测电路（传感器阵列）和主控电路（STM32）供电。（3）设计了12位的ADC转换，通过串口将所设计的4种传感器阵列采集数据下载至串行口，通过无线传输模块，将数据上传至上位机PC端，并在PC端设计了基于LabVIEW的上位机显示界面。最后，对4种传感器阵列进行了优化，设计并实现了基于STM32和4种气敏传感器阵列的采集及控制系统，并制作了PCB板，实测结果表示，本项目设计的系统能够实现烷烃及CO等气体的有效检测和显示输出。
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究的目的与意义 1
1.3国内外研究现状分析 2
1.3.1国内外研究现状 2
1.3.2现阶段存在的问题 3
1.4本文的主要内容及章节安排 3
1.4.1主要研究内容 3
1.4.2论文章节安排 3
2. 气敏传感器简介 4
2.1金属氧化物传感器 5
2.2电化学传感器 5
2.3光纤气敏传感器 6
2.4石英晶体震荡传感器 6
2.5本章小节 6
3. 检测系统硬件设计 7
3.1 传感器选型及设计 8
3.1.1 MQ2传感器 8
3.1.2 MQ5传感器 9
3.1.3 MQ7传感器 9
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
.4 MQ135传感器 10
3.2 核心控制电路设计 10
3.2.1 核心控制系统设计 10
3.2.2 电源模块 11
3.2.3 晶振电路 12
3.2.4 外设接口 12
3.3 显示模块 13
3.4 无线传输模块 13
3.5 本章小节 14
4. 检测系统软件设计 15
4.1软件总体介绍 15
4.2 STM32单片机软件编译 16
4.2.1 单片机开发软件介绍 16
4.2.2 单片机程序初始化设计 16
4.2.3 OLED12864显示设计 16
4.2.4 ADC采集设计 17
4.2.5 无线串口模块设计 19
4.3 基于LabVIEW上位机设计 20
4.4本章小节 22
5. 整机系统调试及分析 23
5.1传感器系统设计测试 23
5.2控制系统测试及联调 24
5.2.1下位机测试 24
5.2.2上位机测试 25
5.3整体系统联调 27
5.4本章小节 29
6. 总结与展望 30
6.1总结 30
6.2展望 30
6.3课题实施对环境及可持续发展的影响 30
参考文献 32
致谢 33
附录 34
附录一 系统电路原理图和PCB 34
附录二 系统核心代码 36 1. 绪论
1.1课题研究背景
随着经济的快速发展，环境污染问题日渐突显，如汽车尾气排放、工业废气、废水排放、垃圾焚烧等导致的温室效应、酸雨、雾霾天气等问题[1]，如图11所示为有毒有害气体产生来源。
/
图11毒害气体源（工业废气及垃圾焚烧）
科学研究表明[2]，环境污染对人们的身体健康有重大影响，如表11所示，如在呼吸系统方面会刺激肺部使其造成炎症方面的反应，肺部排除污染物能力下降，引起鼻炎、慢性咽炎、慢性支气管炎等；在心血管方面，会引起血液成分的改变，血液粘度增加，引起动脉收缩，血压升高。
表11毒害气体（典型）对人体产生的影响
气体类型
少量超标
严重超标
硫化氢
刺激呼吸道
丧失嗅觉
一氧化碳
头痛、呕吐
失去知觉
二氧化碳
眼花耳鸣
呼吸困难
甲醛
诱发哮喘
致癌
二氧化硫
刺激气管、咳嗽
损伤神经
1.2课题研究的目的与意义
随着人们生活水平的提升，对于环境的意识也逐渐增强，环境污染作为一项综合性社会问题，解决的过程需要多部门及群体协同合作[35]。
目前，对于毒害气体的快速检测及监测是解决环境污染的基础问题，常见的毒害气体检测方法主要集中在物理方法（沉积法）和化学检测方法（GMMS）等[68]存在操作要求高、检测周期长等缺陷，如何实现毒害气体的快速准备检测及监测具有重要的意义。
基于上述分析，本课题设计了基于STM32为控制系统，结合金属氧化物气敏传感器的毒害气体检测及监测系统，同时设计了基于CC2240的无线传输系统，实现毒害气体检测信息的传输，并在PC端基于LabVIEW的上位机显示界面，实现毒害气体的实时显示，达到监测目的。
1.3国内外研究现状分析
1.3.1国内外研究现状
（1）国外研究现状
有关毒害气体检测设备的研究，依据文献报道可追溯至上世纪60年代， 60年代法国的KIMO公司所设计的TH型号产品[9]，主要用于检测环境中的温湿度和烷烃情况；1984年，美国的Stetter首先实现构建传感器阵列[10]，从而开展综合测量方面的工作；其后德国的Air Sense公司[11]，法国的Alpha MOS公司也先后完成了商业化气体检测设备的研发[12]，并推向市场，表12展示了当前主流的气敏传感器检测设备商及产品。
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究的目的与意义 1
1.3国内外研究现状分析 2
1.3.1国内外研究现状 2
1.3.2现阶段存在的问题 3
1.4本文的主要内容及章节安排 3
1.4.1主要研究内容 3
1.4.2论文章节安排 3
2. 气敏传感器简介 4
2.1金属氧化物传感器 5
2.2电化学传感器 5
2.3光纤气敏传感器 6
2.4石英晶体震荡传感器 6
2.5本章小节 6
3. 检测系统硬件设计 7
3.1 传感器选型及设计 8
3.1.1 MQ2传感器 8
3.1.2 MQ5传感器 9
3.1.3 MQ7传感器 9
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
.4 MQ135传感器 10
3.2 核心控制电路设计 10
3.2.1 核心控制系统设计 10
3.2.2 电源模块 11
3.2.3 晶振电路 12
3.2.4 外设接口 12
3.3 显示模块 13
3.4 无线传输模块 13
3.5 本章小节 14
4. 检测系统软件设计 15
4.1软件总体介绍 15
4.2 STM32单片机软件编译 16
4.2.1 单片机开发软件介绍 16
4.2.2 单片机程序初始化设计 16
4.2.3 OLED12864显示设计 16
4.2.4 ADC采集设计 17
4.2.5 无线串口模块设计 19
4.3 基于LabVIEW上位机设计 20
4.4本章小节 22
5. 整机系统调试及分析 23
5.1传感器系统设计测试 23
5.2控制系统测试及联调 24
5.2.1下位机测试 24
5.2.2上位机测试 25
5.3整体系统联调 27
5.4本章小节 29
6. 总结与展望 30
6.1总结 30
6.2展望 30
6.3课题实施对环境及可持续发展的影响 30
参考文献 32
致谢 33
附录 34
附录一 系统电路原理图和PCB 34
附录二 系统核心代码 36 1. 绪论
1.1课题研究背景
随着经济的快速发展，环境污染问题日渐突显，如汽车尾气排放、工业废气、废水排放、垃圾焚烧等导致的温室效应、酸雨、雾霾天气等问题[1]，如图11所示为有毒有害气体产生来源。
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图11毒害气体源（工业废气及垃圾焚烧）
科学研究表明[2]，环境污染对人们的身体健康有重大影响，如表11所示，如在呼吸系统方面会刺激肺部使其造成炎症方面的反应，肺部排除污染物能力下降，引起鼻炎、慢性咽炎、慢性支气管炎等；在心血管方面，会引起血液成分的改变，血液粘度增加，引起动脉收缩，血压升高。
表11毒害气体（典型）对人体产生的影响
气体类型
少量超标
严重超标
硫化氢
刺激呼吸道
丧失嗅觉
一氧化碳
头痛、呕吐
失去知觉
二氧化碳
眼花耳鸣
呼吸困难
甲醛
诱发哮喘
致癌
二氧化硫
刺激气管、咳嗽
损伤神经
1.2课题研究的目的与意义
随着人们生活水平的提升，对于环境的意识也逐渐增强，环境污染作为一项综合性社会问题，解决的过程需要多部门及群体协同合作[35]。
目前，对于毒害气体的快速检测及监测是解决环境污染的基础问题，常见的毒害气体检测方法主要集中在物理方法（沉积法）和化学检测方法（GMMS）等[68]存在操作要求高、检测周期长等缺陷，如何实现毒害气体的快速准备检测及监测具有重要的意义。
基于上述分析，本课题设计了基于STM32为控制系统，结合金属氧化物气敏传感器的毒害气体检测及监测系统，同时设计了基于CC2240的无线传输系统，实现毒害气体检测信息的传输，并在PC端基于LabVIEW的上位机显示界面，实现毒害气体的实时显示，达到监测目的。
1.3国内外研究现状分析
1.3.1国内外研究现状
（1）国外研究现状
有关毒害气体检测设备的研究，依据文献报道可追溯至上世纪60年代， 60年代法国的KIMO公司所设计的TH型号产品[9]，主要用于检测环境中的温湿度和烷烃情况；1984年，美国的Stetter首先实现构建传感器阵列[10]，从而开展综合测量方面的工作；其后德国的Air Sense公司[11]，法国的Alpha MOS公司也先后完成了商业化气体检测设备的研发[12]，并推向市场，表12展示了当前主流的气敏传感器检测设备商及产品。
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