1、基于单片机的智能污水有害气体电子鼻检测系统设计
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2、系统功能介绍
随着城市污水处理行业的快速发展，污水处理厂在运行过程中常常伴随多种有毒有害气体的产生，例如硫化氢（H₂S）、氨气（NH₃）、甲烷（CH₄）以及一氧化碳（CO）等。这些气体不仅具有强烈的刺激性和腐蚀性，还可能对操作人员的人身安全造成严重威胁，因此设计一套能够对上述气体进行实时检测与报警的智能监控系统具有重要意义。
电子鼻检测系统是一种模拟人体嗅觉系统的电子结构，通过多种气体传感器对特定气体进行识别、浓度测量和实时报警。本设计基于 STC89C51 单片机，构建一个多传感器融合的智能污水厂有害气体检测系统。系统能够实时监测 H₂S、NH₃、CH₄ 和 CO 的气体浓度，自动转换为数字量并显示，同时系统还具备温湿度监控报警功能，确保污水厂环境在安全范围内运行。
系统主要功能如下：
（1）传感器采集功能
系统配置多种气体传感器，包括硫化氢（H₂S）、氨气（NH₃）、甲烷（CH₄）以及一氧化碳（CO）传感器，每个传感器均可输出模拟电压信号。通过 A/D 转换器获取对应浓度值，实现高精度实时检测。
（2）数据处理功能
所有采集到的模拟信号将经过 A/D 模块转换为数字量，并输入到 STC89C51 单片机。单片机通过查表或公式计算得到最终的气体浓度值，完成数据滤波、区分与分析，保证监测数据的准确性与稳定性。
（3）实时显示功能
LCD 液晶模块用于显示多种气体浓度和温湿度，界面简洁明了，使操作人员能够实时掌握当前环境状态。显示模块可以按照轮询方式展示各气体浓度，或者采用分屏方式进行实时同时显示。
（4）声光报警功能
当某种气体浓度达到预警值，或者温湿度超过规定范围时，系统可自动启动蜂鸣器与 LED 灯，发出声光报警提醒操作人员及时采取措施。
（5）人机交互功能
按键模块用于设置温度与湿度的上下限以及系统工作模式。例如可以设置温度过高报警的阈值、湿度过高报警的阈值，同时还可进行系统复位与环境参数校准操作。
（6）电源供电功能
系统采用独立电源模块，为不同传感器模块、单片机、A/D 转换器、液晶模块和报警模块提供稳定电压。为防止传感器电源噪声干扰，电源模块内部加入必要的稳压与滤波措施。
该系统通过多模块协同工作，实现污水厂有害气体的智能检测、数据分析和安全报警，使其成为一种可靠、实用的环境安全监测设备。
3、系统电路设计
智能电子鼻检测系统的电路设计由多个模块组成，各模块之间通过单片机协调运行。本部分将详细介绍系统所使用的硬件电路模块，包括气体传感器模块、A/D 转换模块、单片机系统模块、液晶显示模块、报警电路模块以及电源模块。
3.1 气体传感器模块
气体传感器是整个系统的核心检测组件，负责将空气中不同气体的浓度信息转化为对应的模拟电压信号。本设计采用常见的半导体气体传感器，如：
- MQ-136（硫化氢）
- MQ-137（氨气）
- MQ-4（甲烷）
- MQ-7（一氧化碳）
气体传感器模块特点：
（1）输出为与浓度成比例的模拟电压 ：例如 0.1V--4.8V 对应不同浓度范围；
（2）需要一定的预热时间 ，通常数十秒至几分钟；
（3）对温湿度敏感 ，因此必须结合温湿度传感器进行校准；
（4）需要高稳定电源以避免检测误差。
传感器输出接入 A/D 模块进行数字转换，使单片机能够进行数值处理。
3.2 A/D 转换模块
由于 STC89C51 单片机本身不带 A/D 转换功能，因此系统采用独立 A/D 转换器，如 ADC0809 或 12 位精度的 ADS1115。A/D 模块主要完成：
（1）将模拟电压转换为数字量；
（2）提供多通道输入（如 ADC0809 的 8 通道输入）；
（3）转换结果通过并行或串行通信送入单片机。
A/D 模块设计要点：
- 输入模拟信号范围需与传感器输出范围一致；
- 必须加入 RC 滤波器减少噪声；
- A/D 参考电压（Vref）影响精度；
- 数字输出接口需与 89C51 的端口兼容。
A/D 模块是系统信号处理的重要部分，其转换精度直接影响最终数据显示的准确性。
3.3 STC89C51 单片机系统
作为整个电子鼻系统的核心，单片机实现以下功能：
（1）接收 A/D 转换后的数字数据并进行处理；
（2）计算当前气体浓度并判断是否超过预警值；
（3）控制 LCD 显示不同的浓度数据；
（4）监控温湿度参数与报警阈值；
（5）输出控制信号驱动蜂鸣器与报警 LED；
（6）响应按键输入并设置参数。
单片机系统包括：
- 复位电路（电容 + 电阻 + 按键）
- 晶振电路（一般为 11.0592MHz）
- 程序下载接口（ISP）
- I/O 扩展接口等
系统稳定性依赖单片机部分的电路质量，因此必须保证电源与晶振电路可靠。
3.4 LCD 显示模块
显示模块采用 1602 液晶或者更高分辨率的 12864 液晶模块。其功能是实时显示浓度数据与温湿度信息。
显示内容包括：
- 当前硫化氢浓度：xx ppm
- 当前氨气浓度：xx ppm
- 当前甲烷浓度：xx ppm
- 当前一氧化碳浓度：xx ppm
- 当前温度与湿度值
- 报警状态显示
液晶模块通过并口或 I2C 接口与单片机通信。
3.5 报警模块
报警功能采用蜂鸣器和红色高亮 LED 灯。报警触发条件包括：
（1）气体浓度超过上限
（2）温度超过上限
（3）湿度超过上限
报警模块设计要素：
- 蜂鸣器驱动需要三极管放大
- LED 需串联限流电阻
- 可实现闪烁或者连续报警模式
- 可通过按键消除报警声
报警模块是本系统安全保护的重要组成部分。
3.6 按键模块
按键模块用于：
- 设置温度上限
- 设置湿度上限
- 系统复位
- 模式切换
按键采用独立输入方式，使用软件消抖逻辑确保准确响应。
3.7 电源供应模块
电源模块负责为系统提供稳定电压。由于传感器、A/D 模块、单片机、液晶与蜂鸣器功耗及电压不同，电源必须能够：
- 提供稳定 5V 单片机供电
- 为传感器提供稳定且高电流能力的电源
- 加入滤波电容减少纹波
- 必要时加入稳压芯片如 LM7805 或 AMS1117
整个系统电源必须安全可靠，以确保检测精度与运行稳定性。
4、程序设计
程序设计采用模块化结构，分为以下部分：
（1）主程序模块
（2）A/D 转换读取模块
（3）传感器数据处理模块
（4）LCD 显示模块
（5）按键设置模块
（6）报警检测模块
（7）温湿度监测模块
下面给出各模块程序结构示例。
4.1 主程序模块
void main() {
init_all();
while(1) {
read_all_sensors();
process_gas_data();
display_data();
check_alarm();
key_process();
}
}主程序循环不断执行监测、显示与报警逻辑。
4.2 A/D 转换数据读取模块
unsigned int read_adc(unsigned char channel) {
select_channel(channel);
start_conversion();
while(!adc_finished());
return get_adc_value();
}该模块将某个传感器通道的模拟数据转化为数字值。
4.3 气体数据处理模块
void process_gas_data() {
h2s_ppm = convert_to_ppm(read_adc(0));
nh3_ppm = convert_to_ppm(read_adc(1));
ch4_ppm = convert_to_ppm(read_adc(2));
co_ppm = convert_to_ppm(read_adc(3));
}根据传感器曲线将 ADC 数值映射为真实 ppm 值。
4.4 LCD 显示模块
void display_data() {
lcd_set_cursor(0,0);
lcd_printf("H2S:%d NH3:%d ", h2s_ppm, nh3_ppm);
lcd_set_cursor(1,0);
lcd_printf("CH4:%d CO:%d", ch4_ppm, co_ppm);
}可循环显示不同气体浓度。
4.5 按键设置模块
void key_process() {
if(key_up_pressed()) {
temp_upper++;
}
if(key_down_pressed()) {
temp_lower--;
}
}用于调整报警阈值。
4.6 报警检测模块
void check_alarm() {
if(h2s_ppm > h2s_limit || nh3_ppm > nh3_limit ||
ch4_ppm > ch4_limit || co_ppm > co_limit ||
temp > temp_limit || hum > hum_limit) {
alarm_on();
} else {
alarm_off();
}
}该模块逻辑简单清晰，是系统安全运行的关键。
5、总结
本系统通过多传感器融合技术、A/D 模拟数字转换技术以及 51 单片机控制技术，实现了对污水厂环境中有害气体的高精度检测。系统配备 H₂S、NH₃、CH₄ 和 CO 等气体传感器，能够实时采集气体浓度并通过 LCD 显示，还可以监控温湿度，确保环境达到安全标准。一旦任意参数超过设定阈值，系统立即启动声光报警，提醒操作人员及时处理异常情况。整套系统结构清晰、功能完整、稳定性强，适合用于污水处理厂、化工厂、实验室等多种环境安全监测领域。