基于AVR的便携式多气体检测仪的设计

一、引言

    可燃性气体和毒性气体的检测是石油、冶金、化工、采矿、消防等行业中必不可少的工作，对于保障操作人员的生命安全起着至关重要的作用。传统的气体检测设备因其检测气体单一、体积大、工作时间短等固有缺陷已经不能满足工业生产的需要。本文设计了一种基于 ATmega32L 单片机的智能型便携式多气体检测仪，它能同时检测多种气体浓度，提供声、光、振动等多种报警形式，具有很强的实用性和较高的市场价值。

二、系统功能介绍和工作原理

本仪器的基本功能如下：

    （1）检测并显示空气中的甲烷、一氧化碳和氧气的浓度。当气体浓度超过预设报警点后，发出声、光、振动等多种形式的报警信号。

    （2）自动记录从开机时刻起每种气体的峰值浓度(MAC)，自动计算毒性气体的短时间接触浓度(STEL)和时间加权平均浓度(TWA)数据，用户可以自由查阅以上数据。

    （3）提供环境温度、当前时间、电池电量等多种辅助信息。

    （4） 对每种气体传感器提供了独立的调零和自动标定功能，并且有多个预设标定数值供用户选择。

    （5）每种气体的低报警点、高报警点、STEL 报警点、TWA 报警点和当前时间等系统参数均允许用户更改设置。

    （6）针对传感器标定和系统参数修改等重要操作提供密码保护机制，有效防止误操作。

    本仪器的系统构成原理框图如图 1 所示。整个系统由以下几部分组成：传感器和信号调理电路、电源调整电路、键盘电路、液晶显示电路、报警电路、实时时钟电路和微处理器电路。

系统基本工作原理是：气体传感器将可燃气体和毒性气体的浓度信号转换为微弱的电流量输出，经过信号调理电路处理变换为具有一定动态范围的电压信号，MCU 通过内置的模数转换器（ADC）采集模拟信号后，经过信号处理后计算出气体浓度，并送至液晶模块显示；如果浓度超过警戒阈值，MCU 可以驱动报警电路发出声、光、振动报警信号。键盘电路和液晶显示模块构成了人机交互界面，便于用户完成对仪器的调零、标定等操作，以及实现对多种系统参数的设定。

三、硬件电路设计

1、微处理器部分

    微处理器采用美国ATMEL公司生产的ATmega32L型单片机。ATmega32L的CPU采用先进的RISC结构，支持全静态操作，工作性能可达1MIPS/MHz；该CPU还具有32个8位的通用工作寄存器和两周期的片内硬件乘法器，消除了传统CPU结构的累加器瓶颈、极大地提高了数据运算速度，整体性能远优于传统单片机。ATmega32L内部具有32K字节的FLASH，2048字节的SRAM，1024字节的EEPROM；其它片内资源还包括32个可编程I/O端口、三个定时器/计数器、模数转换器、TWI端口、UART端口、SPI端口、硬件看门狗、片内比较器、片内RC振荡器、JATG调试端口等等。此外，ATmega32L的工作电压范围宽达2.7V~5.5V，最高时钟频率可达8MHz，并具有六种不同的睡眠模式可以满足低功耗系统的需要[1]。