【《基于单片机的室内有害气体监测系统设计》7700字】

摘要：人们生活质量在不断提高，人们需要及时明确自身所居住空气环境的安全性，以便及时采取措施，保护身体健康，所以室内有害气体监测系统的研发具有重要意义。本论文主要对室内有害气体一氧化碳进行监测研究，系统主要由一氧化碳传感器、AT89C51单片机、报警指示灯、蜂鸣器、ADC0832、显示屏、风扇制成。一氧化碳传感器和ADC0832构成本监测系统的采集模块，模块将数字信号传送至单片机，经单片机分析后所测一氧化碳浓度数据会在显示屏上行显示，显示屏下行显示设置的一氧化碳阀值浓度，若当前所测一氧化碳浓度超过所设阀值浓度，监测系统会发出声光报警，同时风扇会自动启动，起到驱散有害气体的作用，随着风扇对有害气体的驱散，所测环境中一氧化碳浓度降到阀值之下后声光报警模块停止发出警报，风扇也停止工作。本设计通过采用Protel99软件进行原理图绘制，C语言进行软件编程，Proteus仿真软件进行仿真最终实现对有害气体的监测功能。关键词：室内有害气体；监测；单片机；传感器1引言该室内有害气体监测系统不仅能对所处环境中一氧化碳浓度进行监测显示数据，还能提前设置一个一氧化碳浓度限定值，当所测环境中一氧化碳浓度超过限定值时监测系统会发出声光警报，及时警醒人们对室内环境做出处理，从而避免对人体造成伤害。该设计成本低，小且轻方便携带，性价比高，易用，特别适合居家使用，保护人体健康。1.1研究背景及现状自从二十世纪八十年代以来，关于争对各种室内有害气体监测的研究就越来越被人们所重视。室内各种有害气体监测技术飞速发展，新监测技术层出不穷，不同室内有害气体监测技术得到空前发展。目前很多家庭仍然因为价格昂贵等不能广泛使用室内有害气体监测仪器。室内有害气体有很多种甲醛、苯、一氧化碳、甲苯、乙醇、各类可燃气体、烟雾等等。最贴近我们居家生活的有害气体要属一氧化碳，多产生于煤气泄露、人们吃火锅烧烤时燃烧木炭、吸烟、农村煤炉燃烧等REF_Ref9602\r\h[1]。一氧化碳轻度中毒会引起全身无力，多汗，重度中毒则会使人昏迷并发脑水肿、消化道出血，并且可能会出现记忆力下降、偏瘫、反应迟钝等后遗症,研究室内有害气体监测意义重大。目前国内外大量使用的有害气体监测系统往往是可以监测多种气体的工业使用产品，供家庭使用的可监测有害气体一氧化碳的仪器多数价格昂贵，操作复杂。目前国外气体监测系统发展趋势一直趋向于提高智能化，提高灵敏度，减少成本。1981年英国City就已经大规模的推出多种有害气体和氧气的传感器，大大推动了有害气体监测系统的发展，德国的TG000系列固定式适合专业监测的有害气体监测仪，美国GeneralMonitors公司实现了气体传感器的智能化。在国内由于我国对环境污染的监测和环境保护的推动，大大刺激了有害气体监测仪器的发展。吕斌等对室内有害气体云端监测的研究，使得对有害气体时实且高效监控REF_Ref9602\r\h[2]；杨关生等对一氧化碳气体监测应用在燃气热水器的研究，可以使对有害气体的防护更人性化更安全。未来发展方向集中向网络化，大众通用化，智能且多功能化等方向活跃发展。1.2本人主要工作在撰写本论文前，首先通过阅读与本论文相关的一些论文以及查阅一些书籍了解此课题的背景与现状。然后对该课题所需要用到的一些元器件的特性和功能进行详细分析，进而进行硬件部分的设计，并采用Protel99软件进行硬件部分原理图绘制，经过分析选择采用C语言进行软件部分的编程，采用Proteus仿真软件进行仿真，最后依据设计图进行焊接与调试，最终监测系统达到能对当前环境中一氧化碳浓度监测的目的。系统可自由设置一氧化碳阀值浓度，当所测环境一氧化碳浓度超过阀值时系统能发出声光报警，同时风扇启动降低当前环境一氧化碳浓度，我们可以清楚的在显示屏上看到所测环境一氧化碳浓度的下降过程，数据降低到设置的阀值浓度以下后，报警器模块和风扇全部停止反应。1.3论文组织与结构论文包括如下部分：第一部分是引言该部分分析了室内有害气体监测的研究背景与现状，以及本人主要工作。第二部分是分析该监测系统设计过程中所要实现的功能和总设计方案。第三部分是该监测系统硬件部分电路的设计。第四部分是软件系统各部分程序的编写。第五部分是对该有害气体监测系统进行仿真分析,并进行焊接和调试，确保其达到预期功能。第六部分是对本次设计进行总结。2总体方案设计2.1气体监测系统原理系统以AT89C51作为主控单元，可以根据不同情况下的需求自由设置一氧化碳阀值浓度，气体收集模块将收集到的一氧化碳浓度的数字信号传送到主控单元，经主控单元综合分析后将收集到的一氧化碳浓度在LCD上显示，如果当前所测一氧化碳浓度超过所设阀值浓度，系统会发出声光报警，同时风扇会启动驱散当前一氧化碳浓度，随着浓度降低到所设上限以下后，声光报警以及风扇全部停止反应。2.2总体方案的拟定首先根据各元器件的功能，以及考虑到耗电，价格等方面对元器件进行选择，经过详细分析对本监测系统功能要求有细致了解后，使用Protel99完成硬件部分的设计，接着在Keil软件中使用C语言进行软件程序的编写，接着将Proteus软件与Keil软件相联系完成仿真，最后生成PBC图，详细查阅该检测系统所选用的各个元器件的焊接注意事项后，完成对实物的焊接与调试。2.3系统设计的具体框图根据该监测系统设计要求，本论文在硬件设计方面包含了单片机、数据采集、模数转化，键控、液晶显示，声光报警六个模块。基于对系统的基本原理绘制出如下框图，该有害气体监测系统原理框图如图2.1所示REF_Ref9602\r\h[3]。图2.1系统原理框图3硬件电路设计和实现3.1单片机最小系统由于AT89C51单片机性能高、内存足够大可以满足编程需要、价格便宜所以本设计采用AT89C51单片机作为主控单元REF_Ref9602\r\h[4]。图3.1单片机最小系统图本设计的单片机最小系统电路由晶振电路、51单片机、复位电路三部分组成。晶振电路部分选用的石英晶体是12KHz，两个电容使得系统频率稳定并快速起振，AT89C51主控系统中为了追求低功耗，在内部时钟和外部时钟中最终选择采用了内部时钟。XTAL2与XTAL1引脚连接12KHz晶振构成的自激振荡器会发出脉冲送入单片机内部产生时钟脉冲信号。由于单片机工作必须处于确定状态所以复位电路在整个单片机工作的最小系统中是必不可少的，本系统使用两种复位电路，在开关不按下的情况下是上电复位电路，也就是处于上电的瞬间，当开关按下是手动复位电路。本监测系统的单片机最小系统电路图如图3.1所示。3.2数据采集模块的选择与设计本设计的数据采集模块主要由一氧化碳传感器和模数转换器这两部分组成。传感器采集一氧化碳后会形成与一氧化碳浓度成正比的电压，该电压信号要想被MCU识别需要进过一系列的处理，为了节约成本选择多路模拟通路，电压信号经过模数转化器最终被MCU识别。数据采集模块电路图如图3.2所示。图3.2数据采集系统电路图(1)MQ-7一氧化碳传感器是一种化学传感器，由金属电极、电解液，透气膜，外壳等组成。一氧化碳气体进入传感器中会在一侧金属电极的催化下上发生氧化反应，产生电子和氢离子，之后两者通过电解液在另一侧电极上发生还原反应。该氧化还原反应可逆，在这种化学能与电能不断转化中，就形成电位差，一氧化碳浓度与电流成正比，实现对一氧化碳浓度的监测REF_Ref9602\r\h[5]。所以一氧化碳传感器在整个数据采集系统中是核心装置。传感器不应该长期储存，并且不论传感器是否使用将其放置在高浓度气体、高湿、高温环境中对传感器都是不利的，传感器应该存放在清洁空气的密封袋内。ADC0832是分辨率为8，双通道的模数转换器，通常功耗15mW,它体积小、性价比高所以普及率很高。ADC0832芯片的DO、DI、CS、CLK四个接口与单片机P2.2、P2.4、P2.3相联从而实现工作，由于DO接口和DI接口通信时不同时使用，而且与单片机接口处于双向状态，所以DO、DI是并联接入P2.2引脚的REF_Ref9602\r\h[6]。3.3按键电路单片机按键包括独立式按键和矩阵式按键。独立式按键占I/O线资源较多，适用于八个及以下按键。矩阵式按键它的按键处于行线和列线的交点，在I/O接口使用紧张时可采用这种按键方式。本监测系统有UP、DOWN、OK、CANCEL四个控制命令，根据实际情况本系统选择独立式按键。系统按键电路图如图3.5所示。图3.3系统独立式按键电路图设计中将按键一端接地另一端接I/O口，S2、S4与单片机P1.6、P1.7接口相联实现对一氧化碳浓度自由设置的的功能，此系统按键采用低电平有效，I\O接口最初处于高电平，只要按下按键I\O接口就转化为低电平。在按键时会有一种仅通过注意无法消除的抖动状态，这种抖动状态是按键没按到临界点电平的一种不稳定现象，通过消抖使电平仅有两种稳定状态。3.4液晶显示器的选择1602液晶显示屏每行可显示16个字符，能显示两行，并且耗电量较低，可以满足该系统的需要因此选择了此显示屏。在本系统中液晶显示模块RS、RW、E、DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7与单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7接口相联实现显示一氧化碳浓度的功能，在本设计中单片机与液晶显示屏连接方式采用间接控制方式，采用这种控制方式，时序的实现依靠软件编程，接口电路和时序无关，故这种方式不占存储空间。液晶显示电路连接原理图如图3.4所示。图3.4液晶显示电路连接原理图本系统需要显示字母、标点符号、数字。1602显示模块中字符发生存储器储存了160个常用字符，采用点阵式16x8显示方式。这种显示方法是必须找到显示屏上各个位置需要显示的对应RAM区的字节REF_Ref9602\r\h[7]，需要显示的位置为“1”，不需要显示的位置为“0”，“1”表示亮，“0”表示不亮，显示示效果如图3.5所示。图3.5液晶显示屏显示效果图3.5报警电路的选择在单片机系统中在为了引起人们对某些特定状况警觉的情况下除了用指示灯和数码显示来指示外就会采用闪光灯、鸣音、语音等方式进行报警。语音报警可以让我们获得更详细的信息，但是它的设计复杂，所以本设计采用能够实现有害气体监测结果但硬件结构相对简单，软件编程方便的闪光灯和鸣音报警。本检测系统报警电路由两部分构成，一部分是发光二极管和2K电阻组成驱动电路，二极管基极连接P1.4口，“1”为高电平，“0”为低电平，输出高电平时二极管导通，另一部分是与蜂鸣器通电从而实现发音，蜂鸣器连接P1.4口，输出高电平时蜂鸣器发声，若输出低电平，蜂鸣器不发声，二极管截止REF_Ref9602\r\h[8]。报警器电路图如图3.6所示。图3.6报警电路3.6总体电路综上所述，总电路的系统原理图如图3.7，PCB图如图3.8所示。单片机、液晶显示屏、报警电路、按键电路、风扇电路、电源电路共同构成了该监测系统，实现对所处环境一氧化碳监测报警的功能。绘制PCB图主要是为了在焊接实物前提前进行预设系统所用到的所有元器件的放置位置，它是根据系统原理图绘制出来的。图3.7总电路图系统原理图图3.8系统PCB图

4系统软件设计4.1软件设计环境和编程语言的选择软件设计环境和编程语言选择美国开发的KeilC51,选择C语言是由于使用它进行程序设计时自由度相对较大，程序执行效率高，且易学易用，选择Keil是由于其安装流畅简单，集成环境强大，界面清晰易用。本监测系统采用模块化编程，主要包括主程序模块的设计，模数转换模块的设计，按键模块的设计，时钟模块的设计，液晶显示模块的设计。软件结构框图如图4.1所示。图4.1软件结构框图室内有害气体监测系统的完整C语言程序详见附录二4.2主程序模块的设计流程主程序与相关硬件结合实现监测有害气体的各项功能，主要功能是监测显示、时间调整与显示、存储数据、功能子函数调用。主程序流程图如图4.2所示。图4.2主程序流程图4.3模数转换模块的设计流程主要是为了实现将信号传送给单片机，模拟信号经过放大器放大后不能被MCU处理，所以需要将模拟信号转换为数据信号被MCU处理后，传送给单片机REF_Ref9602\r\h[9]。模数流程图如图4.3所示。图4.3模数转化流程图4.4按键模块的设计流程本系统有人机对话功能，通过按键操作发出指令，与MCU串行通信后在显示屏上显示。如图4.4为按键查询的流程图。图4.4按键查询式的流程图4.5液晶显示模块的设计流程本模块主要起着显示监测数据结果以及表明各相关控制模块工作正常的作用。液晶显示的操作流程如图4.5所示。图4.5液晶显示流程图

5系统仿真与实物焊接调试5.1系统的仿真在Proteus中根据所需器件的名字找到器件，放置器件并对各器件进行编辑，将所有器件尽行画线连接，连接时要有序，避免由于错漏引起电路图混乱,之后将在Keil中已经写成功的程序生成HEX文件导入Proteus中进行仿真REF_Ref9602\r\h[10]。当仿真运行时显示屏上显示两行数据，下行设置一氧化碳阀值浓度，上行设置当前一氧化碳浓度值。图5 .1系统仿真图图5 .2系统仿真图调节电阻可以自由设置上行一氧化碳浓度，仿真时显示屏下行的一氧化碳阀值浓度固定设置为100，当上行设置一氧化碳浓度小于一百时LED，蜂鸣器发，电机转均不做出反应。上行浓度为94，下行为100时仿真图如图5.1。上方一氧化碳浓度大于100时二极管闪动，蜂鸣器发出声音，电机转动。当上行浓度为108，下行浓度为100时，仿真图如图5.2所示。5.2系统焊接与调试在焊接实物前，根据所要焊接的实物，准备相关材料如表5.1：表5.1材料使用表元件型号元件名称数量ADC0832AD采集芯片1蜂鸣器蜂鸣器110uF电容120PF电容2发光二极管发光二极管1LCD1602液晶显示屏1风扇风扇19012PNP22K电阻310K电阻11K电阻14.7欧电阻1SW-PF按键3sw-灰色电源开关1STC89C51单片机1MQ-7一氧化碳传感器112M晶振1DC3.5电源接口1在准备好所有元器件后，根据所设计的PCB图以及电路板的实际情况确定好各个器件的分布位置并且做出标记，之后严格按照每个器件焊接应该遵守的规则进行焊接，焊接好后检查所有器件是否焊接牢固，以及是否存在焊锡粘连问题，如果存在及时改正。检查好后进行调试，看实物是否可以按照预期正常运行，本设计采用USB接口进行供电，实物图如图5.3所示。5.3实物图接通电源后先按下开关看液晶显示屏是否正常显示，之后按调节按钮看是否可以自由调节所设置的一氧化碳浓度值。检测一切正常后，设置一氧化碳阀值浓度，显示屏上行为所测一氧化碳浓度，下行为所设一氧化碳阀值浓度。设置一氧化碳阈值浓度为90的显示图如5.4所示.5.4设置一氧化碳阈值浓度为90的显示图采用打火机放气模拟实验，当打火机对准传感器进行不断放气，可以清楚看到显示屏上第一行所测一氧化碳的浓度值不断上升，所测一氧化碳浓度不超过阀值时实物显示状态如图5.5所示。当上升到超过所设阈值时实物发出声光警报并且小电风扇转动驱散一氧化碳，模拟结果图如图5.6。图5.5所测环境一氧化碳浓度未超过阈值的显示图图5.6所测环境一氧化碳浓度超过阈值后的显示图

6结论室内空气环境对人体健康有着非常重要的影响，室内有害气体有很多种，甲醛、苯、一氧化碳等，本论文主要对室内有害气体一氧化碳进行监测，它在生活中主要产生于吃火锅或烧烤时木炭的不完全燃烧、农村煤炉燃烧、以及在室内大量吸烟。本设计以AT89C51单片机作为控制核心，对室内有害气体监测系统设计时采用模块化思路，系统主要包括有害气体采集模块、报警模块、按键模块、液晶显示模块，具体设计时先完成硬件部分的设计，再对不同模块进行软件设计，设计用Protel99绘制原理图，之后生成PCB图，采用C语言编程，使用Proteus仿真，在综合考虑价格、体积等因素后对元器件进行选择，接着要准确了解不同元器件的焊接要求，完成对实物的焊接、调试保证该有害气体监测系统各项功能的实现。在撰写论文过程中由于知识水平有限，条件有限故选择争对众多室内有害气体中的一种进行研究和设计，但在整个设计中学会了很多。本论文下一步研究方向是在同一实物中可以监测更多种类的室内有害气体。参考文献[1]莫洪.室内有害气体监测系统设计研究[J].中国新技术新产品,2016(23):127-128.[2]吕斌,孙玉国.室内有害气体云端监测系统设计[J].软件,2019,40(12):158-162.[3]曹督尊,刘国彦,赵金才,甘敏,汪禹.基于STM32的智能室内空气质量监测系统设计[J].科技视界,2020(16):25-27.[4]石斯斯.室内有害气体无线监测系统设计[D].宁夏大学,2017.[5]陆海波.室内有害气体在线监控系统的设计与实现[D].安徽工业大学,2012.[6]梁明亮,王新强.单片机与ADC0832的接口技术[J].河南科技,2006(08):48-49.[7]王海梅.单片机控制的LED显示屏的设计与应用[D].西安理工大学,2016.[8]刘巧平,解祺阳,王婷婷,何雨雨,武倩.基于STC89C52单片机的煤气报警装置的设计[J].河南科学,2018,36(08):1188-1191.[9]武士涛.基于云平台的有毒有害气体监测系统设计[D].哈尔滨理工大学,2019.[10]孙万麟,宋莉莉,韩晨.基于Keil+Proteus的单片机实验设计及仿真[J].系统仿真技术,2020,16(03):181-184.DOI:10.16812/31-1945.2020.03.010.附录一#include<reg52.h> //调用单片机头文件#defineucharunsignedchar//无符号字符型宏定义 变量范围0~255#defineuintunsignedint //无符号整型宏定义 变量范围0~65535sbitbeep=P1^4;//蜂鸣器IO口定义intflag_300ms; //300毫秒的变量sbitfengshan=P2^0; //风扇IO口定义 sbitCS=P2^4; //CS定义为P2口的第4位脚，连接ADC0832CS脚sbitCLK=P2^3; //SCL定义为P2口的第3位脚，连接ADC0832CLK脚sbitDODI=P2^2; //DODI定义为P2口的第2位脚，连接ADC0832DODI脚uintco_h=100; //一氧化碳报警值longco; //一氧化碳变量sbitkey1=P1^6; //按键IO口定义sbitkey2=P1^7; //按键IO口定义/****************************************************************名称:delay_1ms()*功能:延时1ms函数*输入:q*输出:无****************************************************************/voiddelay_1ms(uintq){ uinti,j; for(i=0;i<q;i++) for(j=0;j<120;j++);}//这三个引脚参考资料sbitrs=P1^0; sbitrw=P1^1; //1602读写引脚 H:数据寄存器 L:指令寄存器sbite=P1^2; //1602使能引脚下降沿触发/*********************************************************************名称:delay_uint()*功能:小延时。*输入:无*输出:无***********************************************************************/voiddelay_uint(uintq){ while(q--);}/*********************************************************************名称:write_com(ucharcom)*功能:1602指令函数*输入:输入的指令值*输出:无***********************************************************************/voidwrite_com(ucharcom){ rs=0; //写指令 rw=0; //对1602写操作 P0=com; //P0口对1602写指令数据 delay_uint(25); e=1; //e=1使能信号 delay_uint(100);//延时一下等1602完成操作 e=0;}/*********************************************************************名称:write_data(uchardat)*功能:1602写数据函数*输入:需要写入1602的数据*输出:无***********************************************************************/voidwrite_data(uchardat){ rs=1; //写数据 rw=0; //对1602写操作 P0=dat; //P0口对1602写数据 delay_uint(25); e=1; //e=1使能信号 delay_uint(100);//延时一下等1602完成操作 e=0; }/***********************lcd1602上显示3位十进制数************************/voidwrite_lcd_co(ucharhang,ucharadd,uintdate){ if(hang==1) write_com(0x80+add); //写1602第一行的地址 else write_com(0x80+0x40+add);//写1602第二行的地址 write_data(0x30+date/100%10); //显示百位数 write_data(0x30+date/10%10); //显示十位数 write_data(0x30+date%10); //显示个位数 }/***********************lcd1602上显示这字符函数*********************/voidwrite_string(ucharhang,ucharadd,uchar*p){ if(hang==1) write_com(0x80+add); //写1602第一行的地址 else write_com(0x80+0x40+add);//写1602第二行的地址 while(1) { if(*p=='\0')break; //\0字符串的结尾标志break结束while循环结束写字符 write_data(*p); //写数据 p++; //指针地址加1 }}/***********************lcd1602初始化设置************************/voidinit_1602() //lcd1602初始化{ write_com(0x38);//显示模式设置：16×2显示，5×7点阵，8位数据接口不检测忙信号 write_com(0x0c);//开显示不显示光标 write_com(0x06); write_string(1,0,"CO:000PPM"); //初始化1602显示 write_string(2,0,"SetCO:000PPM"); //初始化1602显示}/***********读数模转换数据*******************/ unsignedcharad0832read(bitSGL,bitODD){ unsignedchari=0,value=0; CLK=0; DODI=1; CS=0; //开始 CLK=1; //第一个上升沿 CLK=0; DODI=ODD; //通道选择 CLK=1; //第二个上升沿 CLK=0; DODI=SGL; //通道选择 for(i=0;i<8;i++) { CLK=1;//下降沿接收数据 value<<=1; //8位的数据高位在前 CLK=0; if(DODI==1) //如果DO为1 value++;//8位的数据低位置1 } returnvalue; //返回0832采集到的数据}/************