【基于STC89C52单片机室内一氧化碳监测及报警系统设计9100字（论文）】

基于STC89C52单片机室内一氧化碳监测及报警系统设计实时检测室内空气中一氧化碳的浓度，不仅可以通过GSM模块将报警信息发送至指定号码，实现了第一时间发现和处置安全隐患。本次设计采用单片机STC89C52作为控制芯片，使用CO传感器MQ-7检测空气中的一氧化碳；ADC0809进行模数转换，将采样的CO浓度转换成电用作显示CO浓度，通过比较当前值与警报值来控制蜂鸣器、LED灯、GSM短目录 1 1.概述 1 11.2国内外研究现状 12.总体方案设计 32.1系统功能要求 2.2系统技术要求 32.3系统的组成及方案设计 33.硬件设计 53.1单片机最小系统 53.2主控电路 63.3CO浓度检测电路的设计 83.4液晶显示电路设计 3.5声光报警电路设计 3.6负载电路设计 3.7按键电路设计 4.软件程序设计 4.1主函数模块设计 4.2模数转换模块设计 4.3时钟模块设计 4.4液晶显示模块设计 5.电路仿真与原理图设计 5.1电路仿真 5.2原理图设计 6.总体系统调试 6.1软件调试及下载 216.2实物调试 2 参考文献 1CO与血红蛋白的结合能力远远大于氧与血红蛋白的结合能力，而且可以将氧气碳大量积聚在体内，最终使得组织缺氧和二氧化碳饱和。当CO浓度达到一定程传统的CO检测器一般都是利用传感器的物理特性来检测，物理特性一般具生活的同时也带来许多无形的危险，CO就是最大的危险源。不正规的使用操作或意外情况都可能造成中毒或爆炸事故，严重因此，研究新型CO检测器，实时监测室内CO的浓度，对防止CO泄露爆炸、CO中毒等方面具有重要的意义。2我国已有部分企业能生产CO气体报警器，但是其原材料仍然有被国外卡脖子的目前我国只有少部分家庭安装了CO检测报警器，传统的检测报警器早已不能满足人口稠密的居民区对CO浓度监测的需求。因此，研究家用的CO检测器烧型，比较常用的就是电化学CO传感器。电化学CO气体传感器结构紧凑，主近年来，欧美等国对CO传感器研究发展迅速。其中具有代表性的产品为：3美国SPECSensor高性能超薄型一氧化碳CO传感器、中美合作研制的MiniCO型电化学CO传感器、德国西门子推出的光谱吸收型光纤CO气体传感器。当前的稳定性，易维护性等要求越来越高。随着材料、技术、工2.总体方案设计(1)实现对CO浓度实时测量并显示；(2)声光报警功能：当空气中CO浓度超过警戒值，蜂鸣器报警，红灯闪(3)GSM短信功能：当CO浓度超标，可通过GSM模块向指定号码发送2.2系统技术要求明确了系统的结构和功能，系统的技术要求基本可以确定：体积小、抗干(1)体积小：材料利用率高，占用空间小，功耗更低。(2)抗干扰能力强：系统大部分工作在复杂的电磁干扰和射频干扰的环境中，很容易被干扰。为提升系统稳定性，可通过合理(3)维护简单：当发生故障时能快速维护，保障系统正常运行。本系统主要由单片机STC89C52、CO检测电路、声光报警电路、GSM短信系统组成结构如下图2-1所示：图2-1系统组成结构图方案设计：浓度信息通过WIFI模块实时上传到手机APP,同时手机APP可以控制继电器的开关(模拟家庭电路开闭)。上述两种方案各有优劣，经过综合考虑，选择第一种方案，因为方案一结构简单、价格低廉、易于维护。虽然方案一的体积更大以及抗干扰能力不及方案二，但是更具有实际使用价值和批量生产条件。最重要的是，可以在不断的学习中巩固大学中学到的知识，提升自己动手能力。在进行程序设计时，需要了解系统的组成结构、基本功能、技术要求，将实际的问题转化成由计算机进行处理的问题。同时在编写程序时采用模块化和自上而下的设计流程，既节省内存使用空间，又利于查找问题。3.硬件设计单片机最小系统指的是利用最少的元器件使得单片机能正常运行的系统，行灵活加减，以达到满足不同应用系统的要求。单片机最小系统由单片机、5V电源、复位电路以及晶振电路组成，其原理框图如图3-2所示。电路图如图3-2所示。单片机89C52自带一个振荡电路，当在引脚XTAL1与XTAL2外接晶振时6便可以在单片机内部产生时钟脉冲信号，晶振频率为12MHZ,电容复位电路如图3-3所示。STC89C52是一款性能优异、功能强大的微控制器，内部存储器容量最大可达8K。其内部结构连接紧凑，传送数据时不易受环境影响，可靠性较高。而且述特点，完全满足本次设计的需求，可以作为本次设计的主控芯片。STC89C52主要功能特性如表3-1所示，其管脚封装如图3-4所示，其实物图如图3-5所示。主要功能特性兼容MCS51指令系统32个双向I/O□2个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz可编程UART串行通道2个外部中断源2个读写中断口线软件设置睡眠和唤醒功能345893.3CO浓度检测电路的设计99MQ-7在上述电路中，其工作原理为CO传感器检测空气中CO浓度，将采集到的模拟信号传给ADC0809,经过模数转换后将电压信号传给单片机，由单片机进行相应操作。当模拟仿真时，由于缺少CO传感器的封装，考虑其输入为模拟量，可以使用滑动变阻器来代替。3.3.1CO传感器介绍本次设计采用的是MQ-7型气体传感器，该传感器测量一氧化碳气体时很灵敏，而且不受其他气体的影响，抗干扰能力较强。MQ-7型气体传感器特点如下所示：1.MQ-7型传感器的敏感层使用材质非常稳定。因此，它具有良好的物理特性，可以连续使用数年。2.MQ-7型传感器电流消耗非常低，功率仅为0.7W。93.MQ-7型传感器在不同使用条件下灵敏度都各不相同。因此在使用时，需要调整它的灵敏度。MQ-7型传感器工作原理：传感器的表面电阻Rs,是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。二者之间的关系为：VRL:电压输出值Rs:器件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0:器件在洁净空气中的电阻值。MQ-7型传感器的外形结构图如图3-7,实物图如图3-8所示。3.3.2ADC0809芯片介绍ADC0809芯片是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，有28条引脚，采用双列直插式封装，其内部结构逻辑图如图3-9所示模拟量开关译码锁存器ABC图3-9ADC0809内部结构图ADC0809芯片工作原理为：首先输入3位地址，并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出前，需选择定时传送、查询、中断方式来确定A/D转换是否完成。ADC0809芯本次设计中显示电路采用的是液晶LCD1602,液晶LCD1602中的1602指的是显示时，有两行内容每行有16个字符。相较于其他显示方式，液晶LCD1602的功耗主要在驱动和内部电极上，耗电量会少很多。除此之外，液晶操作更加简单、画质更加清晰。液晶显示电路如图3-11所示。液晶LCD1602显示原理：根据液晶物理特点，利用电压改变液晶内部分子的排列，以此显示各种字符。需要注意的的是此处用到PO□需要加排阻作为上拉电阻，同时可以加大驱动电流；液晶显示字符时很慢，在执行每条指令之前一定要确认显示模块处于不忙的状态，否则无法继续对液晶屏进行操作；如果要显示汉字，必须要使用CGRAM字符模块：先创造自定义字模，将字模存入CGRAM中对应的自定义位置，就可以使用了。LCD1602仿真电路图如图3-12所示。3.5.1声音报警电路声音报警通常分为蜂鸣器报警和语音报警。语音报警虽然具有播报清晰响亮、警报信息直观等优点，但其硬件价格偏高，结构较复杂。因此，在本次设计中采用蜂鸣器报警。本次设计声音报警元件采用压电蜂鸣器，只需在蜂鸣器两引脚加上一定的直流电压就能发声。压电蜂鸣器的驱动电流很小，可由一个PNP型三极管、一个压电蜂鸣器、一个限流电阻组成驱动电流，如图3-13所示。其中，三极管9012起到开关作用，当CO浓度正常时基极为高电平，此时三极管截止，蜂鸣器不工作；当CO浓度超过警报值，基极由高点平转为低电，三极管上下导通，蜂鸣器开始工作。本次设计采用LED作为灯光报警电路的指示灯，LED可有效的将电能转换成光能，具有功耗低、寿命长、辐射低等多方面优点。最重要的是，LED的响电路如图3-14所示，其中绿色LED指示正常时CO浓度，红色LED指示超过警报值时的CO浓度。有精度高、耐温耐压性好、动作迅速等优点，广泛应用于家用电器、通信线路、电子电力设备中。由继电器控制的负载电路如图3-15所示KK1图3-15负载电路在上图中，通过一个PNP型三极管控制继电器开闭：当C风扇工作。用I/O□检测单个按键；三是利用单片本次设计采用的是单个按键接法。时间，待抖动结束后才转入该按键的处理程序。本次设计采用软件去抖方式，按键电路原理图如图3-16所示。图3-16按键电路本次设计采用的是用GSM模块(SIM800L)来发送报警信息至指定的手机集成度高，体积小，功能多样，例如发送短信、通信、GPRS拨号上网利用GSM模块进行简单的短信发送的工作流程为：将一张有效的电话卡插进卡槽，通过USB线将GSM模块与电脑相连，通过串口调试助手根据相应的GSM模块电路原理图如3-17所示234图3-17GSM模块原理图4.软件程序设计软件编译以及调试。功能模块分为以下几个部分：单片机驱动、C转换、按键、液晶显示、GSM模块。总体结构框图如4-1所示。系统初始化、系统初始化、主程序内容是先初始化定时器和液晶屏，再读取ADC0809传递过来的CO1,产生报警动作，同时扫描按键是否按下。主要实现的功能是检测与显示，存储数据和调用功能子函数。主程序流程图如图4-2所示令判断技铝是舌按下首先对芯片进行使能处理，高阻态初始化，转化初始化。然后电路会产生一个时钟信号，开始转换。最后外部中断等待AD转换结束，读取转换的AD值，将ADC0809中的数值读入单片机。ADC0809模数转换流程图如图4-3所示。使能芯片产生时钟信号输入通道控制字读取2字节数据字节数据校正送入指定寄存器时钟模块操作流程图如图4-4所示。读取字节数在本次设计中，先对LCD1602进行初始化设置，将AD转换后的数值向LCD发送，LCD读取数据，然后写入函数，最后将CO浓度值显示在LCD1602的屏幕上，其流程图如图4-5所示。5.电路仿真与原理图设计本次设计采用软件Proteus8professional来仿真电路。它除了可以用来画原理图、PCB板，仿真电路外，还可以模拟各种单片机和硬件电路，功能强大。其支持的处理器模型包含PIC18、ARM、AVR等，在编译方面支持Keil、PIC和Hitech等多种编译器。最重要的是画好原理图可以后调入编译好的目标代码文件(*.hex),可以快速验证自己的电路。电路仿真图如图5-1号号是。本次原理图设计使用的是软件AltiumDesigner。这个软件可以将更多的硬件设计转移至软件环境中，不仅节约大量设计时间和简化板卡设计，还降低产品的生产成本。而且智能PDF向导功能非常强大，可以将所有的设计文件变成可迁移的文档，有利于工作无缝衔接。当我们设计原理图时，一方面可以导入元件集成库，另一方面当用到一些特殊的元件时可以自己绘制。绘制原理图时必须保证每个模块的正确性，否则直接影响设计的成败，原理图如图5-2所示。当原理图设计完成后，就可以通过原理图直接生成PCB图，将元件合理布局后，利用自动布线功能绘制PCB板。但是当元件之间距离较近或线路较为复杂时，会出现线路布局不合理的现象，此时便需要进行手动调整。PCB设计图如图5-3所示6.总体系统调试本次设计软件调试工具为keiluvision4,该软件不仅支持程序编写，同时也支持编译等多种功能，在嵌入式处理器开发方面也是功能强大。而且可以用汇编语言及C51语言编程。uvison4的软件界面如图6-1所示。软件调试过程为：先创建新工程，主要包括库文件、C语言源程序、辅助文件等，将全部程序写好后再进行编译。编译成功后，通过软件uvision将编译好的文件输出成.HEX格式的目标代码文件。编译成功界面如图6-2所示。Buildtarget‘Target1’“yanwu.obj”TO“yanwu”************************************************************************RESTRICTEDVERSIONWITH******************************************************************************ProgramSize:data=44.3xdatLINK/LOCATERUNCOMPLETE.0WARNING(S),0ERR生成的.HEX文件需要通过串□调试助手烧录至单片机，具体流程如下：打开串口通信软件STC-ISP-V686,打开目标程序文件，找到需要下载的HEX文件，点击下载选项，点击后打开单片机电源开关，等待信息框中显示已下载成功，说明程序已下载至单片机内。下载成功界面如图6-3所示。最低波持军2400Ox0000☑清除代码缓冲区打开程序文件9A0200B102012602□使能6T(双信速)模式□降低廉荡器的放大增益□只有断电才可停止看门狗□下次下载周户程序时擅用户EEPBOM30FE120B代码长度0C4CH校验和04B806H区域填充青空区域保存数据操作成功!(2021-04-3021:05:38)C:Wserslacer\Desktep\大四下学期毕业设计1-程序\17459055vyh.hex打开单片机电源，待传感器稳定工作时，读取此时CO浓度是否正常。如果正常将CO报警浓度调低至正常水平之下，等待声光报警模块和GSM模块工作。将各个模块检查无误之后关闭电源，经过测试系统能够正常工作。焊接过程中采用的是覆铜板，同时采用的是USB供电。实物图如图6-4所示接通电源后，液晶屏显示当前CO浓度为24ppm,设置的警报值为25ppm,此时蜂鸣器不报警、绿色二极管闪烁以及风扇不转动。当将CO报警浓至正常大气水平之下，蜂鸣器响起、红色二极管闪烁、GSM模块发送信息和风扇转动。实物工作图如图6-5所示图6-5实物工作图在大学期间，我系统的学习了单片机STC89C51以及STM32,因此在设计整体方案时优先考虑上述器件。在软件编程方面一开始使用的是C语言，但是在实际操作中发现汇编语言对单片机硬件资源操作效率更高，所以最后使用C过程中老师也给予了很大的帮助，提出很多需要改进的地方：第一是产品需要考虑经济实用性，不能一味追求智能化；第二是功能尽可能丰富，利用好有限的资源。当然在设计过程中也碰到许多难题：在选择滤波电容时没有相应规格的电容，为此选用其他规格电容替代；某些元件驱动电流不足无法正常工作，为此需要串联一个三极管；在导入PCB封装时，全部元件检查通过后出现一个错误窗□,为此查阅资料后发现是元件的字符串没有与封装本身lock在一起；焊接完成后LCD屏幕无显示，发现单片机管脚没有插好，插好单片机后发现仍然有问题，仔细检查发现有两个管脚连焊在一起，重新焊接后能正常工作。本次设计主要实现的功能是实时监测室内的CO浓度，在浓度超过警戒值时声光报警和短信报警。无法在远端查看CO浓度，如果能有幸再进行此研究，我会添加一个WIFI模块，不仅可以在终端查看CO浓度，还可以远程解决安全隐患，这是我对此次设计的展望。如期完成此次毕业设计给我带来很大的信心，同时也认识到自身能力的不足，正是这些不足不断激励我深入学习，开拓进取。为此更应该不断的学习，提升专业能力，培养科学思维，做一个对社会有贡献的人。[1]任天鹏.多功能一氧化碳检测报警装置[J