【《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摘要摘要：随着天然气等清洁能源大规模应用，一氧化碳中毒给人民人身财产安全带来巨大威胁。基于此，室内一氧化碳监测及报警系统应运而生。本次设计能够实时检测室内空气中一氧化碳的浓度，不仅可以通过蜂鸣器和LED灯报警，还可以通过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浓度转换成电压信号；单片机STC89C52对传入的电压信号进行处理和运算，显示屏LCD1602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短信模块以及风扇。本设计分为软件部分和硬件部分:软件部分包括AltiumDesigner设计原理图、Keil编程编译、Proteus仿真模拟。硬件部分包括单片机、液晶屏LCD1602、ADC0809、CO传感器、GSM短信模块等。本系统结构简洁，调试简单，价格低廉，具有一定的使用价值，符合设计要求。关键词：STC89C52；ADC0809；LCD1602；MQ-7传感器目录TOC\o"1-2"\h\u15543摘要 概述1.1课题研究意义一般大气条件下，一氧化碳是一种看不见摸不着，无刺激性的气体，相对密度略低于空气，能均匀分散在大气中。最主要的是人体无法意识到它的存在，当CO随空气被吸入肺部，CO可与血红蛋白（Hb）直接结合导致缺氧。研究证明，CO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\t"/item/%E4%B8%80%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%A2%B3/_blank"氧气从血红蛋白中排斥出去。又因为一氧化碳与血红蛋白结合后分离速度远慢于氧气与血红蛋白的分离速度，碳氧血红蛋白存在时性质更加稳定。更重要的是碳氧血红蛋白不仅无法运输氧气，还加速了氧气与血红蛋白脱离。事实证明，随着碳氧血红蛋白所占比例越来越高，血液中血红蛋白越来越难与氧气结合，同时二氧化碳大量积聚在体内，最终使得组织缺氧和二氧化碳饱和。当CO浓度达到一定程度时，将严重威胁人身安全。传统的CO检测器一般都是利用传感器的物理特性来检测，物理特性一般具有延时性，只有当事件发生后才产生，不利于早期预防。同时还容易受各种因素影响而产生较大误差，可靠性不足，随着科学技术的发展，气体传感器技术有了较大的突破。随着居民工作条件的提升，人们大部分时间都在室内活动，越来越多的人关心室内环境安全。而且随着液化气、天然气大规模推广，方便人们生产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，严重威胁人民生命财产安全。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。1.2国内外研究现状1.2.1一氧化碳检测现状检测一氧化碳气体有许多种方法，大多数都是根据结合其化学物理特性进行分析的。一氧化碳物理传感器检测特性主要包括阻值、电压、电流、电导率、折射光线波长等。化学传感器检测特性包括化学反应、电化学反应、色谱法、光学吸收法等。一般检测一氧化碳采取的方法有标示卡、定电位电解法、霍加拉特测温法、红外吸收法。检测CO浓度最常用的是气体检测管，在我国煤炭行业应用最为广泛，气体管技术由美国发明改进，最开始只能定性检测一种气体，经过不断改进，可同时检测分析数百种气体，应用范围大大增加。直到现在，气体检测管仍然广泛应用于各领域行业检测气体。1.2.2我国CO检测发展我国在上世纪引进并仿制了国外产品，相关国家单位也致力研制该产品。但是，由于国内生产技术水平及有关材料的欠缺，所生产的元器件测量范围小、测量精度较差、次品率较高、密封性不足，与国外同等产品性能差距比较大。虽然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风险，且价格比较高。当前一些性能稳定的检测报警器严重依赖国外进口。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检测器具有重要的意义。1.2.3国外CO检测发展目前常见的的CO传感器主要分为半导体型、电化学型、红外型以及催化燃烧型，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，主要由阳极反应桶、聚气罩、催化CO气体的膜电极组件等组成。由于其便携性强、线性测量范围广等优势备受人们青睐。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：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CO检测器主要朝着小型化、智能化、集成化等方向发展演变，且对系统工作的稳定性，易维护性等要求越来越高。随着材料、技术、工艺的不断进步，CO检测仪的小型化、智能化成为可能。2.总体方案设计2.1系统功能要求（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，红灯闪烁，CO浓度继续增加，黄灯亮起，同时继电器导通，排气扇工作，降低CO浓度；GSM短信功能：当CO浓度超标，可通过GSM模块向指定号码发送警示信息。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、抗干扰能力强、维护方便和价格合理。具体参数如下：（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，可通过合理布局减少器件间互相干扰。（3）维护简单：当发生故障时能快速维护，保障系统正常运行。2.3系统的组成及方案设计本系统主要由单片机STC89C52、CO检测电路、声光报警电路、GSM短信报警电路、汇编程序等组成。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：方案一：设计采用单片机STC89C52为处理核心，由数据采集、A/D转换电路、液晶显示电路、时钟电路、复位电路、GSM短信模块等组成。检测CO浓度是使用MQ-7一氧化碳传感器，LCD1602液晶屏幕用作显示参数，当CO浓度大于设定值，GSM模块会发送短信至指定号码，实现对CO浓度的实时监测。方案二：设计采用STM32作为处理核心，由显示电路、CO检测电路、继电器控制电路、WIFI模块电路等组成。液晶LCD1602实时显示CO浓度，并将CO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3.1单片机最小系统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，是组成单片机应用系统的基本硬件单元。在此基础上，我们可以根据自身需求进行灵活加减，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。图3-1单片机最小系统原理框图晶振电路在操作执行各种指令时对时间先后有比较严格的要求，这种操作的时间顺序称作时序，STC89C52的时钟产生方式有两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。本设计为了降低功耗和提高工作稳定性采取内部时钟方式，电路图如图3-2所示。图3-2晶振电路图单片机89C52自带一个振荡电路，当在引脚XTAL1与XTAL2外接晶振时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C1和C2可以将电能转换成其他形式的能，以此稳定振荡频率。单片机在工作时必须处于一种确定的状态，而复位电路可以使单片机一直处于确定的状态。单片机输入输出不确定可能会使外围设备发生错误，存在潜在的安全隐患；并且当其内部特定寄存器内容不确定时可能使程序终止，数据发送错误和定时器溢出。本设计中采用的是上电复位，上电复位电路在通电的瞬间，由于电容的延时性，电容处于通路状态，所以复位端口电压和电源电压一致。当电容慢慢充电时，复位端口电压逐渐降低，最后待电容充满电，此时电容处于断开状态，复位端口此时为低电平。当然需要选择合理的充电常数才能保证复位端有足够的时间复位。复位电路如图3-3所示。图3-3复位电路3.2主控电路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。而且其CPU可以对I/O端口直接进行操作，内部集成多部件，在串行拓展总线、控制网络总线等多方面具有优秀的控制能力。更为重要的是，单片机芯片价格低廉、品种型号多及引脚少体积小，广泛应用于当今的各类电子器件中。鉴于单片机上述特点，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。表3-1STC89C52主要功能特性表主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写FlashROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM2个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能图3-4STC89C52管脚封装图图3-5STC89C52实物图3.3CO浓度检测电路的设计图3-6CO浓度检测电路在上述电路中，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：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。MQ-7型传感器电流消耗非常低，功率仅为0.7W。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：RS/RL=(Vc-VRL)/VRLVRL：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。图3-7MQ-7型传感器外形结构图图3-8MQ-7型传感器实物图3.3.2ADC0809芯片介绍ADC0809芯片是CMOS单片型逐次逼近式A/D\t"/item/ADC0809/_blank"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，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，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，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。需要注意的是，在数据传送前，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芯片实物图如图3-10所示。图3-10ADC0809芯片实物图3.4液晶显示电路设计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，液晶体积更加小、操作更加简单、画质更加清晰。液晶显示电路如图3-11所示。图3.11液晶显示电路液晶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P0口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。图3-12LCD1602仿真电路图3.5声光报警电路设计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。图3-13蜂鸣器报警电路3.5.2灯光报警电路本次设计采用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的响应速度快，可以在高速开关状态下工作，可以适应更复杂的测试环境。灯光报警电路如图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。图3-14灯光报警电路3.6负载电路设计电磁继电器结构简单，使用方便，应用广泛，常用来作为控制电路的开关。在此设计中，通过改变继电器两端的电压来控制电路的开闭，进而改变负载的工作状态。电磁继电器是典型的用低电压弱电流间接控制高电压强电流的器件，具有精度高、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CO浓度正常时，基极端一直处于高点平，三极管截止，继电器不工作；当CO浓度大于警报值，通过比较，基极端会从高电平变成低电平，此时三极管导通，继电器闭合，驱动风扇工作。3.7按键电路设计单片机按键设计一般有四种方案：一是当按键较多时采用矩阵键盘；二是使用I/O口检测单个按键；三是利用单片机ADC，根据接口上电压的不同来识别按键；四是在外部中断引脚外接按键，利用按下产生的边沿信号进行按键检测。本次设计采用的是单个按键接法。用单片机对按键处理时涉及一个重要过程：在系统上电开始工作后按键开关才可以进行操作，当将按键设为外部中断时，会存在按键抖动现象，无论是开关开闭还是震动都有可能误触发按键，且无法通过操作避免。消除抖动的方法有可分为硬件去抖和软件去抖。硬件去抖可以通过并联电容使放电延时，按键两端电压不能突变，单片机读取稳定的电压信号。软件消抖可以通过延时函数错开抖动时间，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3.8GSM模块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号码。GSM意为全球移动通信系统，是世界上主要的蜂窝系统之一。GSM模块集成度高，体积小，功能多样，例如发送短信、通信、GPRS拨号上网等。尤其是GSM短消息形式多样、通讯时不易受各种因素影响，且价格低廉。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AT指令发送有关信息至电脑端。GSM模块电路原理图如3-17所示图3-17GSM模块原理图4.软件程序设计此次设计采用自上而下的编程方式，有利于把握整体，方便后续检查修改。软件程序设计部分分为：设计主函数和功能函数流程，编写主函数和功能函数，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、CO检测、模数转换、按键、液晶显示、GSM模块。总体结构框图如4-1所示。图4-1总体结构框图4.1主函数模块设计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CO浓度数值，刷新显示实时浓度值，如果读取的浓度值大于警报值，报警标志位为1，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所示图4-2主程序流程图4.2模数转换模块设计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。图4-3模数转换流程图4.3时钟模块设计时钟模块操作流程图如图4-4所示。图4-4时钟模块操作流程图4.4液晶显示模块设计在本次设计中，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。图4-5液晶显示流程图5.电路仿真与原理图设计5.1电路仿真本次设计采用软件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所示。图5-1电路仿真图5.2原理图设计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所示图5-2原理图图5-3PCB设计图6.总体系统调试6.1软件调试及下载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。图6-1uvision软件界面软件调试过程为：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。图6-2编译成功图生成的.HEX文件需要通过串口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。图6-3下载成功界面6.2实物调试打开单片机电源，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所示图6-4实物图接通电源后，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报警浓度值调低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实物工作图总结通过这次设计完成室内CO监测与报警系统，让我受益匪浅。在大学学习中，由于教学设备的匮乏，主要以理论学习为主，动手能力相对欠缺。通过本次毕业设计，不仅加深理解了所学的理论知识，也提升了迁移应用的能力；而且在做毕业设计时存在各种各样的问题，为此查阅了大量的书籍资料、数据手册以及博客论坛，提高了自己查阅资料的能力。最为重要的是在设计过程中提升自己的做事时的耐心、解决问题时的细心、请教时的虚心，这些磨砺将对我未来的工作和学习产生积极影响。以下便是我的一些收获：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语言搭配汇编语言一起编程。同时采取模块化编程，利用主程序调用液晶显示程序、模数转换程序、声光报警程序以及外围电路程序等实现设计功能。当然在此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口，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。参考文献[1]任天鹏.多功能一氧化碳检测报警装置[J].电子世界,2020(24):166-167.[2]李浩,储珂,胡飘,陈悦,李子昂.关于一氧化碳检测报警仪的研究[J].机电信息,2020(27):47-48.[3]张兆丰,田华.一氧化碳智能监测处理系统设计[J]