【基于STC89C51单片机控制的室内CO浓度检测报警净化系统设计8800字（论文）】

基于STC89C51单片机控制的室内CO浓度检测报警净化系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u22309引言 12637第1章绪论 2252401.1设计研究的背景及意义 2265941.2有毒气体检测现状 3172051.3系统检测对象—CO 3283091.4本章小结 530624第2章系统总体结构 6126532.1设计研究的内容 6250662.2系统总体结构 6247652.3本章小结 730098第3章系统硬件设计 8318923.1单片机的选择 8273243.2CO浓度检测系统 9234713.3时钟模块 10183743.4温度检测模块 11130863.5LCD1602显示模块 12237853.6报警模块和净化模块 13276463.7实验原理 14270213.8本章小结 1616361第4章系统软件设计 1785554.1系统软件设计语言 1766744.2Keil软件 17142764.3Keil软件的工程建立 17271804.4软件设计流程图 1823444.5本章小结 1916262第5章原理图的绘制与仿真 201695.1绘制原理图 20302085.1.1Proteus8.0软件 20315945.1.2建立库、绘制原理图和仿真 20194065.2本章小结 2117901结论 22引言CO净化系统的含义是指能够检测室内CO浓度和报警的设备。当CO浓度大于预定值时，蜂鸣器和LED灯组成的报警系统就启动进行报警并启动排气扇进行换气以减少CO的浓度。CO净化系统能有效的降低CO中毒现象。在社会主义经济和科学技术快速发展的今天，但是仍然有些地方的经济和科技比较落后，例如：在一些农村或者一些偏远地区的人们在冬天仍然采取木头、靠煤炭等用来取暖。然而这些地方采取的取暖方式就会因为木头或者煤炭的不充分燃烧而产生大量的有毒有害提起，最主要的就是一氧化碳。这就会给人们带来了极大的健康隐患，非常有可能造成一氧化碳中毒现象。尽管空气净化器这一新型产品在这几年由此也开始快速发展起来，但是市面上的大多数空气净化器虽然功能较丰富，但是由于价格较高、使用操作复杂，所以十分不适用于一些农村或者一些偏远地区的人们的使用。因此我们通过在对一些农村或者一些偏远地区的经济条件基础上进行分析，我们必须在现有的空气净化器系统的基础上对其进行了减删某些功能进行在创新以减少制作成本和更有效的进行一氧化碳气体的检测、报警和净化，其目的就是设计出使用操作简单和价格更便宜的一氧化碳净化器。本文主要是对怎么减少一氧化碳中毒现象进行分析和设计，根据一些农村或者一些偏远地区的人们的需求和支付能力而设计出CO净化系统。第1章绪论本章力图从一个客观的角度介绍了CO净化系统的研究背景及研究意义。设计研究的背景及意义人们接触最多的地方就是室内环境，人们平均每天有80％以上的时间是要在室内环境中渡过的[1]。随着我国社会主义经济的快速健康发展，人们生产方式和生活方式发生了巨大的变化，现在大多数的日常生活和工作都可以在室内进行、购物也同样可以在智能手机上随时进行就不必出门去商场、吃饭也同样可以随时叫外卖就不必出门去餐厅、学习也同样可以用电脑在进行线上课堂上课就不必在出门去教室，所以人们在室内的时间会高达93%以上，因此室内空气质量好坏与人们的健康休戚相关[2]。根据2019年我国室内空气污染实际状况白皮书中的调查结果显示，中国室内空气质量合格的比例未超过30%，在房屋室内中检测出的污染物超过300种类型，其中在新装修的房屋中，1年以内的仅有5%是属于空气质量合格的，而且3年以内空气质量合格的仅为40%，有报道提出：人类60%的疾病产生都和室内空气污染存在密切联系[3]。除此之外，在其他公共场所的空气质量检测中，办公室空气质量合格比例最低，属于室内环境污染的重灾区，合格比例仅为10%，其次是政府机构，室内空气质量检测合格率仅为18%，学校空气质量检测合格率为25%[3]。根据以上数据能够得出，我国室内空气污染的情况是不容乐观的，需要引起政府相关部门的极度重视。近年来，针对越来越严重的整个室内空气环境质量污染问题，政府以及相关主管部门已经开始积极采取更多相关监控措施并研究制定了一系列新的有关整个室内空气环境质量的安全检测监控标准，从室内建筑材料和室内装饰建筑材料中有害气体成分的质量指标检测上限，到整个室内空气中有害污染物总体浓度的安全检测标准，对整个室内空气环境质量检测进行严格的检测监控，希望为人们营造一个健康安全的室内生活环境，以至于如今人们一直以为随着现代化社会居住生活条件的不断进步提高，室内空气环境质量检测同时也已经得到了较大幅度的提高，其实不然，室内空气环境污染已经逐渐成为了直接影响整个人们日常身体健康的第一个大杀手[4]。因此针对越来越严重的室内空气质量污染问题，本文设计了的一氧化碳检测报警净化系统就可以有效的检测出室内空气中的一氧化碳气体的浓度并且当一氧化碳浓度过高时本设计会发出报警和将一氧化碳排出到室外，这样就可以给居住在农村或者偏远地区的人们的健康提供个保障，而且本设计的产品价格低廉，所以该产品可以有效的提高人们的生活质量推进乡村振兴和农村现代化进程。有毒气体检测现状有毒有害气体的检测对社会经济的快速健康发展和人们的健康生活都有着十分重要的作用，它广泛应用于食品、医疗、学校实验室、化工制造、煤矿采集和石油天然气等新能源的开发。随着我国社会经济科学信息技术的快速进步发展和现代人们财产生活品质水平的不断进步提高，新型房屋建筑和室内装饰工程材料、煤气以及民用天然气等等所释放的有害物和有毒气体以及大量使用汽车车辆排放的汽油尾气，造成了严重的城市空气污染，人们能够清楚的感受到全球环境所发生的巨大变化，以至于空气中有害有毒气体排放量的检测成功引起了人们和政府相关管理部门的足够重视，因为有害有毒气体的排放影响了人们的身体健康和生产生活，所以对于有害有毒气体的检测受到了社会的极大关注和人们的极大认同。现在国内的室内空气检测系统在不断的改进，在应对室内空气污染的问题上，我国的环境监管的相关部门已经做好了十足的准备，在对有害有毒气体的检测过程中要做到刻画入微，万无一失的标准。而且国际上也针对有害有毒气体以及污染物的排放建立了相关的法律法规，一旦发现化工等容易产生有害有毒气体和污染物的产业发生了排放量超标行为，就会按照法律规定对其公司进行相应的警告或者处罚，由此可见，国际上已经对有害有毒气体的排放引起高度的重视并制定了相关的法律规定[5]。在未来有害有毒气体的检测系统将会在更多的领域发挥他的巨大作用，也变得会越来越完善和不断丰富检测系统体系，从而使有害有毒气体检测系统得到更快更好的发展，它的应用领域将会变得越来越广泛，将会为我们的良好的生存环境以及人们的身体健康得到有力的保障做出卓越的贡献。1.3系统检测对象—CO根据各国资料统计表明，CO是最常见的有害有毒气体，它同时还具有可燃性，每年都会有成千上百的人们死于CO中毒[6]。尤其是在冬天，农村家庭中会普遍使用烤炉子进行取暖，这极有可能造成CO浓度迅速上升，就会使人们在不知道的情况下长时间处于CO浓度超标环境下，这会对人体造成极大的危害，所以本系统选择以CO为检测目标。CO吸入人体后跟血液中的血红蛋白结合为碳氧血红蛋白。这会引起血液中血红蛋白的含量迅速减少，血液运输氧气的能力就会变的很差极可能引起病人出现呼吸困难甚至昏迷[7]。当一氧化碳浓度较高时还可以对人体的呼吸功能产生抑制，病人会出现呼吸频率减慢，甚至还可能会导致脑细胞乏氧，具有极大的危害。一氧化碳对人体的危害主要是导致脑细胞乏氧，严重时可以导致脑水肿，病人会有生命危险。轻度的一氧化碳中毒，病人可以表现为头胀、头晕、头痛等。中、重度出现一氧化碳化物中毒，病人通常可以轻度出现患者血压先迅速升高、后迅速降低，心率迅速增快或者出现心律不齐，严重时有些病人甚至可以轻度出现烦躁不安或者轻度昏迷等。对于重度一氧化碳中毒，病人可以出现昏迷，甚至在几小时内死亡。表1.1列出了不同CO浓度对人体的危害：

表1.1CO不同浓度对人体的危害[6]空气中CO体积浓度（%）呼吸时间与症状0.02（200ppm）1-2小时轻微头疼0.04（400ppm）1-2小时头疼，2.5-3.5小时头昏0.08（800ppm）45分钟头疼、呕吐，2小时昏迷0.16（1600ppm）20分钟头疼、呕吐，2小时死亡0.32（3200ppm）5-10分钟头疼，30分钟死亡0.64（6400ppm）1-2分钟头疼，5-10分钟死亡1.28（12800ppm）吸入口立即昏迷，1-2分钟死亡1.4本章小结本章介绍了室内空气质量对人们日常生活的重要性，有毒气体检测的现状以及通过列表的方式给出不同CO的浓度对人体造成的危害程度，针对CO中毒的现象提出本文设计的主要内容和目标。

第2章系统总体结构本章介绍系统的主要研究内容并给出了系统总体结构。2.1设计研究的内容本设计的核心是一个室内CO气体检测报警净化系统，主要利用室内一氧化碳、甲烷等气体浓度检测传感器作为检测模块，对室内的CO浓度进行实时检测，经检测后得到的模拟信号将转化为数字信号并传输给单片机。当检测到的CO浓度高于预定值时就会激发报警系统和净化系统，以达到提示和换气的功能。主要内容如下：根据CO浓度检测的特点，进行CO净化器的整体研究和设计。针对CO空气净化器的系统整体各个功能模块进行设计并焊接各个功能模块的集成电路。对CO检测模块进行论证和设计，产生CO浓度数据。根据CO浓度对人体的伤害，设计报警系统和净化系统。学习和研究时钟模块，进行时间显示。学习和研究温度模块，进行温度显示。2.2系统总体结构设计智能CO净化系统可以净化室内空气，通过传感器对CO气体数据的实时收集，当CO浓度高于设定值时，利用蜂鸣器和LED灯提醒用户CO浓度超标，并自动开启排气扇以减少室内CO浓度。该系统还带有温度检测模块和时钟模块。温度模块通过测温芯片对室内温度进行采集并将信号传输到单片机，经过单片机的整合处理后通过显示屏展现出来。时钟模块的信号也经过单片机的处理后，也通过显示屏展现出来。系统结构如下图2.1所示。图2.1系统结构框图2.3本章小结本章介绍了CO净化系统的主要研究内容和系统总体结构框图，可以清晰地知道该设计的主要功能和构成模块。

第3章系统硬件设计本章讲述CO净化系统的硬件设计。硬件部分由51单片机、MQ-9气体传感器模块、温度检测模块、时钟模块、LCD1602显示屏、报警控制模块和空气净化模块等组成以及各部分器件的选择和工作原理。3.1单片机的选择单片机是微型集成电路设计芯片，利用这种集成电路芯片技术把整个微处理器（CPU）、计时/自动计数、存储器等集成到一块晶硅片上。单片机技术目前已经发展相对成熟，具有体积小、质量轻、运算速度快，运算速度强等优势，并且在很多大型工业应用领域都已经得到了广泛的研究应用[8]。目前市面上单片机的种类繁多，但是最常用的是STC89C51和STM32F1两种微处理器。方案一：选用STC89C51单片机。STC89C51单片机采用经典的MCS—51内核，STC89C51单片机具有低消耗、体积小、速度快等优点，还包含复位电路和时钟电路[9]。STC89C51单片机还具有操作简单易上手，价格便宜等优点。方案二：选用STM32F103RCT6单片机。STM32F103RCT6单片机采用ARMCortex-M3内核，内部集成了时钟、丰富的I/O口等资源，STM32单片机具有能快速、高效地读取、计算和传输数据和功耗低等特点[10]。相比较STC89C51单片机与STM32F103RCT6单片机而言，STC89C51单片机虽然没有STM32F103RCT6单片机功能强大和外围接口丰富，但是STC89C51单片机操作简单易上手、速度快、价格低廉。所以根据CO净化器的功能以及成本的综合分析，选择STC89C51单片机，即方案一。STC89C51单片机最小系统由复位电路和振荡电路组成，如图3.1所示。复位电路由key键、R2电阻及电解电容组成。按下key键后电容中的电荷释放，电阻R2两端电压为高电平，使单片机RST管脚为高电平，实现复位操作。振荡电路由晶振和电容组成。晶振结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率。图3.1STC89C51单片机最小系统图3.2CO浓度检测系统MQ-9气体传感器模块实物如图3.2所示，电路如图3.3所示。MQ-9气体传感器的气敏材料是二氧化锡(SnO2)[11]。传感器的电导率随CO浓度增加而变大，通过分压电路使CO浓度变化转换为相应的输出信号[12]。MQ-9气体传感器模块对有毒气体都很敏感，能够精确的检出气体浓度，例如：一氧化碳、甲烷。同时MQ-9气体传感器模块还具有成本低、电路简单、寿命长等优点，所以本设计采用MQ-9气体传感器。3.2MQ-9气体传感器模块图3.3MQ-9传感器模块电路由图3.3可知MQ-9是气体传感器，在其工作之前需要先通过R2电阻与之形成的回路加热4~5分钟，去除传感器表面吸附的杂质，才能正常工作。传感器的工作原理为：当传感器器接触到CO气体时，传感器表面电阻会由于电导率的变化而发生变化，当CO浓度升高时，CO传感器电导率变大、电阻变小、输出电压变大即INA-端电压变大。当INA-端电压小于INA+端电压时，LM393输出D0为高电平，开关指示灯不亮即CO浓度未超过预定值；当INA-端电压大于INA+端电压时，LM393输出D0为低电平，开关指示灯亮即CO浓度高于预定值。所以MQ-9气体传感器模块可以通过调节板载电位器R4来设定CO浓度的上限制，当检测到环境气体浓度超过上限值时，通过DO管脚输出低电平。3.3时钟模块考虑到电路的整体性和使用的实际情况，本设计采用高性能低功耗的DS1302时钟模块，实物如图3.4所示。DS1302是DALLAS公司推出的时钟芯片，主要内含一个实时时钟/日历和静态RAM[13]。DS1302与单片机之间的通信只需要采用同步串行的方式，而且仅需要用到三个端口[14]。图3.4DS1302时钟模块DS1302时钟模块的电路如图3.5所示。图3.5DS1302时钟模块电路由图3.5可知，DS1302时钟模块的工作原理为：一个频率为32.768KHz的晶振提供的信号经过DS1302时钟芯片内部分频器进行15次分频后即可得到频率为1Hz的秒信号。当R/ET为高电平时，所有的数据传送被初始化，I/O端口进行数据的传输。3.4温度检测模块本设计采用高精度、抗干扰能力强的温度芯片DS18B20温度模块如图3.6所示。DS18B20是高精度的测温芯片，它测温范围为-55℃到+125℃[15]。它具有单总线接口特性，即准许多个设备直接连接在同一总线，该特性十分便于用户用来设计分布型温度数据采集系统[16]。图3.6DS18B20温度模块

DS18B20温度模块的电路如图3.7所示。DS18B20管脚功能如表3.1所示。图3.7DS18B20温度模块电路表3.1DS18B20管脚功能序号名称功能描述1GND地信号2DQ数字信号输入/输出端3VDD外接供电电源输入端3.5LCD1602显示模块为了让本设计更加实用化和操作起来更加方便人性化，本设计还可以同时显示室内温度和时间。如果采用数码管显示，让数码管同时显示室内实时温度以及年月日时分秒周，这将会需要好多数码管同样也会占用许多I/O口，这也会使数码与单片机连线变得十分复杂；若是采用LCD1602液晶显示屏显示室内实时温度以及年月日时分秒周，这就会省下许多I/O口，而且与单片机连线也会变得简单，显示结果更加比使用数码管显得更加直接。所以这里选择常用的LCD1602液晶显示屏如图3.8所示。LCD1602显示模块是用于显示英文、数字等的点阵型显示模块，提供了丰富的显示指令设置，LCD1602显示模块还具有功耗低、体积小、使用简便、价格较低等特点[17]。图3.81602液晶显示屏LCD1602显示屏连接电路如图3.9所示，管脚功能如表3.2所示。图3.9LCD1602显示模块连接电路图表3.2LCD1602管脚功能序号符号管脚功能说明1VSS电源地。2VCC5V电源正极。3V0显示器对比度调整端（可以通过电位器R4调整对比度）。4RS寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。5R/W读/写信号线，高电平时进行读操作。6E使能信号，高电平时读取信息，负跳变时执行指令。7-14DB0-DB7双向数据端口。15BLA背光源正极。16BLK背光源负极。3.6报警模块和净化模块报警模块和净化模块是由蜂鸣器、LED灯、排气扇等元件组成。当CO浓度高于预定值时，单片机就会给出信号，驱动蜂鸣器、LED灯和排气扇运作。蜂鸣器和LED灯用来提醒用户CO浓度超标，排气扇用来快速减少CO浓度。

报警控制模块电路如图3.10所示。图3.10报警模块电路图由图3.10可知，报警模块的工作原理为当单片机的P1.1端口(或P1.2端口）直接给出高电平时，基极为高电平，且发射极连接电源，所以发射极也是高电平，发射极与集电极不导通，所以LED灯不亮和蜂鸣器不响；当P1.1端口(或P1.2端口）直接给出低电平时，基极为低电平，且发射极还是高电平，发射极与集电极导通，可以驱动LED灯变亮和蜂鸣器鸣响。净化模块电路如图3.11所示。图3.11净化模块电路图由图3.11可知，净化模块的工作原理为由单片机通过P1.3端口控制继电器，当P1.3端口给出低电平时公共端（COM）与常闭端（NC）连通，排气扇不工作；当P1.3端口给出高电平时公共端（COM）与常开端（NO）连通，排气扇工作。3.7实验原理电路器件连接如图3.12所示。由CO传感器模块检测CO的浓度，当浓度高于预定值时，MQ-9模块的D0端口会输出个低电平（0信号）传输给单片机的P1.0端口接受，然后单片机就会由P1.1、P1.2和P1.3端口给出高电平，就可以驱动报警控制模块中的LED灯变亮、蜂鸣器鸣响进行报警和驱动空气净化模块中的继电器模块，使继电器模块中的公共端（COM）与常开端（NO）连通从而使排气扇电路导通，排气扇就会开始工作将室内浓度超标的一氧化碳气体排出到室外以减少室内一氧化碳气体的浓度；时钟模块的SCLK口接在单片机的P3.7口、R/ET口接P3.6口、IO口连接P3.5口。时钟模块将时钟信号通过IO端口传输给单片机，并由LCD1602显示屏显示时间，而且设置了3个独立按键，K1接P3.2端口、K2接P2.4端口、K3接P2.3端口，它们的功能分别是K1：通过控制外部中断进入时钟设置，K2：依次选择需要调整的地方——日月年周时分秒，K3：将K2选中的数值进行加一；温度模块是通过DS18B20对室内温度进行测量，并且通过温度模块的D0传输单片机的P2.0口，然后由LCD1602显示屏显示。图3.12电路连接图3.8本章小结本章讲述本设计对各个硬件功能模块选择，以及系统构成——由STC89C51最小系统模块、MQ-9气体检测模块、温度模块、时钟模块、报警模块、净化模块和LCD1602显示屏构成，并介绍了每个模块的工作原理以及整个系统的工作状态和过程。

第4章系统软件设计本章讲述了设计软件流程图和使用Keil4进行软件设计和检验软件正确性。4.1系统软件设计语言本设计的软件部分采用的是C语言作为程序软件设计语言，它的主要优点是可以尽可能减少设计者对硬件进行操作，C语言具有良好的应用程序结构，适用于模块化程序设计，可使应用程序结构比较清晰，容易进行调试和维护[18]。4.2Keil软件KeilC51是美国KeilSoftware公司推出的51系列单片机C语言软件开发系统，该软件相比其他程序编程软件拥有着非常多的优势，比如：操作使用简便、功能齐全等，所以对于STC89C51单片机的系统程序设计采用的是Keil软件[19]。软件设计是一个系统的设计核心，想要能做好一个软件设计必须要具有好的设计思想和清晰的设计逻辑。本软件系统主要采用程序模块化结构设计，将每个程序进行拆分后形成几个相对独立的基本子程序，这样既方便对子程序的进行阅读，也有利于以后对其他程序的进行修改和系统移植。本设计的软件开发就是完全依靠Keil4，在此平台进行程序的编写和调试比较简单方便，具有良好的开发可续性和软件扩展性。4.3Keil软件的工程建立打开Keil4软件，在上方工具栏找到“Project”，点开后找到“NewuVisionProjrct”，然后输入文件名和选择工程存储路径，然后在新的页面中找到“Atmel”，点开后找到“AT89C51”或者“TA89C52”点击确定，工程就建立完成。然后就需要用户在这个工程中添加一些C文件后者H文件，例如需要添加一个C文件：点击“File”建立个文件并保存，并命名以“.c”为后缀，右击工程选中“AddFilestoGroup‘SourceGroup1’”并保存，新建的C文件就添加到工程中；而添加个H文件则是同样点击“File”建立个文件并保存，并命名以“.H”为后缀，在H文件编写完成后进行程序调试，这个文件就直接进入这个工程中了。新工程页面如图4.1所示。图4.1Keil4新工程4.4软件设计流程图系统的检测报警净化系统流程，如图4.2所示，系统温度显示流程如图4.3所示，系统时钟显示流程如图4.4所示。图4.2CO检测报警净化系统流程图图4.3温度显示流程图图4.4时钟显示流程图4.5本章小结程序的设计往往有其基本规律和许多共同点。在开始编写程序时,往往采取如下几个基本步骤：（1）明确功能设计所要考虑实现的基本功能，将软件实现的功能设计可划分成若干个独立的功能模块。便于用户编程和随时修改查询。根据系统时序变动关系和总体功能结构关系，设计编制出最合理的企业软件系统总体功能结构；（2）通过画流程框图，根据所需要选择的程序实现方法等来制定工作流程框图；（3）依照所要求设定的编写程序流程示意图和指令系统要求编写程序，注意在编写程序中的关键语句上应标注汉语注释,提升编写程序的语言可读性；（4）系统资源合理的分配，按照系统要求所实现的系统功能进行选择。

第5章原理图的绘制与仿真本章在使用Proteus8.0软件绘制了CO净化系统的原理图，进行了仿真分析和验证。5.1绘制原理图5.1.1Proteus8.0软件Proteus8.0是一款世界著名的EDA仿真工具软件，支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器[2