基于單片機的車載co報警裝置的設(shè)計

1、題 目： 基于單片機的車載co報警裝置的設(shè)計 姓 名： 學 號： 系 別： 專 業(yè)： 年級班級： 指導(dǎo)教師： 2016年2月25日畢業(yè)論文（設(shè)計）作者聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全了解有關(guān)保障、使用畢業(yè)論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關(guān)畢業(yè)論文管理機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版。同意省級優(yōu)秀畢業(yè)論文評選機構(gòu)將本畢業(yè)論文通過影印、縮印、掃描等方式進行保存、摘編或匯編；同意本論文被編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索和查閱。本畢業(yè)論文內(nèi)容不涉及國家機密。論文題目：基

2、于單片機的車載co報警裝置的設(shè)計作者單位：作者簽名： 年 月 日 目 錄摘 要11 緒論31.1課題研究背景及意義31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀42車載CO報警裝置硬件設(shè)計42.1系統(tǒng)硬件設(shè)計42.2主控單元設(shè)計52.3調(diào)節(jié)執(zhí)行單元設(shè)計62.4報警單元設(shè)計72.5檢測單元設(shè)計73車載CO報警裝置設(shè)計83.1車載CO報警裝置檢測軟件設(shè)計83.2車載CO報警裝置電路設(shè)計94總結(jié)與展望114.1總結(jié)114.2展望11致 謝12參考文獻13基于單片機的車載co報警裝置的設(shè)計摘 要：科技的不斷發(fā)展，勢必推動制造業(yè)技術(shù)的不斷革新，汽車行業(yè)已經(jīng)到了高峰發(fā)展時期。隨著人們生活水平的不斷提高，汽車從奢侈品已經(jīng)成為家庭

3、的普通消費品。近些年，人們的觀念不斷更新，對汽車安全性也越來越重視。從第一輛汽車誕生，汽車制造者一直在不斷的研究如何讓汽車更安全。汽車電子檢測報警設(shè)備的介入，受到了汽車大眾的認可。汽車發(fā)動機在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，廢氣中的一氧化碳含量極低，但當發(fā)動機在怠速空轉(zhuǎn)時，因為燃燒不充分，廢氣中的一氧化碳含量就會增高;如果是停車狀態(tài)下開空調(diào)，同時車窗又沒有打開，那車內(nèi)空氣只能通過空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生對流，這時發(fā)動機所排出的一氧化碳就會通過空調(diào)設(shè)備輸送至車內(nèi)，并越聚越多，如再加上車內(nèi)人員排出的二氧化碳，時間一長，車內(nèi)氧氣減少，車內(nèi)人員就會不知不覺中毒，嚴重的話就會喪命。本文主要針對汽車內(nèi)部的CO濃度進行測量與報警。采用

4、了探測器、單片機控制電路設(shè)計思路，該方案具有反應(yīng)速度快，檢測誤差小等優(yōu)點。選用一種十分穩(wěn)定的 CO 傳感器 MQ7，對空間的一氧化碳濃度進行檢測，采用AT89C51 單片機作為中央處理單元，對濃度信號進行采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、報警及打開排氣裝置等工作，當一氧化碳的濃度超過允許值時，控制電路進行報警。關(guān)鍵字：CO,車載，單片機，報警Design of vehicle CO alarm device based on single chip microcomputerAbstract: The continuous development of science and technology is

5、bound to promote the continuous innovation of manufacturing technology, the automotive industry has reached a peak period of development. With the continuous improvement of people's living standards, the car has become a common consumer goods from the luxury of the family. In recent years, peopl

6、e's ideas are constantly updated, more and more attention to the safety of the car. From the birth of the first car, automobile manufacturers have been in continuous research on how to make the car more secure. Automotive electronic detection alarm equipment involved, by the automotive public re

7、cognition.Automobile engine in high-speed operation of the state, the carbon monoxide content in the exhaust gas is very low, but when the engine idling, because of incomplete combustion, carbon monoxide content in exhaust gas will be increased; if it is under the condition of parking the air-condit

8、ioning, at the same time window is not open, the car air can only be through the air conditioning equipment produce convection, when the engine emission of carbon monoxide will through the air conditioning equipment transported to the car and gather more, as with the car discharge of carbon dioxide,

9、 a long time, reduce the oxygen inside the car, the personnel inside the vehicle will not know not feel poisoning, serious, you will die.This paper mainly focuses on the measurement and alarm of the CO concentration in the car. The design of the detector and the MCU control circuit is adopted. The s

10、cheme has the advantages of fast response, small error and so on. Of carbon monoxide concentrations were detected by using a very stable CO sensor MQ7, using AT89C51 single-chip microcomputer as the central processing unit and the concentration signal acquisition, data processing, display, alarm and

11、 open the exhaust etc. work. When the carbon monoxide concentration exceeds the allowable value, the control circuit for alarm.Key words：CO, vehicle, single chip microcomputer, alarm1 緒論1.1課題研究背景及意義科技的不斷發(fā)展，勢必推動制造業(yè)技術(shù)的不斷革新，汽車行業(yè)已經(jīng)到了高峰發(fā)展時期。隨著人們生活水平的不斷提高，汽車從奢侈品已經(jīng)成為家庭的普通消費品。近些年，人們的觀念不斷更新，對汽車安全性也越來越重視。從第一輛

12、汽車誕生，汽車制造者一直在不斷的研究如何讓汽車更安全。汽車電子檢測報警設(shè)備的介入，受到了汽車大眾的認可。汽車發(fā)動機在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，廢氣中的一氧化碳含量極低，但當發(fā)動機在怠速空轉(zhuǎn)時，因為燃燒不充分，廢氣中的一氧化碳含量就會增高;如果是停車狀態(tài)下開空調(diào)，同時車窗又沒有打開，那車內(nèi)空氣只能通過空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生對流，這時發(fā)動機所排出的一氧化碳就會通過空調(diào)設(shè)備輸送至車內(nèi)，并越聚越多，如再加上車內(nèi)人員排出的二氧化碳，時間一長，車內(nèi)氧氣減少，車內(nèi)人員就會不知不覺中毒，嚴重的話就會喪命。理論上來說，現(xiàn)在的車都搭載有三元催化劑，熱車狀態(tài)下即使怠速，一氧化碳的排放水平也是接近零的。但這個情況的前提是氧氣充足。在空曠

13、的室外情況可能稍好，但在室內(nèi)例如小型或地下車庫等通風不夠的地方就不行了。發(fā)動機運轉(zhuǎn)會消耗大量的氧氣，當在不通風空間時，氧氣會越來越不足，發(fā)動機氧氣不足會排放更多的一氧化碳，三元催化劑就無法起到正常凈化一氧化碳的效果，形成惡性循環(huán)如果汽車使用年限比較久，就算是室外最好也不要怠速開空調(diào)在里面休息。一是因為使用年限久了排放水平差、催化劑老化、一氧化碳排放量高，二是老車的密封性不夠好，即使是內(nèi)循環(huán)，毒氣也可能從車外進入車內(nèi)。另外，長時間怠速不光增大了一氧化碳中毒的風險，同時也會因為發(fā)動機空燃比長期過濃導(dǎo)致發(fā)動機積碳等其他不良影響針對小轎車、汽車由于車窗封閉而存在的空氣中CO濃度過高造成對車內(nèi)人員身體健

14、康的問題，需要一種檢測報警裝置，來提醒人們注意防范危險，CO氣體檢測器是一種安全的檢測儀器，它只是檢測空氣中CO氣體的含量，如果CO在車內(nèi)的濃度過高，臨界到威脅人們身體健康的時候，便會報警，給車內(nèi)人員給予提醒。這個設(shè)備可以減少和控制因車內(nèi)CO濃度過高而導(dǎo)致的中毒。本文主要針對汽車內(nèi)部的CO濃度進行測量與報警。采用了探測器、單片機控制電路設(shè)計思路，該方案具有反應(yīng)速度快，檢測誤差小等優(yōu)點。選用一種十分穩(wěn)定的 CO 傳感器 MQ7，對空間的一氧化碳濃度進行檢測，采用AT89C51 單片機作為中央處理單元，對濃度信號進行采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、報警及打開排氣裝置等工作，當一氧化碳的濃度超過允許值時，控制

15、電路進行報警。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀根據(jù)現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢，國內(nèi)外的汽車安全硬件都在向多功能化、集成化、智能化、微型化方向發(fā)展。這些安全硬件都離不開傳感器的發(fā)展，而現(xiàn)在汽車傳感器是利用物理現(xiàn)象、化學反應(yīng)和生物效應(yīng)這些基本原理，因此發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和新效應(yīng)必會推動傳感器的發(fā)展進而推動安全硬件的革新。功能材料是發(fā)展汽車安全硬件的另一個重要基礎(chǔ)，由于材料科學的進步，在制造各種材料時，人們可以任意控制它的成分，從而可以設(shè)計和制造出各種用于安全報警裝置的功能材料，有機材料作為功能材料，正引起國內(nèi)外汽車安全硬件專家的極大關(guān)注。研究智能安全報警裝置，這是一種帶有單片機兼有檢測、判斷、信息處理等功能的安全報警裝置，

16、與傳統(tǒng)安全硬件相比，他具有很多特點。例如，他可以確定安全報警裝置的工作狀態(tài)，對測量資料進行修正，以便減少環(huán)境因素如溫度引起的誤差;用軟件來解決硬件難以解決的問題。隨著科技的發(fā)展，汽車安全報警電器也在急速的發(fā)展著，更人性化以及智能化的汽車電器將帶給人們更多的安全和享受，但在給人們帶來方便的同時，也會產(chǎn)生種種弊端。所以在研究汽車電器的時候，要仔細，認真，把弊端扼殺在搖籃中。2車載CO報警裝置硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)的控制核心采用單片機AT89C51，它具有信號的監(jiān)控處理、報警顯示和自動控制等功能其硬件原理框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖本系統(tǒng)的基本組成單元包括:主控單元、氣體采樣單元

17、、單片機控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元、電源、報警單元、信息遠傳七部分。該系統(tǒng)中采用MQ-7型氣敏傳感器，它以金屬氧化物半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)材料，對外介可燃氣體具有較高的靈敏度，當被測可燃氣體在內(nèi)部半導(dǎo)體表面吸附后，引起電學特性(如電導(dǎo)率)發(fā)生變化，由于電導(dǎo)率的變化產(chǎn)生阻抗的相應(yīng)變化，因此產(chǎn)生不同的模擬電壓信號，然后采用并行的8位A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809，將時間與幅值都連續(xù)的電壓模擬信號，經(jīng)過取樣、保持、量化和編碼等過程，轉(zhuǎn)換為時間、幅值離散的數(shù)字量，同時將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到主控芯片2一一AT89C51單片機。AT89C51單片機根據(jù)外界可燃氣體與對應(yīng)變換電壓的函數(shù)關(guān)系，進行數(shù)據(jù)處理。并將得到的對

18、應(yīng)氣體濃度數(shù)據(jù)傳送至LED數(shù)碼管進行顯示1。當檢測氣體濃度低于設(shè)定報警閡值的時候，LED顯示器僅顯示測得的可燃氣體濃度;當檢測氣體濃度超出設(shè)定報警閡值時，會同時發(fā)出聲光報警。2.2主控單元設(shè)計AT89C51單片機是美國ATMEL公司的八位Flash單片機產(chǎn)品，它的最大特點是在片內(nèi)含有Flash存儲器，它是一種高性能、低電壓、低損耗的CMOS微處理器，片內(nèi)含有4KB可重復(fù)編程、快擦快寫的程序存儲器，可進行一千次擦寫操作。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)4縮小了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)可靠性。只要程序長度小于4k，四個I/O口全部提供給用戶?？捎肧V電壓編程，而且擦寫時間僅

19、需lOms，僅為8751擦除時間的1%,AT89C51芯片提供三級程序存儲器加密，可靠、靈活、方便的硬加密手段，能保證程序不被仿制。另外，AT89C51單片機還具有MCS-51系列單片機的所有優(yōu)點:32位雙向輸入輸出線、128X8位內(nèi)部RAM ,5個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級、2個十六位定時川.日寸器、1個全雙工異步串行口和時鐘發(fā)生器等,AT89C51單片機還有間歇和掉電兩種工作模式，間歇模式由軟件設(shè)置，當外圍器件仍處于工作狀態(tài)時，CPU可根據(jù)工作情況適時進入睡眠狀態(tài)，內(nèi)部RAM和所有特殊寄存器的數(shù)值將保持不變。該狀態(tài)可被任何中斷終止或通過硬件復(fù)位。掉電模式是電壓VCC低于電源下限，振蕩器停振，C

20、PU停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器數(shù)值保持不變，直到終止掉電模式。只有VCC恢復(fù)到工作正常范圍，且在振蕩器穩(wěn)定后，通過硬件復(fù)位、掉電模式方可終止。2.3調(diào)節(jié)執(zhí)行單元設(shè)計調(diào)節(jié)執(zhí)行單元如圖2所示。由光電藕合驅(qū)動器MOC3041和雙向晶閘管Q組成，其中光電藕合驅(qū)動器MOC3041的作用是將單片機系統(tǒng)與雙向晶閘管電路隔開，避免十擾信號影響單片機正常運行，雙向晶閘管相當于一個固態(tài)觸點，控制電機開或關(guān)，從而控制風扇通斷，對空氣流動大小進行實時控制5。光電藕合器MOC3041接收的輸入控制信號是AT89C51的P1.4口輸出信號。圖2 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元光藕合雙向可控硅驅(qū)動器MOC3041帶過零觸發(fā)

21、電路，輸入端驅(qū)動電流是1SmA，MOC3041一般不直接用于控制負載運行，一般用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的晶閘管。2.4報警單元設(shè)計報警電路采用了發(fā)光二極管及蜂鳴器構(gòu)成。在設(shè)計中，單片機的P2.0 , P2.1 , P2.2分別控制顯示指示燈及蜂鳴器，通過軟件編程使氣敏傳感器的輸出值與設(shè)定報警閡值(給定值)進行比較，當氣敏傳感器檢測氣體濃度超出報警設(shè)定值時，會同時發(fā)出聲、光報警，即蜂鳴器鳴叫，發(fā)光二極管閃爍。報警電路如圖3所示。圖3 報警電路2.5檢測單元設(shè)計1.檢測原理：系統(tǒng)的檢測原理是由所選用的傳感器決定的。所選的電化學傳感器(b F' 1000是根據(jù)電池原理而設(shè)計的，本身就

22、是個電池，不需外加電壓，可通過測量電解電流來測量一氧化碳的濃度。它外面有3個電極:工作電極(W oiicing E lectmde )、計數(shù)電極(Counter Electrode)和偏置電極(Reference Electmde)。在工作時，工作電極響應(yīng)目標氣體，無論是氧化的過程還是減少氣體，都會產(chǎn)生與氣體濃度成比例的相應(yīng)大小的電流，電流都由傳感器的計數(shù)電極產(chǎn)生6。傳感器的工作過程為:被測氣體由進氣孔擴散到工作電極表面，在工作電極、電解液、對電極之問進行氧化還原反應(yīng)，在工作電極輸出與被測氣體濃度對應(yīng)的電流信號。工作電極是將具有催化活性金屬的高純度粉末鉑，涂覆在透氣增水膜上形成。傳感器在氧化還

23、原反應(yīng)中，流出或流向工作電極的電流與被分析氣體的濃度值成正比。當電極的電勢與催化活性足夠高時，透過擴散介質(zhì)進入電極的(:(迅速反應(yīng)，所產(chǎn)生的電流由氣體的擴散決定，由菲克斯擴散定律可得出極限擴散電流與氣體濃度的關(guān)系為:i=（ZFSD）/QC 其中i左為極限擴散電流;Z為電了轉(zhuǎn)移數(shù);F為法拉第常數(shù);S為氣體擴散面積;D為氣體擴散系數(shù);Q為氣體擴散層厚度;C為被測氣體濃度。在一定的工作條件下，Z, F, S, D,的為常數(shù)，則可令K=(ZFSD )/Q于是有i=KC,即極限擴散電流與被測氣體濃度之問成正比。測量流經(jīng)工作電極與對電極之問的電流，即可得到被測氣體的濃度7。2.檢測單元的設(shè)計：氣體傳感器是

24、把氣體中的特定成份檢測出來，并將它轉(zhuǎn)換成電信號的器件，根據(jù)這些電信號的強弱可以進行檢測、監(jiān)控、報警。傳感器是整個控制系統(tǒng)獲取被控對象特征的重要部件，它的特性直接影響控制系統(tǒng)的精度。本設(shè)計選擇MQ-7系列傳感器，圖4為MQ-7系列傳感器等效電路。圖4 MQ-7系列傳感器等效電路3車載CO報警裝置設(shè)計3.1車載CO報警裝置檢測軟件設(shè)計軟件程序采用匯編語言，用WAVE E6000硬件仿真器調(diào)試，整個軟件設(shè)計主要包括主程序和幾個子程序模塊:A/D轉(zhuǎn)換、顯示模塊、聲光報警及若十個控制子程序8。系統(tǒng)總體流程圖如圖6所示，系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D讀入傳感器輸出的電信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸出二進制碼，傳送給單片機進行

25、處理，單片機采用一定的算法，運算出被檢測氣體濃度后，送到液晶顯示器LED中顯示，同時檢測的氣體濃度與事先設(shè)定的濃度閡值(報警設(shè)定值)進行比較，判斷是否需要聲光報警。當氣體濃度大于閡值(2000ppm)，單片機P2.0口輸出高電平，二極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管亮，單片機P2.1口置低電位，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作，發(fā)出聲光報警;當氣體濃度小于閡值(2000ppm)，單片機P2.0輸出低電平，二極管截止，P2.1口置高電位，三極管截止，停止聲光報警。圖5 系統(tǒng)總體流程圖本文所設(shè)計的一氧化碳濃度檢測系統(tǒng)，功能實用簡單。其設(shè)計優(yōu)點在于:(1)成本低廉，并能對一定空間的一氧化碳濃度進得檢測、顯示并準確報警;(2

26、)該產(chǎn)品無需專業(yè)人員操作，只要放在合適位置，通電即可，可連續(xù)使用、簡捷方便;(3)能收到預(yù)防一氧化碳中毒的效果。該產(chǎn)品如果得以應(yīng)用，會有效預(yù)防廣大農(nóng)村居民冬季燃煤取暖時，一氧化碳中毒事件的發(fā)生，同時也能給城鎮(zhèn)居民安全使用天然氣，提供有力保障。3.2車載CO報警裝置電路設(shè)計整個報警器是由檢測信號的提取、放大電路和單片機的控制電路完成的。電路中傳感器的連接和放大部分如圖6所示：圖6 電化學傳感器連接及信號放大電路該系統(tǒng)不需要偏置電極，所以在工作時需要工作電極和參考電極的電壓必須保持相同。計數(shù)電極和工作電極形成回路，如果工作電極正在氧化，就會減少其他化學物質(zhì)(通常是氧氣);如果工作電極消耗掉目標氣體

27、的話，回路又可促進氧化。計數(shù)電極電壓可以是變動的，有時會隨著氣體濃度的增加而變化。計數(shù)電極端的電壓并不重要，不象工作電極端，它需要靜態(tài)電路提供足夠的電壓和電流以保持和參考電極相同的電壓。3個電極通過電路連接在一起，電路可以用一個電阻簡單模擬出來，每一個電極可以被模擬成一個大的電容，每個電極白身都有比較小的阻抗，但是在電路電阻中已經(jīng)都包含了。線路接通時，運放A1只能有很小的失調(diào)電壓，否則運放將會使工作電位嚴重偏置，致使其短路狀態(tài)達到穩(wěn)定需要相當長的時問。電解池的電流穩(wěn)定很快，而對電極的極化卻很慢。因此盡管傳感器的訊號已經(jīng)穩(wěn)定，對電極極化的電位可能仍在繼續(xù)漂移，這是很正常的。在實際測量中，最大的對電極極化時的電位相對參考電極而言可能達到300 400mV。這在實際中意味著電路接的電位比之高出很多(例如1 V)，所以A1輸出為負值。在所有情況下，在圖中的R ba兩端產(chǎn)生的壓降應(yīng)該限制在10mV以下，不然傳感器的性能會受到傷害。保持R na低值還能保證響應(yīng)更加快速。雖然在這一線路中甚至可以將其降低為零，但是選擇一個很小的阻值還是比較可取的。這樣可以在線路噪聲和響應(yīng)時問達到很好的平衡，在某些情況下還能減少濕度的瞬時影響。在電路中，為了保持儀器在斷路時隨時處于準備狀態(tài)，將參考電極用一場效應(yīng)管短接到線路的公共端。4總結(jié)與展望4.1總結(jié)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和汽車安防技術(shù)的飛速發(fā)展，車載