基于HOLTEK的氧化碳濃監(jiān)測(cè)儀

1、基于HOLTEK的氧化碳濃監(jiān)測(cè)儀 作者： 日期：2 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途2010年重慶地區(qū)第三屆“盛群杯"大學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品創(chuàng)意書(shū)(20110101）(一氧化碳濃度監(jiān)測(cè)儀）（重慶文理學(xué)院)（電子電氣工程學(xué)院） （廖長(zhǎng)榮) 老師公元 2010 年 12 月 12 日作 品 創(chuàng) 意 書(shū)一、 摘要 隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人們接觸有害氣體的幾率也越來(lái)越大，而一氧化碳則是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)的有毒氣體之一，它無(wú)色無(wú)味，不易被人們察覺(jué)。而現(xiàn)代生活中大多數(shù)家庭都還使用煤氣作為日常生活的能源，在我國(guó)北方的大部分地區(qū)在冬季也都采用燒煤取暖,這些都極易造成一氧化碳的泄露和在屋內(nèi)的聚集,而當(dāng)

2、氣體濃度達(dá)到一定值后不僅會(huì)使人中毒，遇到明火或者電火花也極易產(chǎn)生爆炸，引起火災(zāi),使人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全受到極大的威脅,所以設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)用來(lái)檢測(cè)和排除危險(xiǎn)是十分有必要的，本文介紹的就是我們?cè)O(shè)計(jì)的室內(nèi)一氧化碳監(jiān)測(cè)、報(bào)警及自動(dòng)排除系統(tǒng)。二、 作品介紹本作品是以HT46F49E型單片機(jī)為核心構(gòu)成的一個(gè)具備數(shù)據(jù)采集、對(duì)象控制、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)通信等功能的完整系統(tǒng)。具體的功能包括:實(shí)時(shí)的檢測(cè)室內(nèi)的一氧化碳濃度，根據(jù)室內(nèi)不同的一氧化碳濃度值顯示不同的提示語(yǔ)句。當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)一氧化碳濃度處于正常范圍內(nèi)時(shí)，由單片機(jī)控制液晶屏顯示“安全”字樣，并保持對(duì)室內(nèi)氣體濃度的持續(xù)監(jiān)測(cè)；當(dāng)檢測(cè)到一氧化碳濃度即將超過(guò)正常范圍達(dá)到警

3、戒濃度時(shí)，單片機(jī)控制液晶屏顯示“警告”的同時(shí)，控制排風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，將室內(nèi)的一氧化碳?xì)怏w排出；如果室內(nèi)的一氧化碳濃度在排風(fēng)的情況下繼續(xù)上升并達(dá)到國(guó)家規(guī)定的危險(xiǎn)濃度，對(duì)人體產(chǎn)生危害時(shí)，則液晶屏顯示“危險(xiǎn)"字樣，同時(shí)啟動(dòng)揚(yáng)聲器向用戶報(bào)警，以便及時(shí)采取措施，而排風(fēng)裝置繼續(xù)工作，以盡量減小室內(nèi)有害氣體濃度。本作品采取多管齊下的措施，以盡可能的達(dá)到高效率、高精度的檢測(cè)，來(lái)保障用戶的生命和財(cái)產(chǎn)安全，起到防患于未然的目的.三、 工作原理在本系統(tǒng)中,一氧化碳傳感器相當(dāng)于中樞神經(jīng)，而單片機(jī)相當(dāng)于系統(tǒng)的的大腦.由傳感器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)并作出應(yīng)有的反應(yīng)，其具體過(guò)程為：傳感器感知空氣中一氧化碳的當(dāng)前濃

4、度,并將氣體濃度的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的變化，通過(guò)電路傳到A/D轉(zhuǎn)換器件，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳遞給單片機(jī)進(jìn)行分析處理。單片機(jī)處理好數(shù)據(jù)后作出相應(yīng)的反應(yīng)來(lái)控制外圍的報(bào)警、顯示和換氣設(shè)備。因此,將整個(gè)系統(tǒng)分為氣體檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍設(shè)備部分。本作品使用HT46F49E單片機(jī)來(lái)作為主控器件，CO傳感器采用Mtorola公司生產(chǎn)MGS1100型一氧化碳?xì)怏w傳感器。（一） 氣體檢測(cè)系統(tǒng)氣體檢測(cè)系統(tǒng)主要由CO傳感器和溫度補(bǔ)償電路組成。1、MGS1100型一氧化碳傳感器一氧化碳傳感器屬于化學(xué)傳感器,化學(xué)傳感器的傳導(dǎo)系統(tǒng)接受識(shí)別系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào),并通過(guò)電極、光纖或質(zhì)量敏

5、感元件將響應(yīng)信號(hào)以電壓、電流或光強(qiáng)度等的變化形式,傳送到電子系統(tǒng)進(jìn)行放大或進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，最終使識(shí)別系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯苡米鞣治龅男盘?hào),檢測(cè)出樣品中待測(cè)物的量。 檢測(cè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分在于室內(nèi)一氧化碳?xì)怏w濃度的檢測(cè)。本作品考慮到室內(nèi)一氧化碳的分布范圍,并結(jié)合國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一氧化碳分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。我們選用Mtorola公司生產(chǎn)的MGS1100型一氧化碳?xì)怏w傳感器。它是在微型硅橋結(jié)構(gòu)中嵌入的加熱板上制作一層薄膜，這種結(jié)構(gòu)不僅使得薄膜對(duì)一氧化碳?xì)怏w在很寬的溫度范圍具有敏感性，而且硅膜減少了熱傳導(dǎo)的熱損失，從而大大的降低了功耗。該傳感器的管腳圖如下圖（a）所示，其中2、4端為加熱器的電源接

6、線端，1、3端為傳感器輸出端。其工作原理是把傳感器放在一氧化碳的環(huán)境中，薄膜層的電阻會(huì)隨著一氧化碳的濃度變化而變化，一氧化碳的濃度越大,薄膜層的阻值越小，該傳感器的引腳圖如圖（a）所示： 下圖（b）為取得傳感器輸出信號(hào)的基本電路圖。其中，為加熱電壓,傳感器電阻RS與負(fù)載電阻RL串聯(lián)到工作電壓兩端. 2、溫度補(bǔ)償電路由于元件的本身特性決定了其阻值會(huì)隨著周?chē)h(huán)境溫度的變化產(chǎn)生明星的漂移，致使測(cè)量電路的輸出產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，漂移過(guò)大會(huì)造成測(cè)量的不靈敏或過(guò)靈敏，使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性下降。為此，我們?cè)黾恿藴囟妊a(bǔ)償電路。如圖C所示,其中RT為熱敏電阻，RS為傳感器電阻. 由圖可得： 傳感器阻值RS隨著一氧化碳濃

7、度的增大而減小時(shí)，輸出負(fù)載電壓逐漸變大，所以通過(guò)測(cè)量負(fù)載電壓可反應(yīng)出被測(cè)對(duì)象的一氧化碳濃度。（二） 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由運(yùn)算放大、采樣保持、非線性信號(hào)處理、數(shù)字濾波、A/D轉(zhuǎn)換等部分,這些部分除運(yùn)算放大部分外都由HT46F49E型單片機(jī)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn).1、運(yùn)算放大運(yùn)算放大部分采用高輸入阻抗低溫度漂移的OP07運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。2、HT46F49E型單片機(jī)概述HT46F49E單片機(jī)內(nèi)置EEPROM的8位FLASH型高性能精簡(jiǎn)指令集MCU，專門(mén)為需要A/D轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品設(shè)計(jì),具有A/D、PWM、低功耗、高性能、靈活的輸入輸出和低成本，是的該單片機(jī)廣泛應(yīng)用于傳感器信號(hào)處理、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、工業(yè)控制等功能

8、。其極限參數(shù)如下:電源供電··········Vss-0.3VVss+0.6V 儲(chǔ)存溫度············-50125端口輸入電壓·····Vss-0.3VVdd+0。3V 工作溫度············

9、;··-4085Iol總電流···················150mA Ioh總電流················100mA總功耗·······

10、3;···············500mWHT46F49E型單片機(jī)引腳圖如下： （1）PWM輸出 在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，單片機(jī)為每一個(gè)PWM 都指定了對(duì)應(yīng)的寄存器。對(duì)于只有一個(gè)PWM 輸出的單片機(jī)，這個(gè)寄存器為PWM。對(duì)于有兩個(gè)PWM 輸出的單片機(jī),寄存器則為PWM0 和PWM1。此寄存器為8 位，表示輸出波形中每個(gè)調(diào)制周期的占空比.為了提高PWM 調(diào)制頻率，每一個(gè)調(diào)制周期被調(diào)制兩個(gè)或四個(gè)獨(dú)立的調(diào)制子區(qū)段，即分別是71 或6+2 模式。每個(gè)單片機(jī)可以

11、通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)难谀みx項(xiàng)來(lái)選擇使用哪種模式。當(dāng)選擇一種掩膜選項(xiàng)模式后，此模式將應(yīng)用于此芯片的所有PWM 輸出。注意的是，當(dāng)使用PWM時(shí)，只要將所需的值寫(xiě)入相應(yīng)的PWM 寄存器內(nèi),單片機(jī)的內(nèi)部硬件會(huì)自動(dòng)地將波形細(xì)分為子調(diào)制周期。對(duì)所有的單片機(jī)而言,PWM 時(shí)鐘源就是系統(tǒng)時(shí)鐘fsys。將原始調(diào)制周期分成2 個(gè)或4 個(gè)子周期的方法，使產(chǎn)生更高的PWM 頻率成為可能,這樣可以提供更廣泛的應(yīng)用.只要產(chǎn)生的PWM 脈沖周期小于負(fù)載的時(shí)間常數(shù)，PWM 輸出就比較合適,這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間常數(shù)負(fù)載將會(huì)平均PWM 輸出的脈沖。使用者必須理解PWM 頻率與PWM 調(diào)制頻率的不同之處。當(dāng)PWM時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘fSYS，而PW

12、M 值為8 位時(shí)，整個(gè)PWM 周期的頻率為fSYS/256。然而工作在7+1 模式時(shí),PWM 調(diào)制頻率將會(huì)是fSYS/128，而工作在6+2 模式時(shí)，PWM 調(diào)制頻率將會(huì)是fSYS/64。 （2)A/D 轉(zhuǎn)換HT46F49E單片機(jī)包含4信道的9 位A/D 轉(zhuǎn)換器，A/D 轉(zhuǎn)換器的正確操作需要兩個(gè)寄存器,一個(gè)高字節(jié)寄存器ADRH 和一個(gè)低字節(jié)寄存器ADRL.在A/D 轉(zhuǎn)換完畢后，單片機(jī)可以直接讀取這些寄存器以獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果。對(duì)于具有2 個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器的單片機(jī)，要注意的是,只有高位寄存器ADRH 完全利用了8 位.而低位寄存器ADRL 只利用了8 位中的1 位，它包含的只是9 位轉(zhuǎn)換值中低

13、的1 位.A/D 轉(zhuǎn)換初始化內(nèi)部的AD 必須經(jīng)過(guò)一個(gè)特殊的方法初始化.當(dāng)轉(zhuǎn)換信道選擇位被改變，AD轉(zhuǎn)換器必須重新初始化。如果信道選擇位改變后沒(méi)有重新初始化，那么EOC可能會(huì)處于不確的，這樣可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)信道選擇位改變后，寄存器ADCR 中的START 位必須在一到十個(gè)指令周期內(nèi)先置位再立即清零。這樣可以保證EOC 被正確的置位。內(nèi)部的AD 轉(zhuǎn)換器必須經(jīng)過(guò)一個(gè)特殊的方法初始化。當(dāng)PB 端口轉(zhuǎn)換通道選擇位被改變，AD 轉(zhuǎn)換器必須重新初始化。如果通道選擇位改變后沒(méi)有重新初始化,那么EOCB 標(biāo)志位可能會(huì)處于不確定的狀態(tài)，這樣可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)通道選擇位改變后，

14、寄存器ADCR 中的START 位必須在110個(gè)指令周期內(nèi)先置位再立即清零。這樣可以保證EOCB 被正確的置位。下面總結(jié)實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程的各個(gè)步驟。步驟1：通過(guò)ACSR 寄存器中的ADCS1 和ADCS0 位，選擇所需的A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。步驟2:通過(guò)ADCR 寄存器中的ACS2ACS0 位,選擇連接至內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換器的通道.步驟3：通過(guò)ADCR 寄存器中的PCR2PCR0 位，選擇PB 端口的A/D 輸入引腳，并將它們?cè)O(shè)置為A/D 輸入引腳。此步驟也可在第二步寫(xiě)ADCR 寄存器時(shí)完成.步驟4：如果要使用中斷，則中斷控制寄存器必須正確地設(shè)置，以確保A/D 功能的動(dòng)作.中斷控制寄存器INTC

15、 里總中斷控制位EMI 必須置位為“1”，A/D 轉(zhuǎn)換器的中斷使能位EADI 也必須置位為“1".步驟5：通過(guò)設(shè)定ADCR 寄存器中的START 位從“0”到“1”再回到“0"，可以開(kāi)始模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程.該位需初始化為“0”.步驟6：可以輪詢ADCR 寄存器中的EOCB 位,檢查模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程是否完成。當(dāng)此位成為邏輯低時(shí)，表示轉(zhuǎn)換過(guò)程已經(jīng)完成。轉(zhuǎn)換完成后，可讀取A/D 數(shù)據(jù)寄存器ADRL 和ADRH 獲得轉(zhuǎn)換后的值。另一種方法是，若中斷使能且堆棧未滿，則轉(zhuǎn)換完成后，程序會(huì)進(jìn)入A/D 中斷服務(wù)子程序。而單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序圖如下：（3)指令周期大部分的操作均只需要一個(gè)指令周期來(lái)

16、執(zhí)行.分支、調(diào)用或查表則需要兩個(gè)指令周期。一個(gè)指令周期相當(dāng)于四個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,因此如果在8MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘振蕩器下，大部分的操作將在0.5s 中執(zhí)行完成，而分支或調(diào)用操作則將在1s 中執(zhí)行完成.雖然需要兩個(gè)指令周期的指令通常指的是JMP、CALL、RET、RETI 和查表指令，但如果牽涉到程序計(jì)數(shù)器低字節(jié)寄存器PCL 也將多花費(fèi)一個(gè)周期去加以執(zhí)行.即指令改變PCL 的內(nèi)容進(jìn)而導(dǎo)致直接跳轉(zhuǎn)至新地址時(shí)，需要多一個(gè)周期去執(zhí)行,例如“CLR PCL”或“MOV PCL,A”指令。對(duì)于跳轉(zhuǎn)指令必須注意的是，如果比較的結(jié)果牽涉到跳轉(zhuǎn)動(dòng)作將多花費(fèi)一個(gè)周期，如果沒(méi)有則需一個(gè)周期即可，單片機(jī)工作的時(shí)序圖如下：

17、（4）定時(shí)/計(jì)數(shù)器定時(shí)/計(jì)數(shù)器在任何單片機(jī)中都是一個(gè)很重要的部分，提供程序設(shè)計(jì)者一種實(shí)現(xiàn)和時(shí)間有關(guān)功能的方法。每款單片機(jī)提供一個(gè)8 位的向上定時(shí)/計(jì)數(shù)器。每個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器有三種不同的工作模式，可以被當(dāng)作普通定時(shí)器、外部事件計(jì)數(shù)器、或者脈沖寬度測(cè)量器使用.定時(shí)器里的8 級(jí)預(yù)分頻器擴(kuò)大了定時(shí)的范圍。有兩個(gè)和定時(shí)/計(jì)數(shù)器相關(guān)的寄存器,分別為T(mén)MR 和TMRC。TMR 是存儲(chǔ)實(shí)際的計(jì)數(shù)值，賦值給此寄存器可以設(shè)定初始計(jì)數(shù)值,讀取此寄存器可獲得定時(shí)/計(jì)數(shù)器的內(nèi)容。而TMRC 是定時(shí)/計(jì)數(shù)器的控制寄存器,此寄存器設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器的選項(xiàng),控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作模式。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘源可掩膜設(shè)置來(lái)自內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)

18、鐘或外部引腳輸入（PA4/TMR）。（三） 外圍設(shè)備部分系統(tǒng)的外圍設(shè)備部分主要包括液晶顯示屏、報(bào)警裝置和排風(fēng)裝置。這些裝置都由單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)處理的不同情況進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)顯示、報(bào)警和自動(dòng)排風(fēng)的功能。四、作品功能、特色該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的一氧化碳?xì)怏w濃度,并根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的反應(yīng)，將監(jiān)測(cè)儀器固定安裝在室內(nèi),例如廚房，取暖房間這些容易產(chǎn)生一氧化碳的地方,并接好外圍的報(bào)警電路和換氣設(shè)備控制電路，供電讓整個(gè)系統(tǒng)工作。當(dāng)室內(nèi)的一氧化碳在安全值范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)控制的液晶屏顯示“正常"，報(bào)警系統(tǒng)和換氣設(shè)備的控制電路處于休眠狀態(tài)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到當(dāng)前室內(nèi)的一氧化碳濃度達(dá)到警戒值后，單片機(jī)控制液

19、晶屏顯示“警告”，同時(shí)單片機(jī)控制換氣設(shè)備開(kāi)始工作，利用換氣設(shè)備排除一氧化碳降低室內(nèi)一氧化碳的濃度。當(dāng)換氣無(wú)效或者一氧化碳大量生成、大量泄漏導(dǎo)致室內(nèi)有害氣體濃度達(dá)到超標(biāo)值時(shí)，單片機(jī)立即控制報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲在第一時(shí)間告知主人，與此同時(shí)換氣設(shè)備依舊處于工作狀態(tài)盡量降低濃度，液晶屏顯示“危險(xiǎn)”，告知房屋主人當(dāng)前情況緊急.該監(jiān)測(cè)儀的特色在于小巧便于安裝，同時(shí)該監(jiān)測(cè)儀器反應(yīng)迅速、高效，價(jià)格便宜一般群眾都能接受，有利于大眾化推廣。它跟我們的生命安全和財(cái)產(chǎn)息息相關(guān),使我們生活中的好幫手，所以相信會(huì)得到大家的喜愛(ài)和接受。五、 作品結(jié)構(gòu)（一）硬件部分本系統(tǒng)中，一氧化碳?xì)怏w質(zhì)量濃度檢測(cè)控制系統(tǒng)是通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)一氧化碳?xì)怏w濃度的采集、顯示、控制和報(bào)警等一系列功能的系統(tǒng)。具體控制過(guò)程是：一氧化碳傳感器直接與環(huán)境中的被測(cè)氣體反應(yīng)，產(chǎn)生線性變化的微弱電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)濾波放大后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳給單片機(jī)。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換,模型運(yùn)算等處理后，直接在液晶屏上顯示當(dāng)前的狀態(tài)。我們?cè)O(shè)置了三個(gè)狀態(tài)：正常、超標(biāo)、危險(xiǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)排除危險(xiǎn)的功能，當(dāng)被測(cè)氣體濃度達(dá)到了設(shè)定的超標(biāo)值后，通過(guò)單片機(jī)控制外圍電路打開(kāi)換氣設(shè)備。例如排風(fēng)扇，抽油煙機(jī)等等。如果換氣不理想，被測(cè)氣體的濃度繼續(xù)上升,當(dāng)達(dá)到設(shè)定的危險(xiǎn)值之后，通過(guò)單片機(jī)控制外圍電路發(fā)出報(bào)警聲，換氣設(shè)備依舊工作不停止運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)硬件框圖如下：HOLTEK單片機(jī)CO傳感