一氧化碳報(bào)警器設(shè)計(jì)

1、 一氧化碳報(bào)警器的設(shè)計(jì)【摘要】一氧化碳（CO）是人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中常見的一種無色無味有毒氣體，不易被人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人處于CO氣體之中是十分危險(xiǎn)的，甚至威脅到生命安全。而經(jīng)常產(chǎn)生于煤炭等碳素的燃料的燃燒不充分，危害最大的就是一氧化碳中毒。因此，從安全、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)上考慮，研制一種檢測可燃性氣體自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)打開排器裝置的一種控制器是非常必要的。由于本設(shè)計(jì)需要用到CO傳感器，所以在滿足基本要求的基礎(chǔ)上，電路的設(shè)計(jì)還要考慮到傳感器電路部分需要具有良好的溫度、濕度穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)是對(duì)空間的CO濃度進(jìn)行報(bào)警、控制其他器件進(jìn)行工作。采用了“探測器+單片機(jī)控制電路”設(shè)計(jì)思路，該方案具有檢測誤差小，反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)

2、。選用一種十分穩(wěn)定的CO傳感器MQ7，對(duì)一定空間的一氧化碳濃度進(jìn)行檢測，采用功能和性價(jià)比較高的STC89C52單片機(jī)作為中央處理單元，對(duì)濃度信號(hào)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、報(bào)警及打開排氣裝置等工作。也就是說報(bào)警器對(duì)CO進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，當(dāng)一氧化碳的濃度超過允許值時(shí)，控制電路進(jìn)行報(bào)警?！娟P(guān)鍵詞】一氧化碳 ； 報(bào)警器 ； 單片機(jī) ； 電化學(xué)（氣敏）傳感器 目錄前言41.緒論51.1 課題研究背景51.2 課題研究的目的及意義61.3 一氧化碳報(bào)警器的概述61.4 設(shè)計(jì)的主要任務(wù)72.方案設(shè)計(jì)82.1設(shè)計(jì)要求82.2 初始化方案82.2.1 總體方案的選擇92.2.2 MQ-7氣體傳感器92.3系統(tǒng)的組成

3、133.報(bào)警控制器的硬件設(shè)計(jì)143.1 CO報(bào)警器的設(shè)計(jì)143.1.1報(bào)警器的總體結(jié)構(gòu)153.1.2 主控電路原理153.2 STC89C52系列單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)163.3 一氧化碳報(bào)警器電路設(shè)計(jì)163.3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路163.3.2 電源電路183.3.3 聲音報(bào)警電路193.3.4ADC0809與單片機(jī)連接193.3.5傳感器的電路204.報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)204.1 STC89C52單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具204.2 CO氣體報(bào)警控制器軟件流程及設(shè)計(jì)214.3單片機(jī)編程214.4 電路仿真215 系統(tǒng)調(diào)試245.1 硬件的調(diào)試245.1.1 排除邏輯故障245.1.2 排除元器件故障2

4、45.1.3 排除電源故障245.2軟件調(diào)試245.3軟、硬件整體調(diào)試256.結(jié)束語257.參考文獻(xiàn)278.附錄28附錄A：硬件電路總圖28附錄B：程序的相關(guān)代碼28 前言 當(dāng)今，單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛，基于單片機(jī)開發(fā)的智能化監(jiān)測控制設(shè)備和產(chǎn)品都廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，促進(jìn)了生產(chǎn)技術(shù)水平的提高。單片機(jī)智能控制電路具有延展性好，反應(yīng)快，高集成，準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)特定情況的快速控制。此次的一氧化碳報(bào)警器檢測系統(tǒng)正是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的一種。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是指單片機(jī)擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關(guān)的外圍電路芯片或部件；軟件是

5、指單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序。只有系統(tǒng)硬件和軟件緊密配合、協(xié)調(diào)一致，才可能組成高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程一般包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試幾個(gè)階段。這幾個(gè)系統(tǒng)開發(fā)階段并不是相互獨(dú)立、各自進(jìn)行的，而應(yīng)根據(jù)開發(fā)的實(shí)際需要，相互協(xié)調(diào)、交叉，有機(jī)的進(jìn)行。 實(shí)現(xiàn)氣體濃度監(jiān)測離不開高性能的氣體傳感器。狹義上講，傳感器就是能將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，一切現(xiàn)代儀器、設(shè)備幾乎都離不開傳感器。此次設(shè)計(jì)中所利用到的氣體傳感器就是要測量一氧化碳?xì)怏w濃度的動(dòng)態(tài)信息，并且利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將濃度值

6、轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的檢測與報(bào)警功能。其中我們設(shè)計(jì)的方案是通過傳感器輸出的電壓值來表示一氧化碳相應(yīng)的濃度值。，不過該設(shè)計(jì)中并沒有將這個(gè)濃度值顯示出來，只要求在氣體濃度超過給定值時(shí)候報(bào)警。 由于一氧化碳中毒是家庭小區(qū)以及礦工企業(yè)常見事故，給人們生命財(cái)產(chǎn)帶來了極大的危害。為了能減少事故的發(fā)生，迫切需要一氧化碳報(bào)警裝置。 隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，面對(duì)各種檢查對(duì)象和大量的測試點(diǎn)，需要利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測控。而此時(shí)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)一氧化碳報(bào)警不僅具有采集控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高采集點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)，從而

7、大大提高系統(tǒng)的可利用性。此次的設(shè)計(jì)正是把ADC0809與STC89C52單片機(jī)有機(jī)的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也符合了本設(shè)計(jì)的要求。1.緒論1.1 課題研究背景隨著國家經(jīng)濟(jì)的提高，現(xiàn)代化、智能化的多功能建筑越來越多，對(duì)建筑的防火安全設(shè)計(jì)要求也越來越高。近年來，全國燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉匆言诠ど虡I(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速進(jìn)展，燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。以“西氣東輸工程”為開端的大規(guī)模天然氣利用工程的實(shí)施，意味我國城市燃?xì)鈱⒋筇げ降倪M(jìn)入“天然氣時(shí)代”。西氣東輸工程，在西部優(yōu)勢資源和東部廣闊市場之間建立起了一座“金橋”，西

8、氣東輸工程投入使用后，每年供應(yīng)長江三角洲地區(qū)大量生產(chǎn)生活所必須的天然氣。城市燃?xì)獾钠占芭c應(yīng)用無疑對(duì)改善城市的環(huán)境質(zhì)量和提高具名的生活質(zhì)量發(fā)揮了巨大的作用。但是隨著燃?xì)獾膹V泛使用，由于燃?xì)庑孤┧l(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為了使燃?xì)飧玫卦旄Ｓ诿瘢旄Ｓ谏鐣?huì) ，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤┒l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃?xì)馐褂脝挝患熬用裼脩暨x擇一種適合的氣體報(bào)警器實(shí)為必要之舉。及時(shí)報(bào)警是非常重要的，在在公共場所或家庭里都一樣。一旦發(fā)生火災(zāi)，提早報(bào)警，可以及時(shí)將火撲滅，以免小火釀成大火災(zāi)，這相當(dāng)于盡最大的努力保護(hù)我們的生命財(cái)產(chǎn)。目前常用的有感煙、感溫

9、和可燃?xì)怏w火災(zāi)報(bào)警器。像家庭中使用煤氣、液化石油氣和天然氣等燃料時(shí)，安裝一個(gè)可燃?xì)怏w報(bào)警器，但出現(xiàn)漏氣或者著火時(shí)，報(bào)警器能夠立即鳴笛報(bào)警，告之主人及時(shí)采取措施。一氧化碳（CO）為無色、無味、無刺激性氣體，幾乎不溶于水，不易被活性炭吸附。當(dāng)碳物質(zhì)燃燒不完全時(shí)，可產(chǎn)生CO，如人體短時(shí)間內(nèi)吸收較高濃度的C0，或濃度雖低，但吸時(shí)間較長，均可造成急性中毒。CO與血紅蛋白結(jié)合能力超過氧和血紅蛋白的結(jié)合能力的200-300倍，當(dāng)CO與血紅蛋白結(jié)合形成的碳氧血紅蛋白含量達(dá)到5%時(shí)，就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生慢性損害，達(dá)到60%時(shí)就會(huì)昏迷，達(dá)到90%就會(huì)死亡。由于發(fā)生一氧化碳中毒事件的普遍性和隱蔽性，迫切需要一種能夠很好的

10、監(jiān)控室內(nèi)一氧化碳濃度的儀器，并且在一氧化碳濃度過高時(shí)能夠報(bào)警提高人們注意力，保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全。另外，一氧化碳還可以燃燒，但一定的空間內(nèi)充斥了足夠量的CO時(shí)，還必須避免火光的產(chǎn)生。本文正是通過分析目前的氣體報(bào)警器的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)制作的一氧化碳報(bào)警器，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。1.2 課題研究的目的及意義設(shè)計(jì)出性能更加可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的一氧化碳報(bào)警器。目前，現(xiàn)有一氧化碳檢測儀器主要是面對(duì)工礦企業(yè)或者公共場所的檢測，價(jià)格高昂，對(duì)家庭也不適用。因此，本次設(shè)計(jì)所面對(duì)的廣大居民，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）成本低廉并能對(duì)一氧化碳準(zhǔn)確報(bào)警（2）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，連續(xù)使用、方便簡捷。（3）

11、能起到預(yù)防一氧化碳中毒的效果，使人們高枕無憂。該產(chǎn)品必須能夠有效預(yù)防廣大農(nóng)村居民冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件發(fā)生，同時(shí)也能夠給城鎮(zhèn)居民安全使用天然氣提供有力的保障。1.3 一氧化碳報(bào)警器的概述 一氧化碳報(bào)警器是屬于燃?xì)鈭?bào)警器中的一種。燃?xì)鈭?bào)警器可分為可燃?xì)怏w泄漏儀（簡稱“檢漏儀”），可燃?xì)怏w報(bào)警控制器（簡稱“控制器”）、可燃?xì)怏w探測器（簡稱“探測器”）、家用可燃?xì)怏w報(bào)警器（簡稱“報(bào)警器”）四大系列產(chǎn)品。報(bào)警器為居民家庭用的燃?xì)鈭?bào)警器，一般安裝在廚房或廁所，遇燃?xì)庑孤r(shí)，報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，以提醒居民。 燃?xì)鈭?bào)警器的核心是氣體傳感器，俗稱“電子鼻”。當(dāng)氣體傳感器遇到匹配氣體時(shí)，傳感器電阻隨燃?xì)?/p>

12、濃度而變化，隨之產(chǎn)生電信號(hào)，然后將電信號(hào)傳輸?shù)綀?bào)警器后繼線路進(jìn)行處理。經(jīng)過電子路線處理變成濃度成比例變化的電壓信號(hào)，由線性電路加以補(bǔ)償，使信號(hào)線性化，經(jīng)微機(jī)處理、邏輯分析，輸出各種控制信號(hào)，即當(dāng)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，氣體報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。本文中的一氧化碳報(bào)警器起基本工作原理也差不多。1.4 設(shè)計(jì)的主要任務(wù)本文利用單片機(jī)電路制作一氧化碳報(bào)警器。設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵的兩個(gè)部分：硬件的設(shè)計(jì)和控制軟件的程序編寫。這也是在設(shè)計(jì)過程中需要解決的最關(guān)鍵的問題。(1) 對(duì)單片機(jī)報(bào)警器系統(tǒng)進(jìn)行整體的規(guī)劃和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。(2) 以STC89C52單片機(jī)為中央處理器，對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使其功能更加完善。

13、系統(tǒng)硬件電路主要分為A/D轉(zhuǎn)換電路、STC89C52單片機(jī)接口電路、聲音報(bào)警控制電路、三部分。硬件的設(shè)計(jì)需要單片機(jī)、模電及其數(shù)電的相關(guān)知識(shí)。在解決這一問題的過程中，需要查閱大量資料，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，向老師獲取幫助。(3) 系統(tǒng)的軟件編制。在程序的編寫過程中，將數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換后經(jīng)由單片機(jī)和已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。需要對(duì)程序進(jìn)行多次調(diào)試，以獲取最佳數(shù)值。最后根據(jù)需要調(diào)試出來實(shí)際電路即可。2.方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)就是根據(jù)題目的要求而對(duì)軟硬件進(jìn)行規(guī)劃，并選擇最佳的硬件電路和軟件程序來達(dá)到預(yù)期的目的。硬件設(shè)計(jì)是通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，對(duì)各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，已達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。并且把這些

14、元器件焊接在一塊電路板上。它包括對(duì)各種元器件的功能和接發(fā)；了解，以及對(duì)各種元器件的選擇和設(shè)計(jì)方案的選擇。軟件設(shè)計(jì)是分析設(shè)計(jì)的硬件用程序?qū)崿F(xiàn)其功能，前提是將正確的相關(guān)程序燒錄到單片機(jī)上，已達(dá)到硬件實(shí)現(xiàn)功能的要求，并且調(diào)試優(yōu)化產(chǎn)品功能。2.1設(shè)計(jì)要求CO報(bào)警器應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能:報(bào)警器需在一氧化碳濃度達(dá)到100ppm時(shí)啟動(dòng)報(bào)警。具體實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）系統(tǒng)要求設(shè)置正常工作狀態(tài)除正常工作狀態(tài)外,LED紅燈處于熄滅狀態(tài)，蜂鳴器處于關(guān)閉狀態(tài)。 （2）在正常工作狀態(tài)下，綠燈應(yīng)長亮。當(dāng)室內(nèi)一氧化碳濃度達(dá)到100ppm時(shí)系統(tǒng)應(yīng)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，紅燈閃爍。2.2 初始化方案本設(shè)計(jì)研究的思路：（1） 根據(jù)該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的

15、基本功能，設(shè)計(jì)大概應(yīng)該分為信號(hào)接收，信號(hào)處理，信號(hào)控制和信號(hào)響應(yīng)四個(gè)部分。 A.信號(hào)采集接收部分即通過一氧化碳檢測房間氣體濃度，并將這種變化量轉(zhuǎn)換成電壓或者電流等模擬量的變化。為了能準(zhǔn)且采集到氣體濃度的變化應(yīng)選用傳感器敏感器件，為使其有效部分的檢測房間中氣體濃度，必須選用高溫一氧化碳傳感器。 B.信號(hào)處理部分是將接收部分得到的電壓或電流等變化進(jìn)行必要放大，為后一部分信號(hào)控制提供準(zhǔn)備。這一部分應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選用電荷放大，或比較器等裝置，這部分電路將包含在傳感器接口電路中。 C.信號(hào)控制部分是通過預(yù)設(shè)定控制方式等實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)要求的準(zhǔn)確操作。主要是通過已編程的單片機(jī)芯片。 D.信號(hào)響應(yīng)是通過事故處理

16、部分實(shí)現(xiàn)控制部分的要求。用簡單的蜂鳴器和LED燈即可。 根據(jù)對(duì)上面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分析，我們得到該設(shè)計(jì)思想框圖如下圖2.1所示：信 號(hào)響 應(yīng)裝 置信 號(hào)控 制裝 置信 號(hào)處 理裝 置信 號(hào)接 收裝 置 圖 2.1 設(shè)計(jì)思想框圖2.2.1 總體方案的選擇鑒于此系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出方案進(jìn)行分析。首先，這個(gè)方案是利用一個(gè)一氧化碳?xì)饷魝鞲衅鲗?duì)空間的氣體濃度進(jìn)行檢測，將檢測到的濃度結(jié)果經(jīng)過放大器或比較電路后，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測信號(hào)的處理，再將結(jié)果輸入A/C芯片后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過寫有程序的單片機(jī)STC89C52對(duì)電路進(jìn)行智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。此設(shè)計(jì)十分簡單，也十分實(shí)用。雖然對(duì)房間氣體濃度的采集不是很精確，但

17、報(bào)警方面已經(jīng)十分符合生活必須的。 這個(gè)設(shè)計(jì)所用到的主控芯片是采用常規(guī)的ADC0809和STC89C52?；诒痉桨杆璧某杀颈容^低，又能達(dá)到比較準(zhǔn)確的測量，單片機(jī)的兼容性和性價(jià)比都很高，因此這個(gè)方案是必然之選。通過對(duì)資料的收集，本設(shè)計(jì)將采用的傳感器是MQ-7氣體傳感器，對(duì)一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。2.2.2 MQ-7氣體傳感器特點(diǎn)：* 對(duì)一氧化碳有很高的靈敏度和良好的選擇性 * 具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性應(yīng)用用于家庭、環(huán)境的一氧化碳探測裝置，適宜于一氧化碳、煤氣等的探測規(guī)格A. 標(biāo)準(zhǔn)的工作條件：B. 環(huán)境條件：C. 靈敏度

18、特性：D.結(jié)構(gòu)、外形、測試電路MQ-7氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖1所示（結(jié)構(gòu)A或B），由微型三氧化二鋁陶瓷管、二氧化錫敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。填充活性炭的過濾腔體，進(jìn)一步減弱了氮氧化物、烷類等氣體的干擾。封裝好的氣敏元件有六只管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)的取出，2個(gè)用于提供加熱電流。基本測試回路圖：基本測試回路圖E.靈敏度特性曲線： MQ-7型氣敏元件靈敏度特性曲線圖上圖中給出了MQ-7型氣敏傳感器的靈敏度特性，其中溫度是20攝氏度，相對(duì)濕度為65%，氧氣濃度為21%，RL=10k；Rs為旗艦在不同氣體不同濃度下的電阻值

19、；Ro為器件在潔凈空氣中的電阻值。MQ-7工作原理：傳感器的表面電阻Rs是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號(hào)VRL輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為： 圖2-1為負(fù)載測試曲線圖，是利用測試回路測得在傳感器由潔凈空氣轉(zhuǎn)移至一氧化碳或甲烷氣氛中時(shí)，RL上的信號(hào)輸出變化情況，輸出信號(hào)的測定是在一個(gè)完整的加熱周期或在兩個(gè)完整的加熱周期內(nèi)測得。圖2-1負(fù)載測試曲線圖靈敏度調(diào)整：MQ-7氣敏傳感器對(duì)不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類傳感器時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的，我們利用了200ppmCO校正傳感器。當(dāng)精確測量時(shí)，報(bào)警點(diǎn)的設(shè)定考慮溫度和濕度的影響。靈敏度的調(diào)整程序：a.將傳感器鏈接到應(yīng)用回路中。b.接通電源，通電老化48小時(shí)以上。c.調(diào)整負(fù)載電阻RL直至獲得對(duì)應(yīng)于某一個(gè)一氧化碳濃度時(shí)所需要的信號(hào)值。2.3系統(tǒng)的組成本設(shè)計(jì)屬于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，一共包括三個(gè)層次。其中以STC89C52單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。為了更好的理清設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)系統(tǒng)細(xì)分為三部分加以設(shè)計(jì)說明。整個(gè)報(bào)警器由三個(gè)部分組成，分為三大模