基于Arduino的酒精與一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)器設(shè)計(jì)說明

./基于Arduino的酒精與一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)器設(shè)計(jì)1.前言1.1設(shè)計(jì)背景隨著社會(huì)工業(yè)的發(fā)展,推動(dòng)著社會(huì)的進(jìn)步,卻也存在著時(shí)時(shí)刻刻危害著人類生存的氣體,那么通過什么方式才能知道我們環(huán)境所存在的氣體的濃度呢,以便做出及時(shí)處理和改善。社會(huì)上雖有檢測(cè)有害氣體濃度的設(shè)備,但是價(jià)格昂貴,不能夠普及使用,特別是家庭方面,煤氣中毒事件屢見不鮮。生活中迫切需要一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的有害氣體濃度檢測(cè)裝置。1.2設(shè)計(jì)目的和意義為將所學(xué)運(yùn)用于實(shí)踐中,提高自身能力的同時(shí),考慮到社會(huì)所需,呼吁人們關(guān)注周圍環(huán)境,因此做了一款基于Arduino的酒精與一氧化碳?xì)怏w濃度檢測(cè)的設(shè)計(jì)。2任務(wù)的提出與方案論證2.1設(shè)計(jì)要求1、可檢測(cè)出10—1000ppm的氣體的濃度〔酒精、一氧化碳；2、通過小型液晶顯示器和上位機(jī)界面顯示氣體濃度值；3、當(dāng)氣體濃度值達(dá)到所設(shè)閾值時(shí),立刻報(bào)警；4、報(bào)警方式通過燈光報(bào)警和蜂鳴器器報(bào)警。2.2方案選擇方案一：采用單片機(jī)STC89C51為主進(jìn)行設(shè)計(jì),有32個(gè)I/O口,可供設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行功能擴(kuò)展,無需進(jìn)行引腳擴(kuò)展,設(shè)計(jì)過程中無需占用多大體積。有害氣體濃度采集可采用MQ-3和MQ-7,對(duì)酒精、CO氣體有較好的靈敏度。顯示濃度值可采用SSD1306OLED液晶模塊。將有害氣體濃度值通過串口發(fā)送至上位機(jī)。方案二：采用Arduino單片機(jī)作為主控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),Arduino有數(shù)字和模擬端口,無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換可直接讀出所測(cè)氣體濃度值,端口定義靈活,代碼開源易于無聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。有害氣體濃度采集可采用MQ-3和MQ-7,可測(cè)酒精和CO氣體。顯示濃度值可采用0.96寸SSD1306OLED液晶模塊。將有害氣體濃度發(fā)送至上位機(jī)。在上述兩種方案中,都可以很好的實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì),但由于對(duì)單片機(jī)STC89C51在此設(shè)計(jì)中使用不夠方便、靈活等,而Arduino基礎(chǔ)設(shè)計(jì)都有教程參考,所以方案二更加易于實(shí)現(xiàn)和拓展性更高。2.3總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)規(guī)劃的總體方案如下：在設(shè)計(jì)中采用Arduino為控制芯片,通過傳感器MQ-3和MQ-7實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍有害氣體濃度,將濃度值傳送給Arduino進(jìn)行判斷處理是否通過蜂鳴器報(bào)警,并通過SSD1306OLED液晶模塊顯示其濃度,如果產(chǎn)生報(bào)警,將報(bào)警LED閃爍并實(shí)時(shí)通過串口發(fā)送至上位機(jī),上位機(jī)也通過圖形顯示控件實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前氣體濃度值。圖2.1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖：圖2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖3系統(tǒng)主要硬件介紹3.1控制模塊本次設(shè)計(jì)采用ArduinoUnoR3芯片為主的控制器件,其中0-13為數(shù)字I/O口,A0-A5為模擬I/O口,輸出5V/3.3V直流電壓兩種選擇。其芯片接口如圖3.1所示：圖3.1Arduino接口圖3.2氣體濃度檢測(cè)模塊MQ-3和MQ-7〔見圖3.2的電導(dǎo)率隨空氣中酒精氣體濃度和一氧化碳?xì)怏w濃度的增加而增大,污染氣體濃度值有模擬、數(shù)字兩種方式輸出。在本次設(shè)計(jì)中需獲得污染氣體濃度值,所以選擇模擬端口輸出。由于Arduino有模擬端口〔A0~A5,可直接讀取模擬信號(hào)值,故MQ-3和MQ-7可直接與Arduino的模擬端口相連接。圖3.2MQ-3和MQ-73.3顯示模塊SSD1306〔見圖3.3是一個(gè)單片CMOSOLED/PLED驅(qū)動(dòng)芯片可以驅(qū)動(dòng)有機(jī)/聚合發(fā)光二極管點(diǎn)陣圖形顯示系統(tǒng)。由128segments和64Commons組成。該芯片專為共陰極OLED面板設(shè)計(jì)。SSD1306中嵌入了對(duì)比度控制器、顯示RAM和晶振,并因此減少了外部器件和功耗。有256級(jí)亮度控制。數(shù)據(jù)/命令的發(fā)送有三種接口可選擇：6800/8000串口,I2C接口或SPI接口。在本次應(yīng)用中采用的是I2C接口,SSD1306OLED液晶模塊在此顯示兩種氣體的濃度值。圖3.2SSD1306OLED液晶顯示模塊4系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過程中,軟硬件相結(jié)合才能夠順利完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì),只有在反復(fù)的實(shí)踐中才能對(duì)程序進(jìn)行糾正和優(yōu)化,減少程序漏洞,使之程序結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn),系統(tǒng)穩(wěn)定。因此,在程序設(shè)計(jì)前需要想好,使用這個(gè)硬件讓它發(fā)揮著怎樣的一個(gè)功能,以便衡量硬件選擇的合理性。4.1下位機(jī)程序設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中要達(dá)到以下幾點(diǎn)功能,首先需將有害氣體的濃度檢測(cè)出來,其次是根據(jù)人體對(duì)有害氣體適應(yīng)的能力進(jìn)行閾值設(shè)置,聲音報(bào)警,最后通過兩種方式將有害氣體的濃度呈現(xiàn)出來,即串口發(fā)送至上位機(jī)和SSD1306OLED液晶模塊屏。為達(dá)到以上功能,其主程序流程圖如圖4.1所示：圖4.1主程序流程圖4.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)上位機(jī)的設(shè)計(jì)使用的是LabVIEW軟件,LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境,由美國(guó)國(guó)家儀器〔NI公司研制開發(fā),類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境,但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼,而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序,產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心,也是開發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇。因此選擇LabVIEW作為上位機(jī)設(shè)計(jì)軟件是比較理想的選擇。上位機(jī)運(yùn)行開始后,從串口接收下位機(jī)Arduino發(fā)送過來的數(shù)據(jù),經(jīng)過解析后使用圖形顯示控件顯示其歷史曲線,并可顯示具體數(shù)值,程序退出后可保存歷史數(shù)據(jù)一遍后續(xù)需要的時(shí)候查閱。其上位機(jī)程序流程圖如下所示。圖4.2上位機(jī)程序流程圖5.軟硬件調(diào)試結(jié)果氣體的濃度值是需要做標(biāo)定后才能轉(zhuǎn)換的,標(biāo)定的時(shí)候可以記錄一系列已知的氣體濃度值和對(duì)應(yīng)的傳感器模塊輸出的模擬電壓值,在一定圍可以認(rèn)為是線性關(guān)系,上位機(jī)通過線性擬合將得出氣體濃度值與采集到的模擬電壓值的線性關(guān)系,由此完成標(biāo)定過程。上位機(jī)操作界面與下位機(jī)實(shí)際運(yùn)行效果如下圖所示。圖5.1上位機(jī)界面操作圖圖5.2下位機(jī)運(yùn)行效果圖[參考文獻(xiàn)][1]呂洲.Arduino程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)〔第二版.:航空航天大學(xué),2015.3.[2]溫江濤,煜.物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺(tái)DIY——Arduino+Xively+上位機(jī)+微信.科學(xué)出版社,2015.12.[3]健驪.物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù).西南交通大學(xué),2013.2.[4]柴遠(yuǎn)波.短距離無線通信技術(shù)及應(yīng)用.電子工業(yè),2015.4.[5]志勇.現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用.電子工業(yè),2014.1.[6]TosshihisaTsukada.SSD1306OLED液晶模塊/LCD薄膜晶體管尋址的液晶顯示器.機(jī)械工業(yè)出版社,2012.9.[7]駿榮.Arduino互動(dòng)設(shè)計(jì)入門計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng).科學(xué),2015、7[8]喻宗泉.藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ)/普通高等教育規(guī)劃教材.機(jī)械工業(yè),2006、1[9]吳功宜,吳英著.物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論.機(jī)械工業(yè),2