基于單片機的一氧化碳檢測儀設計

基于單片機的一氧化碳檢測儀的控制系統(tǒng)設計摘要一氧化碳檢測儀是一種用于公共場所及室內(nèi)具有檢測及超限報警功能的儀器。其設計方案基于AT89C52單片機，選擇CITY公司的7E/F一氧化碳傳感器。系統(tǒng)將傳感器的標準信號通過AD0832為核心的A/D轉(zhuǎn)換電路調(diào)理后，經(jīng)由單片機進行數(shù)據(jù)處理，最后由數(shù)碼管顯示一氧化碳濃度值。文中詳細介紹了數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、軟件編程、數(shù)據(jù)處理過程以及數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)和報警電路的設計方法和過程。系統(tǒng)對于采樣地點超出規(guī)定的一氧化碳容許濃度時采用三極管驅(qū)動的單音頻報警電路提醒監(jiān)測人員。同時，操作人員對于具體報警點的上限值可以通過單片機編程進行設置。另外，該系統(tǒng)對濃度信號進行了信號補償?shù)忍幚?，減少了測量誤差，因此，具有較高的測量精度，而且結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良。關鍵詞：一氧化碳檢測；單片機；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)目錄1前言 11.1一氧化碳的危害 11.2一氧化碳檢測儀的種類21.3課題的背景和意義22檢測儀系統(tǒng)總體設計33一氧化碳檢測儀硬件設計33.1硬件結(jié)構(gòu)設計33.2硬件選擇與設計43.2.1MCU的選擇與設計4單片機最小系統(tǒng)的實現(xiàn)6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選擇與設計8模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇與設計103.2.5數(shù)碼顯示模塊設計133.2.6電源模塊設計133.2.7報警電路的選擇133.3硬件設計主電路圖143.4實物圖 144軟件設計154.1軟件設計結(jié)構(gòu)的設計154.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設計154.3軟件設計程序16總結(jié)17致謝17參考文獻18附錄一19附錄二201前言1.1一氧化碳的特性及危害一氧化碳是無色、無臭、無味、有毒的氣體,熔點﹣199℃,沸點﹣191.5℃。標準狀況下氣體密度為l.25g/L，和空氣密度〔標準狀況下1.293g/L〕相差很小,這也是容易發(fā)生煤氣中毒的因素之一。一氧化碳分子中碳元素的化合價是＋2價，能進一步被氧比成＋4價，從而使一氧化碳具有可燃性和復原性，一氧化碳能夠在空氣中或氧氣中燃燒，生成二氧化碳。一氧化碳中毒〔carbonmonoxidepoisoning〕，亦稱煤氣中毒。一氧化碳是無色、無臭、無味的氣體，故易于忽略而致中毒。常見于家庭居室通風差的情況下，煤爐產(chǎn)生的煤氣或液化氣管道漏氣或工業(yè)生產(chǎn)煤氣以及礦井中的一氧化碳吸入而致中毒。中毒原理：一氧化碳會與肺部的血紅蛋白結(jié)合，造成機體缺氧。一是輕度中毒?；颊呖沙霈F(xiàn)頭痛、頭暈、失眠、視物模糊、耳鳴、惡心、嘔吐、全身乏力、心動過速、短暫昏厥。血中碳氧血紅蛋白含量達10%-20%。二是中度中毒。除上述病癥加重外，口唇、指甲、皮膚粘膜出現(xiàn)櫻桃紅色，多汗，血壓先升高后降低，心率加速，心律失常，煩躁，一時性感覺和運動別離〔即尚有思維，但不能行動〕。病癥繼續(xù)加重，可出現(xiàn)嗜睡、昏迷。血中碳氧血紅蛋白約在30%-40%。經(jīng)及時搶救，可較快清醒，一般無并發(fā)癥和后遺癥。三是重度中毒。患者迅速進入昏迷狀態(tài)。初期四肢肌張力增加，或有陣發(fā)性強直性痙攣；晚期肌張力顯著降低，患者面色蒼白或青紫，血壓下降，瞳孔散大，最后因呼吸麻痹而死亡。經(jīng)搶救存活者可有嚴重合并癥及后遺癥。一氧化碳的后遺癥。中、重度中毒病人有神經(jīng)衰弱、震顫麻痹、偏癱、偏盲、失語、吞咽困難、智力障礙、中毒性精神病。局部患者可發(fā)生繼發(fā)性腦病。1.2一氧化碳檢測儀的種類目前，市場上一氧化碳檢測儀的種類是多種多樣，目前應用得較為廣泛的是熱催化監(jiān)測方式，但由于多種可熱性氣體都能催化氧化燃燒，導致檢測精度下降，另外，采用這種方式的檢測儀體積和功率都較大，不便于隨身攜帶，本設計提出的一種采用點調(diào)制非光紅外〔NDIR〕氣體成分分析技術檢測一氧化碳氣體的方法，該方法提高了檢測精度，大大降低了檢測儀的尺度和功耗，延長了電池供應時間，體積和功耗的有效降低。1.3課題的背景和意義在當今社會開展中，現(xiàn)代化的開展給人類帶了很大的方便，但與此同時，人生平安越來越受到人們的重視，一氧化碳在工業(yè)領域所給我們帶來的方便不言而喻，但它對人體的危害也是顯而易見的。所以我們設計一款基于單片機控制的一氧化碳檢測儀，對一氧化碳進行檢測，為人們提供了平安的保障。2一氧化碳檢測儀系統(tǒng)總體設計本論文主要完成一氧化碳檢測儀軟件和硬件設計，采用單片機為控制核心，以實現(xiàn)一氧化碳檢測儀的根本控制功能。系統(tǒng)主要功能內(nèi)容包括：信號采集、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換器程序、控制程序、超標報警、數(shù)據(jù)顯示等。本系統(tǒng)設計采用功能模塊化的設計思想，系統(tǒng)主要分為總體方案設計、硬件和軟件的設計三大局部。根據(jù)任務書上的要求進行綜合分析，總設計方案分為以下幾個步驟：〔1〕硬件系統(tǒng)電路的設計；〔2〕軟件系統(tǒng)主程序及其相關子程序的編寫；〔3〕系統(tǒng)電路及軟件的調(diào)試；〔4〕結(jié)論。3一氧化碳檢測儀硬件設計3.1硬件結(jié)構(gòu)設計單片機AT89C52硬件設計局部主要包括：單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、運算放大器、數(shù)碼管、蜂鳴器等芯片的選擇；硬件主電路設計、數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設計、數(shù)碼顯示電路設計、復位電路、報警電路等功能模塊電路設計。硬件結(jié)構(gòu)框圖3-1單片機AT89C52數(shù)碼顯示信號采集數(shù)碼顯示信號采集信號放大信號放大報警電路報警電路A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換圖3-1硬件結(jié)構(gòu)框圖3.2硬件選擇和設計AT89C52單片機的選擇本系統(tǒng)采用AT89C52單片機。而目前世界上較為著名的8位單片機的生產(chǎn)廠家和主要機型如下：美國Intel公司：MCS—51系列及其增強型系列；美國Motorola公司：6801系列和6805系列；美國Atmel公司：89C51等單片機；美國Zilog公司：Z8系列及SUPER8；美國Fairchild公司：F8系列和3870系列；美國Rockwell公司：6500/1系列；美國TI〔德克薩司儀器儀表〕公司：TMS7000系列；NS〔美國國家半導體〕公司：NS8070系列等等。盡管單片機的品種很多，但是在我國使用最多的還是Intel公司的MCS—52系列單片機和美國Atmel公司的89C52單片機。MCS—51系列單片機包括三個根本型8031、8051、8751。本系統(tǒng)采用AT89C52單片機為控制核心。而相比之下52型功能更為強大，ROM和RAM存儲空間更大，52還兼容51指令系統(tǒng)?；诒鞠到y(tǒng)設計內(nèi)容的需要，綜合考慮后，我們選擇單片機ATME公司的AT89C52為控制核心；主要基于考慮AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8KB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕、6個中斷源；時鐘頻率0～24MHz；器件采用高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，并兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，功能強大。AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8Kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和256Kbytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術生產(chǎn)，與標準MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，功能強大，AT89C52單片機適合于許多較為復雜控制應用場合。圖3-2引腳圖主要性能參數(shù)：與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容；8K字節(jié)可重擦寫FLASH閃存存儲器；1000次寫/擦循環(huán)；時鐘頻率：0Hz～24MHz；三級加密存儲器；256字節(jié)內(nèi)部RAM；32個可編程I/O口線；3個16位定時/計數(shù)器；6個中斷源；可編程串行UART通道。單片機最小系統(tǒng)的設計采用AT89C52來設計一個單片機系統(tǒng)能運行起來的需求最小的系統(tǒng)，電路圖見圖3-3：圖3-3單片機最小系統(tǒng)圖上圖的最小單片機系統(tǒng)包含有晶振電路和復位電路，AT89C52芯片組成?！?〕晶振電路晶振電路在各種指令的微操作在時間上有嚴格的次序，這種微操作的時間次序稱作時序，AT89C52的時鐘產(chǎn)生方式有兩種，一種是內(nèi)部時鐘方式，一種是外部時鐘方式。本系統(tǒng)中采用了內(nèi)部時鐘方式，為了盡量降低功耗的原那么。電路圖見圖3-4。圖3-4晶振電路圖在89C52單片機的內(nèi)部有一個震蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體〔簡稱晶振〕就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號，圖中電容器C1和C2穩(wěn)定頻率和快速起振，晶振CRY選擇的是12MHz?！?〕復位電路①復位的意義復位電路在單片機工作中仍然是不可缺少的主要部件中，單片機工作時必須處于一種確定的狀態(tài)。端口線電平和輸入輸出狀態(tài)不確定可能使外圍設備誤動作，導致嚴重事故的發(fā)生；內(nèi)部一些控制存放器〔專用存放器〕內(nèi)容不確定可能導致定時器溢出、程序尚未開始就要中斷及串口亂傳向外設發(fā)送數(shù)據(jù)。②復位電路原理圖3-5上電復位電路圖本設計中復位電路采用的是上電復位與手動復位電路，開關未按下是上電復位電路，上電復位電路在上電的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，電容處于充電〔導通〕狀態(tài)，故RST腳的電壓與VCC相同。隨著電容的充電，RST腳上的電壓才慢慢下降。選擇合理的充電常數(shù)，就能保證在開關按下時是RST端有兩個機器周期以上的高電平從而使AT89C52內(nèi)部復位。開關按下時是按鍵手動復位電路，RST端通過電阻與VCC電源接通，通過電阻的分壓就可以實現(xiàn)單片機的復位。電路圖見圖3-6：圖3-6復位電路圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選擇與設計〔1〕一氧化碳傳感器的選擇：一氧化碳傳感器選用CO/CF-1000探頭組成，如下表3-1。表3-1傳感器參數(shù)名稱一氧化碳傳感器CO/CF-1000測量范圍0-1000ppm輸出100±20nA/ppm分辨率0.05ppm響應時間(T90)﹤50seconds濕度范圍15-90%RH〔非凝結(jié)〕最大零點漂移(20℃to4010ppm長期漂移﹤2%/每月推薦負載值10Ω線性度輸出線性〔2〕從傳感器過來的電壓信號，必須采集，濾波，放大，轉(zhuǎn)換才能被MCU識別和處理。由于假假設每一路都設置放大、濾波等器件，那么本錢會很大，所以信號的采集一般用多路模擬通路進行選擇。然而選擇多路模擬開關時必須考慮以下的幾個因素：通道數(shù)量、切換速度、開關電阻和器件的封裝形式?？傊當?shù)據(jù)采集與硬件的選擇有很大的關系?！?〕測量電路測量電路由CO/CF-1000一氧化碳傳感器、ADC0832組成。當空氣被內(nèi)部的采樣系統(tǒng)接收后，產(chǎn)生一個與一氧化碳濃度成正比的電壓信號，該電壓信號經(jīng)ADC0832與AT89C52單片機相連，在顯示器上顯示出一氧化碳的濃度值，當超過國家規(guī)定的標準時報警。信號采集電路圖如下：圖3-7信號采集電路圖模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇與簡介〔1〕由于ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換、輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容、5V電源供電時輸入電壓在0～5V之間、工作頻率為250KHZ、轉(zhuǎn)換時間為32微秒、一般功耗僅為15MW等優(yōu)點，適合本系統(tǒng)的應用，所以我們采用ADC0832為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。電路圖見圖3-7如下：圖3-8模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖〔2〕ADC0832具有以下特點：①8位分辨率；②雙通道A/D轉(zhuǎn)換；③輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；④5V電源供電時輸入電壓在0～5V之間；⑤工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32μS；⑥一般功耗僅為15mW；⑦8P、14P—DIP〔雙列直插〕、PICC多種封裝；⑧商用級芯片溫寬為0℃到+70℃，工業(yè)級芯片溫寬為?40℃到+85℃；芯片接口說明：①CS_片選使能，低電平芯片使能；②CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用；③CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用；④GND芯片參考0電位〔地〕；⑤DI數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制；⑥D(zhuǎn)O數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；⑦CLK芯片時鐘輸入；⑧Vcc/REF電源輸入及參考電壓輸入〔復用〕。單片機對ADC0832的控制原理：正常情況下ADC0832與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉(zhuǎn)換時，先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端那么使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號?！?〕測量量程由于ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為8位,所以ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度為：10ppm/256=0.039ppm。3.2.5數(shù)碼顯示模塊設計圖3-9數(shù)碼顯示電路圖3.2.6電源模塊設計圖3-10電源模塊電路圖3.2.7報警電路的選擇圖3-11報警電路接線圖在單片機應用系統(tǒng)中，一般的工作狀態(tài)可以通過指示燈或數(shù)碼顯示來指示，供操作人員參考，了解系統(tǒng)的工作狀況。但對于緊急狀態(tài)，比方系統(tǒng)檢測到的錯誤狀態(tài)等，往往還需要有某種更能引人注意，及時采取措施，往往還需要有某種更能引人注意，提起警覺的報警信號。這種報警信號通常有三種類型：一是閃光報警，因為閃動的指示燈更能提醒人們注意；二是鳴音報警，發(fā)出特定的音響，作用于人的聽覺器官，易于引起和加強警覺；三是語音報警，不僅能起到報警作用，還能直接給出警報種類的信息。其中，前兩種報警裝置因硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件編程方便，常常在單片機應用系統(tǒng)中使用；而語音報警雖然警報信息較直接，但硬件本錢高，結(jié)構(gòu)較復雜。單頻音報警實現(xiàn)單頻音報警的接口電路比擬簡單，其發(fā)音元件通?？刹捎脡弘姺澍Q器，當在蜂鳴器兩引腳上加3～15V直流工作電壓，就能產(chǎn)生3kHZ左右的蜂鳴振蕩音響。壓電式蜂鳴器，約需10mA的驅(qū)動電流，可在某端口接上一只三極管和電阻組成的驅(qū)動電路來驅(qū)動，如圖3-14所示。在圖3-14中，P1.0接三極管基極輸入端，當P1.0輸出高電平“1”時，三極管導通，蜂鳴器的通電而發(fā)音，當P1.0輸出低電平“0”時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)音。3.3硬件設計主電路圖，見附錄一。3.4實物圖，見附錄二。4軟件設計4.1軟件設計結(jié)構(gòu)軟件設計局部主要包括：主程.序/子程序流程的設計、功能模塊程序的編寫、軟/硬件結(jié)合調(diào)試與演示。主要包括以下功能模塊：51驅(qū)動、檢測、數(shù)碼管顯示、模數(shù)軟換，軟件結(jié)構(gòu)框圖4-1。系統(tǒng)初始化信號采集并放大輸出系統(tǒng)初始化信號采集并放大輸出A/D轉(zhuǎn)換并輸出數(shù)據(jù)單片機數(shù)據(jù)處理并輸出74HC595串進并出數(shù)碼管顯示圖4-1軟件結(jié)構(gòu)框圖4.2模數(shù)轉(zhuǎn)換的設計〔1〕模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的主要功能就是將經(jīng)放大器放大的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為MCU能夠處理的數(shù)字信號，并傳送給單片機?！?〕ADC0832轉(zhuǎn)換的流程圖見下列圖4-2。開始開始使能芯片產(chǎn)生時鐘信號輸入通道控制字讀取2字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)據(jù)校正送入指定存放器結(jié)束圖4-2數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖4.3軟件設計程序見附錄三總結(jié)本一氧化碳檢測儀的設計體積小，質(zhì)量輕，性價比高。主要分為硬件設計和軟件設計。根本實現(xiàn)了設計前對該系統(tǒng)所要求實現(xiàn)的功能。軟件是基于C語言編寫的，具有很好的可控性、模塊化和移植性。編寫的思路以模塊化思想，將系統(tǒng)的各個功能進行劃分，然后對各個模塊進行設計。本系統(tǒng)的主要模塊為一氧化碳檢測、A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示和時鐘設置。軟件與硬件相結(jié)合的仿真演示出了一氧化碳檢測儀主要的工作情況。但由于是電信號模擬，和真實一氧化碳檢測有一定區(qū)別，而且所學知識有限，本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能不是很健全，但在設計過程中讓自己學會了很多。致謝本論文是在王新金老師的悉心指導下完成的。從選題到完成，每一步都是在老師的指導下完成的，在此，謹向王老師表示崇高的敬意和衷心的感謝。我的工程課題是基于單片機的一氧化碳檢測儀控制系統(tǒng)的設計，是一個實際的小工程。作為一個本科生，我對實際的工程設計認識不夠，經(jīng)驗缺乏，難免在設計的整體框架中，有很多的細節(jié)沒有考慮。但老師給予我鼓勵和很多珍貴的建議，并且悉心引導，給予我一個比擬清晰的設計思路，幫助我解決了許多設計上的困難。忘老師們對論文的缺乏之處敬請批評點。參考文獻[1]何立民．MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計[M]．北京航空航天大學出版社，1990[2]馬忠梅．單片機的C語言應用程序設計[M]．北京航空航天大學出版社，2001[3]陳小忠．單片機接口技術實用子程序[M]．人民郵電大學出版社，2005[4]張淑清．單片微型計算機接口技術及其應用[M]．國防工業(yè)大學出版社，2001[5]曹琳琳．單片機原理及接口技術[M]．國防科技大學出版社，2000[6]徐煜明．單片機原理及接口技術[M]．電子工業(yè)出版社，2005[7]趙新民．智能儀器原理及設計[M]．哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995附錄一：附錄二：附錄三：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitSH_CP=P2^6;sbitST_CP=P2^5;sbitDS=P2^4; 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