基于單片機(jī)AT89C51的一氧化碳濃度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

李瑞福

摘要：一氧化碳是一種常見的無色無味有毒氣體，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。本設(shè)計(jì)針對(duì)空間的CO濃度進(jìn)行測(cè)量與報(bào)警。采用了探測(cè)器、單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)思路，該方案具有反應(yīng)速度快，檢測(cè)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。選用一種十分穩(wěn)定的CO傳感器MQ7，對(duì)空間的一氧化碳濃度進(jìn)行檢測(cè)，采用AT89C51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，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。

關(guān)鍵詞：一氧化碳；報(bào)警器；單片機(jī)；電化學(xué)（氣敏）傳感器

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.09.027

0 引言

由于發(fā)生一氧化碳中毒事件的隱蔽性和普遍性，迫切需要一種監(jiān)控室內(nèi)一氧化碳濃度的檢測(cè)儀，當(dāng)一氧化碳濃度過高時(shí)及時(shí)報(bào)警，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一氧化碳智能報(bào)警系統(tǒng)，利用氣體傳感器技術(shù)，將檢測(cè)到的可燃?xì)怏w濃度與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)高過一定濃度值時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警，提醒相關(guān)人員采取相應(yīng)的措施，組織人員撤離或?qū)υ摽臻g通風(fēng)排氣，避免事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制核心采用單片機(jī)AT89C51，它具有信號(hào)的監(jiān)控處理、報(bào)警顯示和自動(dòng)控制等功能，其硬件原理框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)的基本組成單元包括：主控單元、氣體采樣單元、單片機(jī)控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元、電源、報(bào)警單元、信息遠(yuǎn)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(duì)外介可燃?xì)怏w具有較高的靈敏度，當(dāng)被測(cè)可燃?xì)怏w在內(nèi)部半導(dǎo)體表面吸附后，引起電學(xué)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(hào)，然后采用并行的8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，將時(shí)間與幅值都連續(xù)的電壓模擬信號(hào)，經(jīng)過取樣、保持、量化和編碼等過程，轉(zhuǎn)換為時(shí)間、幅值離散的數(shù)字量，同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳送到主控芯片——AT89C51單片機(jī)。

AT89C51單片機(jī)根據(jù)外界可燃?xì)怏w與對(duì)應(yīng)變換電壓的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。并將得到的對(duì)應(yīng)氣體濃度數(shù)據(jù)傳送至LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。當(dāng)檢測(cè)氣體濃度低于設(shè)定報(bào)警閾值的時(shí)候，LED顯示器僅顯示測(cè)得的可燃?xì)怏w濃度；當(dāng)檢測(cè)氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警閾值時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

1.1 主控單元設(shè)計(jì)

AT89C51單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司的八位Flash單片機(jī)產(chǎn)品，它的最大特點(diǎn)是在片內(nèi)含有Flash存儲(chǔ)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(chǔ)器，可進(jìn)行一千次擦寫操作。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，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(zhǎng)度小于4k，四個(gè)I/O口全部提供給用戶?？捎肧V電壓編程，而且擦寫時(shí)間僅需lOms，僅為8751擦除時(shí)間的l%，AT89C51芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)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(jī)還具有MCS-51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)：32位雙向輸入輸出線、128x8位內(nèi)部RAM、5個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)、2個(gè)十六位定時(shí)/計(jì)時(shí)器、1個(gè)全雙工異步串行口和時(shí)鐘發(fā)生器等，AT89C51單片機(jī)還有間歇和掉電兩種工作模式，間歇模式由軟件設(shè)置，當(dāng)外圍器件仍處于工作狀態(tài)時(shí)， CPU可根據(jù)工作情況適時(shí)進(jìn)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，CPU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。

1.2 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)執(zhí)行單元如圖2所示。由光電耦合驅(qū)動(dòng)器MOC3041和雙向晶閘管Q組成，其中光電耦合驅(qū)動(dòng)器MOC3041的作用是將單片機(jī)系統(tǒng)與雙向晶閘管電路隔開，避免干擾信號(hào)影響單片機(jī)正常運(yùn)行，雙向晶閘管相當(dāng)于一個(gè)固態(tài)觸點(diǎn)，控制電機(jī)開或關(guān)，從而控制風(fēng)扇通斷，對(duì)空氣流動(dòng)大小進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。光電耦合器MOC3041接收的輸入控制信號(hào)是AT89C51的P1.4口輸出信號(hào)。

光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3041帶過零觸發(fā)電路，輸入端驅(qū)動(dòng)電流是15mA。

MOC3041一般不直接用于控制負(fù)載運(yùn)行，一般用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的晶閘管。

1.3 電源模塊的設(shè)計(jì)

電源對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行性能影響很大，

要求電源穩(wěn)定可靠、紋波小，能提供穩(wěn)定電壓和足夠電流。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，電源電路由三端穩(wěn)壓器LM7805構(gòu)成，采用多級(jí)電容濾波，輸出恒定SV電壓。電源電路如圖3所示。

1.4 報(bào)警單元設(shè)計(jì)

報(bào)警電路采用了發(fā)光二極管及蜂鳴器構(gòu)成。在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)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(bào)警閾值（給定值）進(jìn)行比較，當(dāng)氣敏傳感器檢測(cè)氣體濃度超出報(bào)警設(shè)定值時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警，即蜂鳴器嗚叫，發(fā)光二極管閃爍。報(bào)警電路如圖4所示。

1.5 檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

氣體傳感器是把氣體中的特定成份檢測(cè)出來，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警。傳感器是整個(gè)控制系統(tǒng)獲取被控對(duì)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(jì)選擇MQ-7系列傳感器，圖5為MQ-7系列傳感器等效電路。

1.6 顯示電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用128*64的液晶顯示器，EDM12864B是一款分辨率為128*64的圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，可以顯示4*8個(gè)16*16的漢字，液晶顯示器（LCD）具有成本低廉、配置靈活、工作電壓低、能耗低、體積小、顯示信息量大和無輻射等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序采用匯編語言，用WAVE E6000硬件仿真器調(diào)試，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序和幾個(gè)子程序模塊：A/D轉(zhuǎn)換、顯示模塊、聲光報(bào)警及若干個(gè)控制子程序。

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(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸出二進(jìn)制碼，傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)采用一定的算法，運(yùn)算出被檢測(cè)氣體濃度后，送到液晶顯示器LED中顯示，同時(shí)檢測(cè)的氣體濃度與事先設(shè)定的濃度閾值（報(bào)警設(shè)定值）進(jìn)行比較，判斷是否需要聲光報(bào)警。當(dāng)氣體濃度大于閾值（2000ppm），單片機(jī)P2.0口輸出高電平，二極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管亮，單片機(jī)P2.1口置低電位，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作，發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)氣體濃度小于閾值（2000ppm），單片機(jī)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(bào)警。

3 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的一氧化碳濃度檢測(cè)系統(tǒng)，功能實(shí)用簡(jiǎn)單。其設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于：（l）成本低廉，并能對(duì)一定空間的一氧化碳濃度進(jìn)得檢測(cè)、顯示并準(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，可連續(xù)使用、簡(jiǎn)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(huì)有效預(yù)防廣大農(nóng)村居民冬季燃煤取暖時(shí)，一氧化碳中毒事件的發(fā)生，同時(shí)也能給城鎮(zhèn)居民安全使用天然氣，提供有力保障。