關于一氧化碳檢測報警儀的研究

李浩 儲珂 胡飄 陳悅 李子昂

摘要：設計了基于STC12C5A60S2單片機的一氧化碳檢測報警儀。該儀器具有一氧化碳濃度實時檢測、顯示和聲光報警等功能，采用MQ-7傳感器實時采集空氣內的一氧化碳濃度，通過AD7887進行A/D轉換，將所得到的數(shù)字量與單片機事先規(guī)定好的閾值進行比對，如果超過閾值，通過LCD12864液晶模塊顯示一氧化碳濃度，并進行聲光報警。該一氧化碳檢測報警儀具有成本低廉、識別精度高的優(yōu)點，完全可以滿足室內一氧化碳濃度檢測的需要。

關鍵詞：STC12C5A60S2;一氧化碳檢測儀;報警系統(tǒng)

0 ? ?引言

一氧化碳作為一種無色、無味的氣體，吸入后會與人體內的血紅蛋白相結合，對人體產生巨大的傷害。在現(xiàn)實生活中，一氧化碳中毒事件通常都是發(fā)生在人們并不知情的情況下，因此急需一種能夠實時、準確監(jiān)測室內一氧化碳濃度的一氧化碳檢測儀，來保證廣大人民的生命財產安全[1]。本系統(tǒng)設計的這一款一氧化碳檢測儀，采用電化學傳感器實現(xiàn)氣體傳感，通過A/D轉換技術將得到的數(shù)字量與預設值進行比對，如果超出預設值，則進行相應的液晶顯示和聲光報警，以此來提醒相關人員及時進行通風通氣，從而有效避免事故的發(fā)生。

1 ? ?系統(tǒng)總體設計

一氧化碳檢測系統(tǒng)主要由微處理器、一氧化碳傳感器、A/D轉換器、LCD液晶顯示器等硬件組成，具體檢測流程如圖1所示。該系統(tǒng)以微處理器為核心，芯片采用STC12C5A60S2，選用市場上常見的MQ-7一氧化碳傳感器進行信號的采集，采集的信號經(jīng)過處理以后，通過A/D轉換器轉變成數(shù)字量，所得到的數(shù)字量與單片機事先規(guī)定好的閾值進行比對，如果未超過閾值，則自動忽略。如果超過閾值，則進行相應的數(shù)據(jù)處理，進行聲光報警，同時將轉化后的數(shù)字量信號傳入LCD顯示器，通過LCD可以有效地將相應的氣體濃度值顯示出來。整機主要實現(xiàn)了對一氧化碳濃度的實時監(jiān)測，并能及時反饋監(jiān)測結果;必要時還可設計與PC機通信單元連接，將一段時間內所測數(shù)據(jù)采集存儲起來，然后通過RS485總線上傳到PC機，供技術人員進行查看、預測。

2 ? ?整體硬件設計

2.1 ? ?微處理器模塊設計

在我們所設計的這套系統(tǒng)中采用的微處理器是STC12C5A60S2單片機，它是由宏晶公司生產的單時鐘的單片機[2]，相比于之前的51單片機，一方面，這款單片機的指令代碼可以完全兼容傳統(tǒng)8051單片機代碼，使代碼具有更好的通用性，極大地減少了程序員的工作量;另一方面，這款單片機在傳統(tǒng)的8051單片機基礎上，性能得到了大幅度的提高，具有更好的適用場景與適用方向。

2.2 ? ?氣體傳感模塊設計

本系統(tǒng)采用的MQ-7[3]氣體傳感器所依據(jù)的原理是通過高低溫循環(huán)檢測方式檢測一氧化碳的濃度，該傳感器的電導率隨一氧化碳濃度的增大而增大，通過設計簡單的測試電路就可以將傳感器中電導率的變化，轉換為與一氧化碳氣體濃度相對應的輸出信號進行輸出，從而完成傳感器的信號采集任務。圖2所示為具體的MQ-7電路實驗圖。

2.3 ? ?顯示模塊設計

本系統(tǒng)采用的帶中文字庫的LCD12864是一種既具有8位并行、2線串行的多種接口方式，同時內部也含有國標一級或二級簡體中文字庫的點陣液晶顯示模塊，該LCD顯示器顯示分辨率為128×64，內置8 192個16×16點漢字庫，其具有低電壓、低功耗的顯著特點，所以非常適用于長期顯示字體。

2.4 ? ?聲光報警模塊設計

聲音報警模塊主要選用壓電式蜂鳴器。當系統(tǒng)所轉化的數(shù)字量與報警閾值相比較后大于所設定的閾值，會輸出相應信號，驅動聲音報警，如圖3所示。在圖中，P26接三極管基極輸入端，當P26輸出高電平1時，三極管處于導通狀態(tài)，電路導通，蜂鳴器通電而發(fā)音;當P26輸出低電平0時，三極管處于截止狀態(tài)，電路斷開，此時蜂鳴器停止發(fā)音。

本系統(tǒng)所設計的光報警模塊主要由發(fā)光二極管及相應電路組成，如圖4所示。當對應端口輸出低電平時，二極管處于導通狀態(tài)，電路導通，發(fā)光二極管發(fā)出光亮來提醒用戶及時采取預防措施。

3 ? ?整體軟件設計

3.1 ? ?軟件開發(fā)環(huán)境

STC12C5A60S2可以說是51單片機的升級版，要想進行好的開發(fā)，選擇良好的運行環(huán)境必不可少。于是本系統(tǒng)選用常見且上手較快的開發(fā)工具KEIL MDK進行整體軟件的開發(fā)。

KEIL C51是美國KEIL Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與其他語言相比，C語言不僅好學易用，而且更適用于底層硬件的開發(fā)。KEIL將包括C編譯器、宏匯編器、鏈接器、庫管理器和仿真調試器等在內的全部所需工具，最終通過一個集成開發(fā)環(huán)境組合在一起，從而大大較少了程序員的勞動量。

3.2 ? ?系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

整體軟件的編程采用C語言，運行環(huán)境為KEIL μVision4。整個軟件設計包括主程序模塊設計、A/D轉換模塊設計、顯示模塊設計和聲光報警模塊設計。系統(tǒng)的整體流程圖如圖5所示。首先通過系統(tǒng)中一氧化碳傳感器將信號采集過來，進行信號增強等處理，通過A/D轉換器進行模擬—數(shù)字轉化，將得到的數(shù)字量與存儲器中的閾值進行比較，如果大于相應的閾值，則判定為一氧化碳超出標準，相應的端口輸出低電平，三極管導通，電路連通，進行聲光報警;反之，當數(shù)據(jù)小于相應的閾值，則停止報警。

3.3 ? ?A/D開發(fā)流程

在本系統(tǒng)中，根據(jù)實時采集到的A/D內置寄存器中的數(shù)據(jù)，通過一定的對應關系可以進一步計算出I/O口的電壓，再利用所得到的電壓就可以反推出傳感器所測得的氣體濃度。使用ADC內置函數(shù)可以得到一氧化碳傳感器輸出的電壓值，繼續(xù)使用另一個ADC內置函數(shù)即可換算出一氧化碳氣體濃度。

3.4 ? ?顯示部分和聲光報警部分開發(fā)流程

在本模塊中，字符和漢字均是以點陣的形式進行存儲的，LCD的顯示也是用16×16的點陣數(shù)據(jù)來確定的。具體的確定方式為由每一個二進制位數(shù)來表示每一個點，在LCD上如果顯示亮點就表示該點存入的是1，顯示暗點就表示存入的值是0。當需要寫入漢字時，事先進行引腳配置，進行數(shù)字1與0的配置之后，就可以進行漢字的顯示。通過A/D轉換得到所需數(shù)字量之后，與內置存儲器中所存值比較大小，如果高于所存值則輸出低電平，驅動聲光報警電路，之后導通三極管觸發(fā)蜂鳴器進行聲音報警，并點亮二極管進行提示。

4 ? ?結語

近年來，我國衛(wèi)生、環(huán)保、建筑各部門陸續(xù)出臺了一系列有關室內環(huán)境空氣污染控制和室內空氣質量的標準或規(guī)定[4]。針對以上規(guī)定，本文提出了一種一氧化碳檢測報警儀，其成本低廉、使用簡單，設計的主要優(yōu)點在于：（1）使用場景廣泛，這套裝置可以適用于家庭內部、農家大棚內等;（2）使用簡單，使用這套裝置無需過多操作，將裝置通電放到所需場景中即可，由于低功耗，可以使用很長時間;（3）成本低廉，這套裝置所需成本低，檢測精度高，所以具有非常廣泛的使用前景。

[參考文獻]

[1] 李瑞福.基于單片機AT89C51的一氧化碳濃度檢測儀設計[J].軟件，2015，36（9）：106-108.

[2] 涂菁，張輝，楊錠康，等.基于STC12C5A60S2的智能滅火小車的研究[J].工業(yè)控制計算機，2020，33（5）：148-149.

[3] 張鯤，陳美伊，李壯，等.基于單片機火災報警系統(tǒng)設計原理及方案的比較分析與研究[J].新型工業(yè)化，2014，4（2）：74-77.

[4] 薛嬌嬈.室內空氣環(huán)境監(jiān)測技術的現(xiàn)狀及問題[J].綠色科技，2016（20）：59-60.

收稿日期：2020-07-07

作者簡介：李浩（1998—），男，內蒙赤峰人，研究方向：信號處理。