一款室內(nèi)一氧化碳濃度監(jiān)測(cè)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

華北理工大學(xué)人工智能學(xué)院 王睿錚

華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 曹文軍

華北理工大學(xué)人工智能學(xué)院 李 鵬

為了提高冬季自主燃煤取暖的安全性，減少一氧化碳中毒事故的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)一氧化碳濃度監(jiān)測(cè)通風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的STC89C52單片機(jī)作為控制單元，通過(guò)對(duì)室內(nèi)一氧化碳濃度信號(hào)的采集、分析和處理，控制加熱通風(fēng)裝置工作，將室外新鮮空氣加熱后送入室內(nèi)，保證室內(nèi)一氧化碳濃度在安全范圍內(nèi)，保障人身安全。

燃煤取暖是我國(guó)北方農(nóng)村冬季室內(nèi)取暖的主要方式，由于冬季寒冷，為了室內(nèi)保溫，人們通常將門(mén)窗關(guān)閉密封，煤炭不完全燃燒產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w在室內(nèi)逐漸聚集，當(dāng)一氧化碳超過(guò)安全濃度，吸入人體后就會(huì)發(fā)生中毒反應(yīng)，嚴(yán)重者造成死亡。為了減少一氧化碳中毒事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)一氧化碳濃度監(jiān)測(cè)和通風(fēng)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一氧化碳濃度監(jiān)測(cè)通風(fēng)系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)由單片機(jī)作為控制單元，一氧化碳濃度傳感器將采集的模擬信號(hào)經(jīng)ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的一氧化碳濃度信號(hào)與設(shè)定允許最大值進(jìn)行分析和判斷，對(duì)通風(fēng)加熱控制模塊發(fā)出控制指令，保證室內(nèi)一氧化碳濃度在安全范圍內(nèi)。手動(dòng)輸入模塊用于一氧化碳濃度允許上下限值設(shè)置、時(shí)鐘校準(zhǔn)、報(bào)警數(shù)據(jù)查詢(xún)。LCD液晶顯示模塊用于顯示一氧化碳濃度數(shù)值、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。聲光報(bào)警模塊用于一氧化碳濃度超限報(bào)警。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）能自動(dòng)檢測(cè)室內(nèi)一氧化碳濃度值，若濃度大于設(shè)定上限值，則啟動(dòng)空氣加熱和通風(fēng)裝置，將室外經(jīng)預(yù)熱的新鮮空氣送入室內(nèi)，降低室內(nèi)一氧化碳濃度，當(dāng)濃度小于下限值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉加熱通風(fēng)裝置。

（2）按照用戶(hù)要求，可通過(guò)按鍵設(shè)置一氧化碳濃度允許上下限值，能夠校準(zhǔn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

（3）能夠自動(dòng)存儲(chǔ)一氧化碳濃度超過(guò)上限的數(shù)值、發(fā)生時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間，并可手動(dòng)查詢(xún)。

（4）當(dāng)一氧化碳濃度超過(guò)最大值時(shí)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聲光報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制模塊

系統(tǒng)控制單元使用宏晶公司生產(chǎn)的8位STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部包含8k字節(jié)的存儲(chǔ)器用于程序存儲(chǔ)，內(nèi)置4KB EEPROM用于存儲(chǔ)報(bào)警數(shù)據(jù)，有4×8個(gè)I/O口，能夠滿足使用要求。

2.2 一氧化碳濃度傳感器與AD轉(zhuǎn)換模塊

選用MQ-7型半導(dǎo)體氣敏傳感器，該傳感器使用的氣敏材料是SnO2，在清潔空氣中SnO2的電導(dǎo)率較低，其電導(dǎo)率與一氧化碳濃度接近于線性關(guān)系，工作電壓為DC +5V，模擬量輸出為0～+5V。

選用ADC0804集成轉(zhuǎn)換芯片，該芯片共20個(gè)引腳，工作電壓為DC +5V，模擬轉(zhuǎn)換電壓范圍為0～+5V，分辨率為8位，兩個(gè)模擬信號(hào)輸入端，可以接收單極性、雙極性和差模輸入信號(hào)，電路圖如圖1所示。

2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

該模塊選用DS1302時(shí)鐘芯片，該模塊為系統(tǒng)提供日期和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。芯片管腳SCLK、I/O、RST分別與單片機(jī)P3.1/、P3.6、P3.7腳連接。

2.4 液晶顯示模塊

該模塊選用LCD1602液晶顯示器，使用并行操作方式，可同時(shí)顯示2×16個(gè)英文字符，該模塊顯示內(nèi)容為日期（年月日）、時(shí)鐘（時(shí)分秒）、一氧化碳濃度數(shù)值和單位、系統(tǒng)工作狀態(tài)。

圖1 一氧化碳濃度傳感器與AD轉(zhuǎn)換模塊

2.5 聲光報(bào)警模塊

電路圖如圖2所示，當(dāng)室內(nèi)一氧化碳濃度正常時(shí)，單片機(jī)P1.7腳輸出低電平，P1.6腳輸出高電平，此時(shí)綠色LED1點(diǎn)亮，紅色LED2、蜂鳴器和通風(fēng)加熱模塊不工作。當(dāng)室內(nèi)一氧化碳濃度超過(guò)設(shè)定最大值時(shí)，單片機(jī)P1.6腳輸出低電平，P1.7腳輸出高電平，此時(shí)紅色LED2點(diǎn)亮，蜂鳴器報(bào)警，通風(fēng)加熱模塊工作，綠色LED1熄滅，同時(shí)單片機(jī)將報(bào)警發(fā)生的時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和一氧化碳濃度值存入單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM中，以便日后查詢(xún)。

圖2 聲光報(bào)警模塊

圖3 通風(fēng)加熱模塊

圖4 系統(tǒng)主程序流程框圖

2.6 通風(fēng)加熱模塊

由三極管8550、SSR10DA單相固態(tài)繼電器、交流加熱通風(fēng)機(jī)組成。單相固態(tài)繼電器帶有光耦隔離電路，可以防止交流電路對(duì)單片機(jī)的干擾，其輸入電壓DC3～32V，啟動(dòng)電流5mA，控制電流<25mA，負(fù)載電壓AC48～480V，負(fù)載電流10A。當(dāng)室內(nèi)一氧化碳濃度大于設(shè)定最大值時(shí)，單片機(jī)P3.2端口輸出低電平，三極管Q2導(dǎo)通，單相固態(tài)繼電器觸點(diǎn)導(dǎo)通，加熱通風(fēng)裝置開(kāi)始工作，當(dāng)室內(nèi)一氧化碳濃度小于設(shè)定最小值時(shí)，單片機(jī)P3.2端口輸出高電平電平，三極管Q2截止，單相固態(tài)繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，加熱通風(fēng)裝置停止工作。電路如圖3所示。

2.7 手動(dòng)輸入查詢(xún)模塊

手動(dòng)輸入查詢(xún)模塊用于功能切換、時(shí)鐘校準(zhǔn)、一氧化碳濃度上下限值設(shè)置、報(bào)警查詢(xún)。該模塊由3個(gè)獨(dú)立按鍵K1、K2、K3組成，3個(gè)按鍵一端共地，另一端分別與單片機(jī)的P3.3，P3.4，P3.5引腳連接，K1是功能切換鍵，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間、一氧化碳濃度和報(bào)警查詢(xún)的切換，K2是加1鍵，K3是減1鍵。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由主程序、一氧化碳濃度讀取子程序、報(bào)警存儲(chǔ)和讀取子程序、時(shí)鐘校準(zhǔn)和讀取子程序、鍵盤(pán)控制子程序、LCD顯示子程序組成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

結(jié)束語(yǔ)：本文闡述了單片機(jī)一氧化碳濃度監(jiān)測(cè)通風(fēng)系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠有效保證室內(nèi)一氧化碳濃度處于正常安全水平，減少了冬季取暖煤氣中毒事故的發(fā)生，系統(tǒng)制作簡(jiǎn)單，成本低廉，在北方農(nóng)村有廣闊的應(yīng)用前景。