基于单片机的CO浓度检测及报警系统设计(电路+程序流程)

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本论文主要完成一氧化碳检测仪软件和硬件仿真设计,设计内容包括:A/D转换器程序、控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示等。

硬件设计部分主要包括:单片机、A/D转换器、时钟芯片、LCD、外围扩展数据RAM等芯片的选择;硬件主电路设计、数据采集、模数转换电路设计、液晶显示电路设计、外围扩充存储器接口电路、时钟电路、复位电路、键盘接口电路等功能模块电路设计。硬件结构框图2.1。硬件设计总体电路图见附录A1。

 

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图2.1 硬件结构框图

 

2.1 STC89C52单片机简介

 

本系统采用STC89C52单片机。而目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下:

美国Intel公司:MCS—51系列及其增强型系列;

美国Motorola公司:6801系列和6805系列;

美国Atmel公司:89C51等单片机;

美国Zilog公司:Z8系列及SUPER8;

美国Fairchild公司:F8系列和3870系列;

美国Rockwell公司:6500/1系列;

美国TI(德克萨司仪器仪表)公司:TMS7000系列;

NS(美国国家半导体)公司:NS8070系列等等。

MCS—51系列单片机包括三个基本型8031、8051、8751。

本系统采用STC89C52单片机为控制核心。而相比之下52型功能更为强大,ROM和RAM存储空间更大,52还兼容51指令系统。基于本系统设计内容的需要,综合考虑后,我们选择单片机ATME公司的STC89C52为控制核心;主要基于考虑STC89C52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)、6个中断源;时钟频率0~24MHz;器件采用高密度、非易失性存储技术生产,并兼容标准MCS-51指令系统,功能强大。

STC89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256K bytes的随机存取数据存储器,器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元,功能强大,STC89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

 

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图2.2 引脚图

 

主要性能参数:

与MCS-51产品指令和引脚完全兼容;

8K字节可重擦写FLASH闪存存储器;

1000次写/擦循环;

时钟频率:0Hz~24MHz;

三级加密存储器;

256字节内部RAM;

32个可编程I/O口线;

3个16位定时/计数器;

6个中断源;

可编程串行UART通道。

 

2.2单片机最小系统的设计

    采用STC89C52来设计一个单片机系统能运行起来的需求最小的系统[15],电路图见图2.3:

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图2.3 单片机最小系统图

 

上图的最小单片机系统包含有晶振电路和复位电路,STC89C52芯片组成。

晶振电路在各种指令的微操作在时间上有严格的次序,这种微操作的时间次序称作时序, STC89C52的时钟产生方式有两种,一种是内部时钟方式,一种是外部时钟方式。本系统中采用了内部时钟方式,为了尽量降低功耗的原则。电路图见图2.4。

 

 

图2.4 晶振电路图

 

在89C52单片机的内部有一个震荡电路,只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体(简称晶振)就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号,图中电容器C1和C2稳定频率和快速起振,晶振CRY选择的是12MHz。

复位电路在单片机工作中仍然是不可缺少的主要部件中,单片机工作时必须处于一种确定的状态。端口线电平和输入输出状态不确定可能使外围设备误动作,导致严重事故的发生;内部一些控制寄存器(专用寄存器)内容不确定可能导致定时器溢出、程序尚未开始就要中断及串口乱传向外设发送数据[1]。

 

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图2.5 上电复位电路图

 

本设计中复位电路采用的是上电复位与手动复位电路,开关未按下是上电复位电路,上电复位电路在上电的瞬间,由于电容上的电压不能突变,电容处于充电(导通)状态,故RST脚的电压与VCC相同。随着电容的充电,RST脚上的电压才慢慢下降。选择合理的充电常数,就能保证在开关按下时是RST端有两个机器周期以上的高电平从而使STC89C52内部复位。开关按下时是按键手动复位电路,RST端通过电阻与VCC电源接通,通过电阻的分压就可以实现单片机的复位[4]。电路图见图2.6:

 

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图2.6 复位电路图

 

2.3数据采集系统的简介

 

CO传感器选用CO/CF-1000探头组成,如下表2.1。

表2.1 传感器参数

名称

一氧化碳传感器 CO/CF-1000

测量范围

0 - 1 000 ppm

输 出

100±20nA/ppm

分辨率

0.05 ppm

响应时间 (T 90)

﹤50 seconds

湿度范围

15-90 %RH(非凝结)

最大零点漂移(20℃to 40℃)

10 ppm

长期漂移

﹤2% /每月

推荐负载值

10Ω

线性度输出

线性

测量电路由CO/CF-1000一氧化碳传感器、ADC0832组成。当空气被内部的采样系统接收后,产生一个与一氧化碳浓度成正比的电压信号,该电压信号经

ADC0832与STC89C52单片机相连,在显示器上显示出一氧化碳的浓度值,当超过国家规定的标准时报警[5]。

 

2.4模数转换器的简介

 

由于ADC0832模数转换器具有8位分辨率、双通道A/D转换、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容、5V电源供电时输入电压在0~5V之间、工作频率为250KHZ、转换时间为32微秒、一般功耗仅为15MW等优点,适合本系统的应用,所以我们采用ADC0832为模数转换器件[3]。电路图见图2.7如下:

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图2.7 模数转换电路图

 

ADC0832 具有以下特点:

①8位分辨率;

②双通道A/D转换;

③输入输出电平与TTL/CMOS相兼容;

④5V电源供电时输入电压在0~5V之间;

⑤工作频率为250KHZ,转换时间为32μS;

⑥一般功耗仅为15mW;

⑦8P、14P—DIP(双列直插)、PICC 多种封装;

⑧商用级芯片温宽为0℃到+70℃,工业级芯片温宽为−40℃到+85℃;

芯片接口说明:

①CS_片选使能,低电平芯片使能;

②CH0模拟输入通道0,或作为IN+/-使用;

③CH1模拟输入通道1,或作为IN+/-使用;

④GND芯片参考0电位(地);

⑤DI数据信号输入,选择通道控制;

⑥DO数据信号输出,转换数据输出;

⑦CLK芯片时钟输入;

⑧Vcc/REF电源输入及参考电压输入(复用)。

由于ADC0832模数转换器的位数为8位,所以ADC0832模数转换器的精度为:10ppm/256=0.039ppm。

 

2.5按键电路的设计

 

本系统选择独立式按键。键盘分为:独立式和矩阵式两类,每一类按其编码方法又可以分为编码和非编码两种。本系统具有人机对话功能,该功能即能随时发出各种控制命令和数据输入以及和LCD连接显示运行状态和运行结果。由于本系统只有UP、DOWN、OK、CANCEL4个控制命令,所需按键较少,所以本系统选择独立式按键[13]。电路图见图2.8。

 

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图2.8 按键电路图

 

2.6外围扩充存储器的简介

 

由于考虑STC89C52单片机具有8KB的程序存储器(ROM),256B的数据存储器(RAM),由于考虑到本系统的数据处理与存储所需的容量,现在需要扩充存储器的容量。在应用中要保存一些参数和状态,本系统选用AT24C128存储器[8]。电路图见图2.9。

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图2.9 外围扩充存储电路图

 

2.7上拉电阻电路的设计

在主电路图中接在P0口处有一个排阻RP1,由于P0口没有内接上拉电阻,为了为P0口外接线路有确定的高电平,所以要接上排阻RP1,以确保有P0口有稳定的电平[11]。电路连接图见图2.10。

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图2.10 上拉电阻电路图

 

2.8液晶显示器简介

 

我们选用了AMPIRE128X64液晶显示模块,是由于本系统要有显示装置完成显示功能,显示器最好能够显示数据、图形,考虑到同种LCD显示器的屏幕越大体积越大,功耗越大的特点,该型号显示器消耗电量比较低,可以满足系统要求。该类液晶显示模块采用动态的液晶驱动,可用5V供电。AMPIRE128X64液晶共有22个引脚[9]。

 

AMPIRE128X64液晶显示模块与计算机的接口电路有两种方式。分为直接访问方式和间接控制方式。直接访问方式是把液晶模块作为存储器或I/O设备直接接在单片机的总线上,单片机以访问存储器或I/O设备的方式操作液晶显示模块的工作。间接控制方式则不使用单片机的数据系统,而是利用它的I/O口来实与显示模块的联系。即将液晶显示模块的数据线与单片机的Pl口连接作为数据总线,另外三根时序控制信号线通常利用单片机的P3口中未被使用的I/O口来控制。这种访问方式不占用存储器空间,它的接口电路与时序无关,其时序完全靠软件编程实现。本系统采用间接控制方式[14]。液晶显示电路连接原理图见图下:

 

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图2.11 液晶显示器电路图

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2.9报警电路的设计

 

报警信号通常有三种类型:一是闪光报警,因为闪动的指示灯更能提醒人们注意;二是鸣音报警,发出特定的音响,作用于人的听觉器官,易于引起和加强警觉;三是语音报警,不仅能起到报警作用,还能直接给出警报种类的信息。其中,前两种报警装置因硬件结构简单,软件编程方便,常常在单片机应用系统中使用;而语音报警虽然警报信息较直接,但硬件成本高,结构较复杂。单频音报警实现单频音报警的接口电路比较简单,其发音元件通常可采用压电蜂鸣器,当在蜂鸣器两引脚上加3~15V直流工作电压,就能产生3kHZ左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器,约需10mA的驱动电流,可在某端口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动,如图2.12所示。在图2.12中,P1.0接三极管基极输入端,当P1.0输出高电平“1”时,三极管导通,蜂鸣器的通电而发音,当P1.0输出低电平“0”时,三极管截止,蜂鸣器停止发音[12]。

 

3.1软件设计结构

软件设计部分主要包括:主程序/子程序流程的设计、功能模块程序的编写、软/硬件结合调试与演示。主要包括以下功能模块:51驱动、检测、液晶显示、时钟、键盘、模数软换[10],软件结构框图3.1。    

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图3.1 软件结构框图

 

3.2主程序模块的设计

 

主程序实现的功能:与硬件相结合实现便携式一氧化碳检测仪的各个功能。主要是检测与显示,时间调整与显示,数据存储,功能子函数的调用,见图3.2。

检测主程序程序见附录A2。

 

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图3.2 主程序流程图

 

3.3模数转换的设计

 

ADC0832转换的流程图见下图3.3;

ADC0832程序见附录A3。

 

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图3.3 数转换流程图

 

3.4按键模块的设计和时钟模块的设计

按键查询式的流程图见下图,按键程序见附录A4。

时钟模块操作流程图见下图,时钟程序见附录A5。

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图3.5 时钟模块操作流程图

 

3.5液晶显示模块的设计

 

LCD模块在本系统中主要起着开界面汉字显示,以及各控制效果的显示。采用直接访问方式。液晶显示的操作流程图见下图3.6,液晶程序见附录A6。

 

 

系统调试及功能实现

4.1总体系统调试

4.1.1软件调试

打开keil软件,打开程序,检查后单击编译按键,如果未发现错误和警告则说明程序能够正常运行。

编译结果如图所示:

 

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图4.1 软件编译结果图

所以程序能够正常运行。

 

4.1.2 软件下载

 

通过串口将电脑中已经编写好的程序传输入51单片机中,打开电源,检查各模块是否正常工作。

首先将STC_ISP_V483这个串口通信软件打开,选择打开程序文件选项,找到需要录入单片机的hex文件,选择下载选项,点击后给单片机上电复位,等待信息框中显示已下载成功,说明程序已经录入单片机。接下来首先通过按键选择工作模式,然后根据传感器模块的类型将相应的气体放置在传感器探头附近,等待声光报警模块工作,当报警模块工作后,通过按下外部中断按键选择报警模式,按一下则led二极管关闭,按第二下则蜂鸣器关闭,按第三下则led和蜂鸣器都打开。将三个传感器模块都检查完毕后,按下复位键,并关闭电源。通过监测总体系统能够正常工作。

 

4.2 实物展示

 

焊接成品如下图4.2所示:

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4.2 焊接成品图

在焊接过程中,本设计采用万能板来焊接,同时外接电源采用的是USB供电。

接通电源初始图如4.3所示 :

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4.3 接通电源初始图

在电源刚接通时,液晶屏显示当前CO浓度为000 PM,设置的界限值为100 PM,风扇处于未转动状态,发光二极管未亮并且蜂鸣器不报警。

系统工作时如图4.4所示:

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4.4 工作实物图

当CO传感器检测到的CO浓度大于国家标准值100ppm时,蜂鸣器报警同时红色指示灯发光、风扇转动。

 

结论

本次设计的任务是设计制作CO浓度检测报警器,设计中使用了低电压、高性能CMOS8位微处理器STC89C52 单片机作为控制核心,总体电路具有运行速度快,稳定,结构简单,散热迅速等特点,采用模块化设计,这样不仅有利于系统硬件的设计和调试,同时也方便对系统进行更改和系统硬件的升级。CO/CF-1000气体传感器模块的特点在于其简易性和高效性,由于其输出口在监测到有害气体时直接输出低电平,这样就免去了从气体传感器上采集信号,这样硬件设计更加简洁,所需的器件也更加易于购买,硬件出错率也就更小,更加符合本设计的目的。

本次设计涉及到的知识面较多,由于本人理论水平和实践经验有限,本次设计还存在一些有待改进和优化的地方,比如在检测气体种类上可以增加对烟雾、NO等方面。在实用性方面可以考虑将浓度监测系统与室内换气系统连接,这样就不仅做到了气体监测和警报,还做到了对有害气体及时处理,使整个室内监控系统更加完善。

 

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