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。
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。
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：
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]。
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：
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：
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。
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。
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。
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：
图2.11 液晶显示器电路图
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。
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。
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。
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。
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：
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：
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 ：
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：
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。