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本科毕业论文长隧道定时通风控制系统的设计与实现

本科毕业设计

（2015届）

题目

长隧道定时通风控制系统的设计与实现

学院

电子信息学院

专业

电子科学与技术

班级

学号

学生姓名

指导教师

完成日期

2015年5月

摘要

随着科学技术水平的不断提高，现在的汽车数量飞速增长。

为了方便同行，政府建造了长隧道方便通车，因为隧道比较密闭，空间狭小，随之而来的就是要解决隧道通风排污的问题，所谓隧道的通风，也就是要排除汽车尾气和汽油蒸汽，送入新鲜空气。

以便有害物的含量稀释到国家规定的卫生标准要求。

本毕业设计主要设计一种能定时的通风系统，该系统主要包括定时通风与一氧化碳采集两个基本功能。

通过单片机对继电器的控制，完成对风扇的控制实现通风功能，同时对一氧化碳采集器对空气中一氧化碳的测量与预设值的比较，从而实现对单片机的控制。

关键字：

轴流风机；STC89C51；mq-5传感器。

Abstract

.Asscienceandtechnologycontinuestoimprove,thecurrentrapidgrowthinthenumberofcars.Inordertofacilitatepeer,theGovernmentbuiltalongtunneltofacilitatetheopeningofthetunnelbecauserelativelyconfinedspaceissmall,theattendantistosolvetheproblemofsewagetunnelventilation,.Theventilationofthegarage,whichistoexcludetheautomobileexhaustandgasolinevapors,intothefreshair.Thecontentofharmfulsubstancesdilutedtostatehealthstandardsrequire

Thisgraduationprojecttodesignaventilationsystemtiming，Thesystemmainlyconsistsoftwobasicfunctionsoftimingventilationandcarbonmonoxideacquisition。

Fancontrolventilationfunctionmicrocontrollercontrolrelaytocompletetheacquisitionofcarbonmonoxideonthemeasurementofcarbonmonoxideinairatthesametimewiththedefaultvalues​​forcomparison,inordertoachievecontrolofthemicrocontroller.

Keyword：

Intelligentventilationsystem；STC89S51；mq-5Sensor.

1引言

近年来，随着中国科学技术的不断发展，导致机动车数量高速增长，车辆通行问题变成了城市交通的一大困难。

这就需要政府工程更注重车辆道路发展，所以就开山辟石，大量长隧道建造起来了。

长隧道是可以很方便车辆通行，大大减轻了城市交通拥堵的压力，但另一方面，它的通风问题也是一大麻烦。

因为隧道是一个相对密闭的空间，所以通风换气的处理显得非常重要，2003年4月，于都县，江西省，一个隧道里，因为交通拥堵导致长龙在隧道里，持续长达四个小时，一个司机因心肌梗塞而死亡，后来查出是因为长隧道里空气质量差，一氧化碳严重超标导致病情发作，酿成了恶果。

类似事件，在河北石家庄一个高速路隧道里也同样发生过，因车祸造成交通拥堵在隧道里长达3小时，三人在隧道里中毒死亡；红谷滩新区，南昌市的一工地，民工在隧道里洗涤，在下井的时候，一氧化碳中毒坠井，后来施救人员下去，也死亡了；景德镇市隧道空气检验人员对南德高速长隧道通风情况进行检测时，违规操作，在没有使用防护设施的情况下，一人进去隧道检测，由于一氧化碳中毒晕倒，后经抢救无效身亡。

2012年4月2日，北京市三环区晏安镇，两人施工人员在长隧道里清渣时，没有采取任何防范措施，中毒晕倒在隧道里，虽然120急救人员奋力营救，不幸的是，由于两人中毒太深，仍不治身亡。

这些全都是因为没有处理好密闭空间通风问题导致的悲剧。

所以如何处理好长隧道的通风问题，提升空气质量就尤为重要。

对于长隧道，衡量长隧道空气环境质量好坏的两个重要指标就是温度和一氧化碳浓度。

由于长隧道在水泥地的包围之中，而水泥地的热稳定性比较好，不太容易受大气温度的影响，我国的大部分区域，都能够达到这个温度。

汽车在长隧道内行驶时，都要排出尾气，主要有害气体是一氧化碳。

所以，应该严格控制长隧道里一氧化碳的浓度。

我们国家最近从国外引进了蛮多的的现代化长隧道通风控制系统，但是基本都是现成的产品，它的控制方法对于我国目前的具体条件并不一定适用。

怎么合理利用先进的长隧道“绿色”通风控制系统，让它起一定的示范作用以及推广现代化智能通风控制系统任重而道远。

因此，本毕业设计使用单片机控制地下长隧道通风系统，利用单片机系统简单高效的特点，一方面能在常规下进行定时通风，另一方面在长隧道一氧化碳浓度超标时，通过对通风设备的控制使一氧化碳浓度降低，保证空气质量。

2概述

当代世界,新技术革命主要以信息、能源以及材料为三大组成部分,这在世界范围内已经达成共识。

人类历史进程正慢慢由工业化时代朝信息化时代走进。

而传感器，因为拥有感知、收集、变换、传输以及处理各种信息等重要的功能,使其成为和微电子计算机相同重要的技术工具,赢得了世人高度的重视和飞速的发展。

传感器是收集信息系统最重要的部件,也是电子计算机的“五官”,属于当代测量和控制系统（包含遥感、遥测、遥控）的重要关节。

可以这么说,传感器不仅是当代社会赖以生存和发展的技术基础，更是当代产业信息的源泉。

现在,传感器技术已经成为现代信息产业的三大支撑之一,和通讯技术、计算机技术一起成为支持整个并变成现代测量技艺和自动化技术的主要基础。

可以想象,假如传感器没有高度的保真以及可靠的性能,技术如果不先进的话,那么就无法获得准确的信息，也无法进行精密的检测,通讯技艺以及计算机技艺就无法有效的融合,继而发挥出作用，当代测量和自动化技术也会无法有机融合，发挥它们最大的效用。

现代社会,传感器技术作用越来越大，从宇宙搜索、海洋开采,到防御建设、以及工农业发展;从研究现代生命科学的每一个部分，包括环境保护和困情预报在内;从人民大众的起居饮食和生产期间的检测和把控,方方面面,传感器都在里面发挥了重要作用。

目前在各个领域,比如国防科技、工农业生产、环境维护、交通运输、智能控制以及家用电器等传感器己经得到了广泛的应用。

所以传感器的分类大致可以,分为产业用、农业用、民用、科技用、医疗用、军事用、环保用和家电用等方面。

如果要从不同的场合来分的话,还可以分为汽车、舰船、机器、宇宙飞船、防灾等用途传感器。

另外,因为传感器使用目的的不同,分为测量、视觉、检查、诊断、控制和分析等用途传感器。

我这个作品选用的是简单而且操作容易的气体传感器对空气中一氧化碳气体进行采集测量。

一般长隧道的通风系统为贯穿通风方式，就是根据按防火区域的不同，分成好几个送、排风系统。

当火灾出现时，这些系统也可以作为排烟系统，即所谓的“一系两用”，为了确保排风效率排风口必须布置均匀。

但是这些排风系统因为排风量比较大，它们的排风管都很庞大，这些复杂硕大的排气管道，不仅占用了隧道里很大一部分空间，使隧道的使用率下降，还提高了长隧道地基的开挖成本、土地投资以及设备投资，系统复杂，安装工程浩大，有可能引起风管和其他管线的交错问题。

所以眼下首要考虑的就是怎么降低能耗，同时提升随道通风效率。

随着科学技术水平的不断提高,单片机无疑是人们的重要选择之一，因为它的效能能给人们带来很大的方便，比如智能通风系统，就是一个很好的例子，随着单片机技术的发展,人们对单片机的要求也越来越高，我们需要它为现代社会包括人们的工作和生活以及科研提供更好更便利的设施，现代社会向着数字化，智能化控制方向发展就需要不断提高单片机技术。

本设计所介绍的定时通风控制与传统自然通风及中央空调控制系统相比，具有系统结构简单，读数方便，显示的信息比较多，实现了智能化，反馈行输出，其输出测量值采用液晶显示，易于观察。

单片机技术现在发展得比较成熟，已经普遍应用到我们生活、工作、科研等各个领域,单片机是一种电压低、性能高的CMOS8位微处理器，比如AT89C51，它带有4K字节，属于FLASH存储器，还有AT89C2051，它带2K字节，具有闪存可编程可擦除等功能。

单片机运用ATMOL高密度易保留存储器制造技术，造就了其可擦除只读存储器能重复擦除1000多次。

和单片机相兼容的是具有工业标准的MCS-51指令集和输出管脚。

ATMEL的AT89C51是一种效能很高的微控制器，它的一种简要版本就是AT89C2051，它可以将多功能8位CPI和闪存储器组合在单个芯片中。

AT89C51单片机为好多嵌入式系统提供了一种较灵活且价格实惠的。

同时也为本文设计提供了现实的条件支持。

我写的这篇论文主要介绍了C89S51单片机的定时控制风扇系统，详细介绍了利用气体传感器mq-5开发检测气体系统的过程其中部分电路也进行了介绍,这系统可以方便实现气体的采集以及显示。

2.1.长隧道定时通风系统介绍

2.11.工作原理

单片机现在和我们生活的息息相关，几乎没有什么地方不会用到单片机的。

例如计算机网络通信和数据传送，航天仪器上的各种仪表控制，重型武器上的导航装置，录像机、摄像机、遥控电视机的控制，工业智能化过程的有效控制和数据处理，现在被广泛使用的智能IC卡，私人轿车的安保系统，以及机器人，遥控玩具等等，这些都离不开单片机。

更不用说智能控制领域的机器人、智能防爆、医疗器械等了。

所以现在好多工程师，科学家们都致力于学习、开发单片机，希望能实现单片机最大智能化。

长隧道定时通风系统的工作原理是用传感器采集空气中的气体浓度信息，交由单片机处理后显示，并在浓度超过设定的阀值时启动通风反馈系统，是风扇能持续运作使空气中有害气体降低。

该系统一般包括浓度采集部分、A/D转换部分、显示部分以及定时通风系统部分。

2.12系统原理

传感器在空气中接收气体的浓度信息，随着气体浓度的不同，A/D转换电路得到不同的输入电压，并输出不同的数字信号，单片机会对这些数字信号进行处理，并在LCD显示屏上显示对应的浓度值。

一旦单片机发现输入过来的值超过了规定的阀值，便会启动风扇使其持续运作，实现反馈功能，在传感器浓度低于限定值时，通过单片机对键盘扫描控制风扇按照设定的通风时间运作。

单片机是一种集成电路芯片，具有超强的处理功能，采用大规模集成电路技术，它的的中央处理器CPU和随机存储器ROM、只读存储器RAM，还有多种I/O口以及中断的系统、计时器等功能，把这些器件集成到一块芯片上，组成一个很小的计算机系统，继而在工业控制领域内大量使用，使其功能最大化。

可以追溯到30年前，当时的单片机只有4到8位，然而现在却有32位，可见其发展速度之快。

一氧化碳传感器是统称，所有可以检测一氧化碳浓度的传感器都可以称为一氧化碳传感器。

一氧化碳传感器按原理可分为红外一氧化碳传感器（红外光原理）可达高精确度，激光一氧化碳传感器（二极管激光原理）量程可达百分级别，光干涉式CO传感器（差不多也是光学原理），催化燃烧式CO传感器（力学原理），电催化式CO传感器（物理学原理）。

A/D转换器，也就是模数转换器，通常称为ADC，是将一个模拟信号转变为数字信号的电子元件件。

在实际应用中，通常用模数转换器把一个输出数字信号转换成一个输入电压信号。

可是数字信号没有太大的用处和意义，它只是表示一个量词。

所以每一个模数转换器都需要用一个参照物来作为衡量标准，一般比较常用的是可转换信号大小，因为它很有参考标准价值。

可是输出的数字数量就表示输入信号和参考信号的差值大小。

ADC0833是美国墨尔本半导体公司生产的一种芯片，它有8位分辨率、可以进行双通道A/D转换。

但它让单片机爱好者欢迎的是因为它体积小，价格优惠而且兼容性好，性价比很高，目前已经得到广泛应用。

对本设计来说价格方面也能承受，故选择该款芯片。

我的设计将采用AT89B51单片机和,MQ-5传感器和ADB8032A/D转换芯片[5]。

2.2.单片机选择

89C51单片机电压低，性能高，带有4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的CMOS8位微处理器。

各个领域,单片机是一种电压低、性能高的CMOS8位微处理器，比如AT89C51，它带有4K字节，属于FLASH存储器，还有AT89C2051，它带2K字节，具有闪存可编程可擦除等功能。

单片机运用ATMOL高密度易保留存储器制造技术，造就了其可擦除只读存储器能重复擦除1000多次。

和单片机相兼容的是具有工业标准的MCS-51指令集和输出管脚。

89C单片机价格实惠，所以很多嵌入式控制系统方案中都会用到它。

同时，在现代教学中51单片机是被提到次数最多，使用最广的单片机系统，编程等方面已经十分成熟与完善，因此我选择51单片机作为我系统的核心控制器[6]。

2.3本方案设计思路

2.3.1风扇控制

方案1：

继电器控制风扇。

首先考虑单片机输出电流较弱，无法控制风扇运作的情况下，引入继电器系统。

单片机属于用电较低的器件,它们的工作电压一般只在5V左右甚至更低。

驱动电流甚至在mA级别以下。

所以如果把它们用在大功率的器件,比如控制电动机,明显是不可以的，很可能造成事故.所以,就需要有一个环节来作铺垫,这个铺垫便是所谓的“功率驱动”。

继电器驱动便是一个简单高效率的功率驱动铺垫。

在这个实验中,继电器驱动包含两部分:

一是对继电器进行驱动,因为继电器在对单片机应用中需要提供功率;第二是用继电器去驱动另外的负载,例如继电器能够驱动中间继电器,也能够直接驱动接触器,因而,继电器驱动被看做是单片机和其他大功率负载的接口。

图2-1继电器控制风扇电路图

这里我采用的是用S8050三极管来驱动相应的继电器，当开机后，单片机初始化后的P2.3/P2.4为高电平，＋5伏电源经过电阻使三极管导通，所以开机后继电器一直处于吸合状态，如果要使相应三极管的基极被拉低到零伏左右，我们就只需在程序中给单片机一条：

CLRP2.3或者CLRP2.4的指令，这样相应的三极管截至，从而使继电器断电释放，因为所有继电器都有一个常开常闭的截点，为了在其他电路中可以方便使用，继电器线圈两头反相串联的二极管的功能是吸收反向电动势，保护对应的驱动三极管，但比较简单的是这种继电器驱动方式的硬件结构。

不过在实际操作中，发现该系统的耗电十分严重，在使用电池输入的情况下，并不适合，所以经过考虑放弃。

方案2：

由于从单片机输出信号的功率很弱，即使电机驱动在无其它外在负载时也不能带动电机，所以为了提高输出电机信号的功率，实际电路中我们加入了电机驱动芯片，所以从图中可以看出这样我们能根据实际需要来控制电机转动，一块ULN2003芯片可以驱动两个电机转动，它的使能端能够接高低电平，要进行软件控制的话也可以利用单片机来控制，很符合各种复杂电路的需要。

另外，ULN2003的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决负载能力不足的问题。

电机驱动电路如下图2-8所示

图2-2电机驱动电路图

但是在实际的运作中，这个方案所需要的代码过于繁琐所以放弃。

方案3：

用三极管来控制。

半导体三极管人称“晶体三极管”简称“晶体管”。

在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。

基区在中间的N区（或者叫P区），发射区和集电区在两边，这三部电极引分都由一条线引导，基极叫B、发射极叫E和集电极叫C，它们的作用是能放大、振荡或开关等，属于半导体电子器件。

当三极管发射结的电压比PN结的导通电压大时，基极电流为0，集电极电流以及发射极电流都为0，这时集电极就像是开关的断开状态，导致三极管失去了放大电流的作用，即三极管处于截止状态。

在实际操作中发现可控制并且风扇能良好的运作，因此选择该系统。

2.3.2显示控制

方案1：

用四位七段数码管，对于数码显示，显示的数据信息比较有限，而且显示的控制比较繁琐，因此我们放弃了这种方案。

方案2：

用液晶LCD1602显示，可以显示的数据信息比较多，对液晶的控制写入比较简单，而且它的价格然我们接受的起，所以我们选择了方案2。

2.4研发方向和技术关键

（1）单片机定时通风的系统设计；

（2）单片机气体采集电路、最小系统电路、电路检测的设计；

（3）一氧化碳超限报警器软件设计；

（4）电路的模拟仿真，并记录所要的数据。

3总体设计

本设计系统是集自动通风与一氧化碳浓度自动调节为一体的地下车库自动通风系统，利用市场上能买到的器件搭建的方便有效的通风系统。

其工作原理是，用单片机控制继电器的通断实现对风扇运作时间的控制，从而实现控制通风时间的目的，同时，利用一氧化碳采集器，对空气中一氧化碳进行测量控制，与预设值进行比较从而使单片机控制继电器使其持续运作，从而达到对空气中一氧化碳浓度的控制。

以下是系统框图

图3-1系统框图

系统工作流程介绍：

（1）上电，使系统进入工作。

（2）MQ-4传感器采集空气中一氧化碳浓度信息。

（3）ADC0832把电压信号转变为数字信号输入到单片机中。

（4）51单片机将信号处理，转换为一氧化碳的浓度值显示在LCD1062上。

（5）在单片机中，对当前的一氧化碳浓度与设定的阀值浓度进行比较。

没超过，按照系统设定的时间间隔开始控制运作。

（6）若当前甲烷浓度超过了设定的阀值，开启反馈系统，风扇持续运作。

（7）按下复位键后将重新进行检测和比较。

4、硬件部分

STC89C51单片机是本系统的控制核心，系统的通风系统由，液晶显示系统继电器，风扇以及一氧化碳检测系统等部分组成。

硬件总图

图4-1总体硬件图

4.1单片机介绍

单片机技术现在发展得比较成熟，已经普遍应用到我们生活、工作、科研等各个领域,单片机是一种电压低、性能高的CMOS8位微处理器，比如AT89C51，它带有4K字节，属于FLASH存储器，还有AT89C2051，它带2K字节，具有闪存可编程可擦除等功能。

单片机运用ATMOL高密度易保留存储器制造技术，造就了其可擦除只读存储器能重复擦除1000多次。

和单片机相兼容的是具有工业标准的MCS-51指令集和输出管脚。

ATMEL的AT89C51是一种效能很高的微控制器，它的一种简要版本就是AT89C2051，它可以将多功能8位CPI和闪存储器组合在单个芯片中。

AT89C51单片机为好多嵌入式系统提供了一种较灵活且价格实惠的。

同时也为本文设计提供了现实的条件支持。

我写的这篇论文主要介绍了C89S51单片机的定时控制风扇系统，详细介绍了利用气体传感器mq-5开发检测气体系统的过程其中部分电路也进行了介绍,这系统可以方便实现气体的采集以及显示。

早期阶段:

单片机运用ATMOL高密度易保留存储器制造技术，造就了其可擦除只读存储器能重复擦除1000多次。

和单片机相兼容的是具有工业标准的MCS-51指令集和输出管脚。

ATMEL的AT89C51是一种效能很高的微控制器。

中期发展:

单片机技术现在发展得比较成熟，已经普遍应用到我们生活、工作、科研等各个领域,单片机是一种电压低、性能高的CMOS8位微处理器，比如AT89C51，它带有4K字节，属于FLASH存储器，还有AT89C2051，它带2K字节，具有闪存可编程可擦除等功能。

单片机运用ATMOL高密度易保留存储器制造技术，造就了其可擦除只读存储器能重复擦除1000多次。

当前趋势:

AT89C51单片机为好多嵌入式系统提供了一种较灵活且价格实惠的。

同时也为本文设计提供了现实的条件支持。

我写的这篇论文主要介绍了C89S51单片机的定时控制风扇系统，详细介绍了利用气体传感器mq-5开发检测气体系统的过程其中部分电路也进行了介绍,这系统可以方便实现气体的采集以及显示。

单片机是一种集成电路芯片，具有超强的处理功能，采用大规模集成电路技术，它的的中央处理器CPU和随机存储器ROM、只读存储器RAM，还有多种I/O口以及中断的系统、计时器等功能，把这些器件集成到一块芯片上，组成一个很小的计算机系统，继而在工业控制领域内大量使用，使其功能最大化。

可以追溯到30年前，当时的单片机只有4到8位，然而现在却有32位，可见其发展速度之快。

一氧化碳传感器是统称，所有可以检测一氧化碳浓度的传感器都可以称为一氧化碳传感器。

一氧化碳传感器按原理可分为红外一氧化碳传感器（红外光原理）可达高精确度，激光一氧化碳传感器（二极管激光原理）量程可达百分级别，光干涉式CO传感器（差不多也是光学原理），催化燃烧式CO传感器（力学原理），电催化式CO传感器（物理学原理）。

A/D转换器，也就是模数转换器，通常称为ADC，是将一个模拟信号转变为数字信号的电子元件件。

在实际应用中，通常用模数转换器把一个输出数字信号转换成一个输入电压信号。

可是数字信号没有太大的用处和意义，它只是表示一个量词。

所以每一个模数转换器都需要用一个参照物来作为衡量标准，一般比较常用的是可转换信号大小，因为它很有参考标准价值。

可是输出的数字数量就表示输入信号和参考信号的差值大小。

ADC0833是美国墨尔本半导体公司生产的一种芯片，它有8位分辨率、可以进行双通道A/D转换。

但它让单片机爱好者欢迎的是因为它体积小，价格优惠而且兼容性好，性价比很高，目前已经得到广泛应用。

对本设计来说价格方面也能承受，故选择该款芯片。

。

单片机是一种集成电路芯片，具有超强的处理功能，采用大规模集成电路技术，它的的中央处理器CPU和随机存储器ROM、只读存储器RAM，还有多种I/O口以及中断的系统、计时器等功能，把这些器件集成到一块芯片上，组成一个很小的计算机系统，继而在工业控制领域内大量使用，使其功能最大化。

可以追溯到30年前，当时的单片机只有4到8位，然而现在却有32位，可见其发展速度之快。

一氧化碳传感器是统称，所有可以检测一氧化碳浓度的传感器都可以称为一氧化碳传感器。

一氧化碳传感器按原理可分为红外一氧化碳传感器（红外光原理）可达高精确度，激光一氧化碳传感器（二极管激光原理）量程可达百分级别，光干涉式CO传感器（差不多也是光学原理），催化燃烧式CO传感器（力学原理），电催化式CO传感器（物理学原理）。

A/D转换器，也就是模数转换器，通常称为ADC，是将一个模拟信号转变为数字信号的电子元件件。

在实际应用中，通常用模数转换器把一个输出数字信号转换成一个输入电压信号。

可是数字信号没有太大的用处和意义，它只是表示一个量词。

所以每一个模数转换器都需要用一个参照物来作为衡量标准，一般比较常用的是可转换信号大小，因为它很有参考标准价值。

可是输出的数字数量就表示输入信号和参考信号的差值大小。

ADC0833是美国墨尔本半导体公司生产的一种芯片，它有8位分辨率、可以进行双通道A/D转换。

但它让单片机爱好者欢迎的是因为它体积小，价格优惠而且兼容性好，性价比很高，目前已经得到广泛应用。

对本设计来说价格方面也能承受，故选择该款芯片。

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