基于单片机的二氧化碳浓度测量及播报系统.docx
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引言
我们的地球被一层大气包围着，其中氧气占21％，78％是氮气，1％是其它气体。
这1％气体当中，就有只有一小部分为二氧化碳气体，约为 300ppm
（百万分之一，即0.03％）。
虽然含量较少，但是二氧化碳的作用缺越来越受到高度的重视。
大气二氧化碳持续增加，从而对整个地球的气候产生重大影响，让人们对二氧化碳这一微量气体有了新的认识。
另一方面，做为植物光和作用的原料气体，二氧化碳的应用技术水平对农业大国来说也是至关重要。
在办公室的公共场合，二氧化碳测量也十分必须。
二氧化碳在空气中的含量越高，对人体的影响就越大，当二氧化碳含量高出 0.7％时，人体就会感到不舒服，当二氧化碳含量超过10％时，人体就会出现昏迷和死亡。
达到20％，人就会在几秒内死亡。
因此在人群比较密集的地方，二氧化碳含量是一个非常重要的参数，直接关系到人体舒适度和安全。
当代电子技术飞速发展，大规模集成电路不断普及应用，给人们的生活带来巨大的变化。
同时人们对于自己的生活质量要求也不断提高。
如何根据实际需求设计二氧化碳浓度测量系统就成为一个具有现实意义的课题。
传感技术应用的领域越来越广泛，同时对其的要求也越来越高，需求越来越迫切。
二氧化碳传感器的技术研究也越来越成熟，产品的性能也越来越高。
同时，语音芯片应用不断普及，语音芯片产品的发展也十分迅速，新型号的语音芯片的功能更加强大。
这使得设计一个二氧化碳浓度测量系统在技术层面上的难度逐渐降低。
本文中设计的系统，正是针对人群密集公共场所对二氧化碳浓度测量需求而设计。
该系统能够对公共场合的二氧化碳浓度进行测量，并且能将测得浓度显示和语音播报，当浓度过高时还可以向办公室等公共场所的人员进行报警提示，使得能及时提醒人员通风以降低二氧化碳浓度。
公共场所二氧化碳浓度播报器围绕AT89S52来作为核心控制元件设计整个系统，通过外围电路的设计，利用液晶和语音芯片实现对二氧化碳浓度的现实以及播报。
本系统，具有成本低，技术开发难度小，适用性、灵活性较好，具有一定得应用性。
1设计方案
二氧化碳语音播报器，顾名思义，即该系统实现的功能为对二氧化碳浓度的测试同时对其浓度进行播报。
二氧化碳浓度通过传感器转化成电量信号，再通过单片机进行采集处理。
系统中的核心控制单元为单片机，围绕单片机设计相应系统需求功能模块。
1.1系统需求分析：
系统需求分析主要是通过系统要求实现的功能对各个模块部分应该所具备的功能进行分析。
本系统基于AT89S52单片机，实现对于室内二氧化碳的浓度测量及及时播报。
系统的所需要的功能有：
实现对二氧化碳浓度的测量；语音播放功能；按键控制；LCD显示功能。
对于各部分性能有以下4点要求。
（1）LCD显示器正确测量结果，测量结果动态变化，并且可以控制切换设置界面菜单；
（2）二氧化碳浓度定时播报，可以通过按键控制进行播报，可以实现对浓度值的正确播报；
（3）系统出现异常可以复位；
（4）系统具有按键控制功能。
1.2方案设计
1.2.1数据采集
通过信号采集电路，主要是将二氧化碳的浓度值这一非电量信号转化为模拟电信号再转化为能通过单片机处理的数字量。
因此前向通道由传感器、信号放大电路和AD转化电路组成。
1.2.2控制部分
本系统中控制信号主要是用来设置定时播报时间和报警浓度限值以及按键控制语音播报，根据实际功能的需求，可以通过软件使按键的功能灵活使用，仅需独立按键即可以达到控制功能。
1.2.3显示部分
因为有不同的设置功能要实现，用LCD显示比较方便，可以切换不同设置界面和二氧化碳浓度显示界面。
1.2.4语音播报
单片机控制语音芯片来进行语音播报。
每次播报的内容中有很多是重复的，只有二氧化碳的浓度值是变动的。
因此通过单片机来动态调动语音芯片内
的语音内容实现相应的播报内容。
1.3设计框图
二氧化碳气体
传感器
C51
单片机控制系统
LCD显示（二氧化碳浓度及各设置菜单的显
示）
按键控制
语音芯片
扬声器
基于以上的功能分析和设计的方案。
单片机输入端接收传感器的测量信号和键盘控制信号，输出端控制液晶显示和音乐芯片音乐芯片驱动扬声器放音。
设计框图如下：
图1.1系统总体框图
二氧化碳浓度为非电量信号，不能由单片机直接处理，要先经过传感器，将二氧化碳浓度（非电量信号）转化电压信号（电量信号）。
然后由单片机进行数据处理，将采集到得电压信号转化成对应的二氧化碳浓度值。
再通过单片机控制液晶显示浓度值，并控制语音芯片进通过扬声器进行语音播报。
按键向单片机提供控制信号，控制单片机实现报警浓度设置功能。
2硬件设计
本应用系统的硬件电路设计包含4部分内容:
一是信号采集部分；二是控制单元部分；三是液晶显示电路；四是语音电路。
系统的扩展和模块设计应遵循下列原则：
（1）尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性；
（2）外围电路配置的水平应充分满足应用系统的功能要求；
（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。
硬件结果与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是:
软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。
但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件响应来的长，而且占用CPU时间。
所以，选择软件方案时，要考虑到这些因素；
（4）整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配；
（5）单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。
驱动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或减少芯片功耗，降低总线负载。
2.1传感器选择及信号采集部分
⑴传感器选择及其性能
测量二氧化碳浓度，传感器的选择十分重要。
传感器的性能直接决定后续电路的设计以及整个系统设计的难度。
因此了解二氧化碳传感器的种类，加以选择十分重要。
目前，国际成熟的二氧化碳传感器有电化学式、半导体陶瓷式、固体电解质式、红外吸收式等四种原理产品。
半导体陶瓷式二氧化碳传感器以其制作简单、成本低廉、抗恶劣环境等特点，受到业内人士的重视。
但是，这种类型的二氧化碳传感器市场上不多，可能技术还不够成熟。
红外吸收式的CO2传感器的精度及稳定性能都很好，但是由于它需要与光学系统组装在一起成为一个完整的装置。
而这种装置体积大，价格高，因此，在一般的公共场合中不方便使用。
电化学式及热传导式的CO2传感器虽然体积小，但是其精度、稳定性及对气体的选择性都不太理想。
且电化学式的CO2传感器还存在着必须在电解质溶液中使用的缺点。
本系统采用的传感器MS4100为固态电解质测量方式，具有对二氧化碳反应灵敏，受温度和湿度影响小，成本低。
二氧化碳传感器相对于其他一般的烟雾传感价格较为昂贵，而且技术相对成熟的产品大多为进口，MS4100在众多二氧化碳传感器中，价格适中，性能比较稳定，器采用原理是固态电解质测量方式，使用时需要预热。
本产品预热时间
为1个小时。
工作电压5伏，与系统其它芯片可以统一供电，同时量程可以满足公共场合测量二氧化碳浓度的需求。
相应时间较快只需5秒，输出电压易于放大，可以使测量电路简化。
而且输出电压与二氧化碳气体浓度成线性关系，使得数据处理较为简单
主要参数：
量程：
0～30,000ppm工作电压：
5VDC±0.5%功耗：
至少800mW
输出电势：
430～540mV（0ppmCO2）准确性:
±5%；
图2.1MS4100二氧化碳传感器
输出电压与气体浓度关系曲线，以及内部原理可见图2.2和图2.3所示。
图2.2传感器灵敏度曲线图 图2.3传感器内部结构图图2.2中浓度与输出电动势（EMF）关系表达式为：
EMF=EMF0-R×Log（Concentration） （2—1）
其中EMF0为co2为0ppm时，输出的电压，一般为470～540mv之间。
R为曲线的斜率，一般在55～75之间。
Concentration代表二氧化碳浓度，单位为
PPM。
EMF为实际电压，即为1脚和6脚电压差。
在图2.3中可以知道，传感器电源供电端为3脚和4脚。
此传感器的电源端为加热器供电，电源接入方向没有要求。
当加热器加热到一定温度时，电解质部分才能和空气中的二氧化碳产生反应，此时1脚和6脚产生电动势。
1脚
和6脚的电压满足式（2—1）。
电路中我们可以测得的1脚和6脚的电动势即为EMF。
而公式（2-1）中R和EMF0
中都为参数，所以要求的二氧化碳浓度Concentration可从以下公式中求得：
Concentrat
ion
10（EMF0
EMF）/R
（2—2）
其中EMF0=534,R=65为厂商提供的在温度为25摄氏度，湿度为65%时的标定值。
由于没有标准的二氧化碳浓度测量仪来进行标定，系统中数据处理将采用厂商提供的标准。
二氧化碳传感器的测量浓度单位为：
百万分单位或ppm。
600ppm浓度的二氧化碳意味着：
每1,000,000公升的空气中有600公升的二氧化碳（或在1公升的空气中有0.6毫升的二氧化碳）。
⑵放大电路设计
传感器的输出电动势为1脚和6脚的差值，因此选择用差分放大电路实现对电量信号的放大，同时，AD转换采用ADC0809,其参考电压为正5伏，因此要把信号放大到电压范围内，根据传感器灵敏特性曲线知输出电压范围为（0～540mv），所以电路放大十倍就可以。
放大电路设计如下：
+12
R3
20k
R2
+5
20k
J1
R1
2k
71 8
J3SIGNAL
U1
6
5
4
3
2
1
MS4100
3
6
R4
2
1
2
2k
OP-07
4
R5
20k
-12
图2.4差分放大电路
若设1脚输出电压为,6脚输出电压为,放大电路输出电压为,运放正极电压,运放负极电压，则根据虚短和虚断概念有：
（vi1-vn）/R4=（vn-vo）/R5（2—3）（vi2-vp）/R1=vp/R2（2—4）
当R4/R1=R3/R2时，Vo=R4*（vi2-vi1）/R1（2—5）
本电路要放大信号十倍，所以R4、R3取20k，R1、R2取2k。
运放6脚输出电压接
ADC0809模拟输入端。
本电路选用op07运算放大器，op07是高精度低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大,如果使用双电源.能达到最好的放大效果。
给op07提供正负12伏电压，而系统中其他部分供电电压为+5伏，通过7805将+12伏电压转化成+5伏，这样
外部供电就只需提供正负12伏电压即可。
U2
1
Vin
Vout
3
D
NG
C1
2
C2
0.33P
0.1P
7800
+12 +5
图2.5电压转化电路
⑶模数转化
模数转化采用ADC0809将模拟信号转化成数字信号，提供给单片机处理。
本系统中ADC0809只有一路输入，即二氧化碳传感器的放大信号，所以芯片三条地址选择线直接接地，即只选中IN0通道。
数据端接P0口，其他控制端连接如下图：
+5
GND
11
25 VCC
24 ADDA
23 ADDB
12 ADDC
16 REF（+）
REF
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