基于单片机的一氧化碳检测系统设计.docx
《基于单片机的一氧化碳检测系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的一氧化碳检测系统设计.docx（68页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的一氧化碳检测系统设计
石家庄铁道大学四方学院毕业设计
基于单片机的一氧化碳检测系统设计
TheDesignofCarbonMonoxideTestingSystemBasedonSingleChip
2014届电气工程 系
专 业电气工程及其自动化
学 号********
学生姓名李婉菁
指导老师冯国胜
完成日期2014年5月20日
毕业设计成绩单
学生姓名
李婉菁
学号
20106810
班级
方1010-7
专业
电气工程及其自动化
毕业设计题目
基于单片机的一氧化碳检测系统设计
指导教师姓名
冯国胜
指导教师职称
教授
评定成绩
指导教师
得分
评阅人
得分
答辩小组组长
得分
成绩：
院长（主任）签字：
年月日
毕业设计任务书
题目
基于单片机的一氧化碳检测系统设计
学生姓名
李婉菁
学号
20106810
班级
1010-7
专业
电气工程及其自动化
承担指导任务单位
电气工程系
导师
姓名
冯国胜
导师
职称
教授
一、主要内容
本设计以单片机为核心，利用一氧化碳检测传感器检测环境中的一氧化碳浓度，并利用显示器显示当前的浓度值，同时可设定报警值，超过设定值时进行声光报警。
二、基本要求
1.选择合适的单片机；
2.选择合适的传感器，并设计信号处理电路，使单片机能够采集浓度信息；
3.选择合适的时间芯片；
4.设计键盘电路，可设定报警值；
5.选择合适的显示器，设计显示电路，显示当前的时间和浓度值；
6.选择合适的存储芯片，设计存储电路，存储超限的浓度值和对应的时间；
7.设计蜂鸣器电路，浓度超限时报警；
8.设计电源电路，为单片机供电；
9.编写软件程序，实现系统功能。
三、主要技术指标
1.利用protel绘制电路图并形成PCB图，制作出实物；
2.利用C语言语言完成软件设计；
3.单片机建议选用STC12C520XAD系列；
4.显示器建议选用LCD1602；
5.存储芯片建议选用AT24C02。
四、应收集的资料及参考文献
1.单片微型计算机原理与接口技术科学出版社
2.单片机原理及应用高等教育出版社
3.传感器与检测技术高等教育出版社
五、进度计划
第1-2周：
资料收集，设定方案；
第3周：
撰写开题报告；
第4-7周：
确定设计方案，完成电路设计，编写程序；
第8周：
中期检查；
第9-12周：
系统调试，撰写论文；
第13-14周：
论文审核，定稿；
第15-16周：
答辩。
教研室主任签字
时 间
年 月日
毕业设计开题报告
题 目
基于单片机的一氧化碳检测系统设计
学生姓名
李婉菁
学号
20106810
班级
1010-7
专业
电气工程及其自动化
一、研究背景
目前，随着日光温室的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对温室的自动化程度要求也越来越高。
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是日光温室已经成为高效农业的一个重要组成部分。
现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。
例如：
一氧化碳浓度、空气的温度、湿度等。
在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质，高产，高效的栽培目的。
由于温室大棚能带来可观的经济效益,所以温室大棚技术越来越普及,并且己成为农民增收的主要手段。
温室内的一氧化碳浓度、温度与湿度等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。
例如：
一氧化碳过浓会导致作物叶片发黄等。
国外的温室设施已经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。
因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节温室内二氧化碳的浓度、温度以及湿度，使大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。
由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。
本课题即以单片机为核心控制芯片，设计一套基于单片机的一氧化碳检测系统。
二、国内外研究现状
1.国外研究现状及特点
西方发达国家在现代一氧化碳检测技术上起步比较早。
20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，一氧化碳检测广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。
近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，特别是二十世纪一氧化碳检测技术的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。
80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对问世控制要求的提高，以微型计算机为核心的一氧化碳检测系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。
目前，国外一氧化碳检测设施已经发展到一定程度，并形成了一定的标准。
2.我国研究现状及特点
我国自行开发的一氧化碳测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。
而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿度、一氧化碳浓度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。
因此，我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的一氧化碳检测仪器仪表，并在农业设施中广泛推广。
三、主要工作和方法手段
1.进行系统方案设计；
2.选择合适的单片机，设计单片机最小系统，并熟悉该单片机的开发环境；
3.设计电源电路，为单片机供电；
4.选择MQ7传感器，设计气体传感电路；
5.选择显示部分为LED数码管，对一氧化碳浓度进行分时显示；
6.设计按键电路控制显示浓度；
7.设计报警电路，一氧化碳超出指定浓度时声光报警；
8.利用protel绘制电路图并形成PCB图，制作出实物；
9.根据以上设计利用C语言完成软件编程设计。
四、预期达到的结果
利用一氧化碳检测传感器及单片机检测环境中的一氧化碳浓度，并利用显示器显示当前的浓度值，显示范围为0—1000ppm。
同时可设定报警值，当一氧化碳浓度超过设定的上、下限时，仪器产生声光报警，并在显示屏上显示报警状态、故障状态、时间参数等数据信息。
指导教师签字
时间
年月日
摘 要
一氧化碳检测仪是一种用于公共场所具有检测及超限报警功能的仪器，能起到预防一氧化碳中毒的效果，使人们安全放心的工作。
设计方案基于STC12C5A60S2单片机，选择瑞士蒙吧波公司的MQ7一氧化碳传感器。
系统将传感器的标准信号通过AD0832为核心的A/D转换电路调理，经由单片机进行数据处理，最后由LCD显示一氧化碳浓度值。
文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程以及数据显示子系统和报警电路的设计方法和过程。
系统对于采样地点超出规定的一氧化碳容许浓度时采用三极管驱动的单音频报警电路提醒监测人员。
同时，操作人员对于具体报警点的上限值可以通过单片机编程进行设置。
另外，该系统对浓度信号进行了信号补偿等处理，减少了测量误差。
因此，系统具有较高的测量精度，而且结构简单，性能优良。
系统以单片机为核心，利用一氧化碳检测传感器检测环境中的一氧化碳的浓度，并利用显示器显示当前的浓度值，同时可设定报警值，超过设定值时进行声光报警。
关键词：
一氧化碳检测STC12C5A60S2 MQ7
Abstract
Carbonmonoxidedetectorisakindofinstrumentusedtotestandtransfinitealarmfunctioninpublicplaces.Itcanpreventcarbonmonoxidepoisoningtomakepeopleworksafely.
ThisdesignisbasedonSTC12C5A60S2singlechipmicrocomputer,selectingtheSwisswaveofcorporateMQ7carbonmonoxidesensor.SystemwillchangethestandardsignalofsensorthroughAD0832asthecoreofafterA/Dconversioncircuitbysingle-chipcomputerfordataprocessing.FinallyitdisplaysthecarbonmonoxidedensitybytheLCD.Thispaperintroducesthedataacquisitionsubsystem,dataprocessinganddatadisplaysubsystemandalarmcircuitdesignmethodandprocess.Systemforsamplingsitesbeyondtheallowableconcentrationofcarbonmonoxideinthesingleaudioalarmcircuitdrivenbytrioderemindsmonitoringpersonnel.Atthesametime,theoperatorfortheupperlimitofthespecificstationscansetthroughthemicrocontrollerprogramming.Inaddition,thesystemoftheconcentrationsignal,signalcompensationandsoonprocessingtoreducethemeasurementerror.Therefore,thissystemhashighmeasurementprecision,simplestructureandgoodperformance.
Systemusesthesinglechipprocessorasthecorewiththeuseofcarbonmonoxidedetectionsensortotestconcentrationofcarbonmonoxideintheenvironmentandusesthedisplaytoshowthecurrentdensity.Atthesametimeitcanbesetalarmvalue.Whenitismorethanthesetvalue,thesystemwillimplementsoundandlightalarming.
Keywords:
CarbonmonoxidetestingSTC12C5A60S2MQ7
目 录
4.2.6 存储模块设计25
第1章 绪 论
1.1 课题研究的目的意义
目前，随着日光温室的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对温室的自动化程度要求也越来越高。
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是日光温室已经成为高效农业的一个重要组成部分。
现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。
例如：
一氧化碳浓度、空气的温度、湿度等。
在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质，高产，高效的栽培目的。
由于温室大棚能带来可观的经济效益,所以温室大棚技术越来越普及,并且己成为农民增收的主要手段。
温室内的一氧化碳浓度、温度与湿度等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。
例如：
一氧化碳过浓会导致作物叶片发黄等。
国外的温室设施已经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。
因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节温室内一氧化碳的浓度、温度以及湿度，使大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。
1.2 国内外研究现状
西方发达国家在现代一氧化碳检测技术上起步比较早。
20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，一氧化碳检测广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。
近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，特别是二十世纪一氧化碳检测技术的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。
80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对问世控制要求的提高，以微型计算机为核心的一氧化碳检测系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。
目前，国外一氧化碳检测设施已经发展到一定程度，并形成了一定的标准。
我国自行开发的一氧化碳测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。
而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿度、一氧化碳浓度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。
因此，我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的一氧化碳检测仪器仪表，并在农业设施中广泛推广。
1.3 论文研究内容
系统以单片机为核心，利用一氧化碳检测传感器检测环境中的一氧化碳浓度，用显示器显示当前的时间和浓度值，同时可设定报警值，超过设定值时进行声光报警，并且利用存储芯片存储三次报警值。
第2章 系统设计方案
2.1 系统框图
系统以单片机为核心，由单片机来控制各个模块。
系统主要包括电源电路、存储电路、时钟电路、显示电路、报警电路，系统原理框图如图2-1所示。
系统设计框架为设计单片机最小系统，单片机最小系统包括晶振电路、单片机电路、复位电路。
通过MQ7气体传感器输出的信号输入单片机检测，按键控制单片机运作，单片机输出信号使LCD显示，并输出给报警装置和存储设置。
2.2 总体设计思路
论文主要完成一氧化碳检测软件和硬件电路设计，设计内容包括：
存储程序、控制程序、时钟程序、超标报警、按键检测、数据显示等。
系统采用单片机为控制核心，以实现一氧化碳检测系统的基本控制功能。
系统主要功能内容包括：
数据处理、时间设置、开始测量、超标报警、按键检测、存储设置。
本系统设计采用功能模块化的设计思想，系统主要分为总体方案设计、硬件设计和软件设计三大部分。
根据任务书上的要求进行综合分析，总设计方案分为以下几个步骤：
（1）硬件系统电路的设计；
（2）软件系统主程序及其相关子程序的编写；
（3）系统电路及软件的调试。
本系统设计的模块包括：
电源模块，传感器模块，显示模块，声光报警模块，存储模块和单片机最小系统模块。
第3章 系统硬件设计
3.1 单片机芯片STC12C5A60S2
在系统的设计中，选择合适的系统核心器件成为能否成功完成设计任务的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重，选择合适的单片机可以最大程度地简化单片机应用系统。
目前，市场上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。
一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面：
（1）单片机的基本性能参数。
例如指令执行速度、程序存储器容量、I/O引脚数量等。
（2）单片机的增强功能。
例如看门狗、多指针、双串口等。
（3）单片机的存储介质。
对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP（一次性可编程）存储器相比较，最好是Flash存储器。
（4）芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。
如果设计户外产品，必须选用工业级。
（5）芯片的功耗。
比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几毫安的电流，选用STC单片机就是因为它能满足低功耗的要求。
（6）供货渠道是否畅通、价格是否低廉。
（7）技术支持网站的速度如何，资料是否丰富。
包括芯片手册、应用指南、设计方案、范例程序等。
（8）芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好[2]。
系统采用的是STC12C5A60S2单片机。
STC12C5A60S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒）针对电机控制，强干扰场合[3]。
STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。
STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。
单片机STC12C5A60S2外观如图3-1所示。
图3-1STC12C5A60S2外观
单片机STC12C5A60S2的引脚功能图3-2所示。
图3-2STC12C5A60S2引脚图
单片机的引脚功能说明：
P0.0~P0.7P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。
当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。
当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0~A7，数据线D0~D7。
P1.0/ADC0/CLKOUT2标准I/O口、ADC输入通道0、独立波特率发生器的时钟输出。
P1.1/ADC1标准I/O口、ADC输入通道1。
P1.2/ADC2/ECI/RxD2标准I/O口、ADC输入通道2、PCA计数器的外部脉冲输入脚，第二串口数据接收端。
P1.3/ADC3/CCP0/TxD2外部信号捕获，高速脉冲输出及脉宽调制输出、第二串口数据发送端。
P1.4/ADC4/CCP1/SS非SPI同步串行接口的从机选择信号。
P1.5/ADC5/MOSISPI同步串行接口的主出从入（主器件的输入和从器件的输出）。
P1.6/ADC6/MISOSPI同步串行接口的主入从出。
P1.7/ADC7/SCLKSPI同步串行接口的时钟信号。
P2.0~P2.7P2口内部有上拉电阻，既可作为输入输出口（8位准双向口），也可作为高8位地址总线使用。
P3.0/RxD标准I/O口、串口1数据接收端。
P3.1/TxD标准I/O口、串口1数据发送端。
P3.2/INT0标准I/O口、非外部中断0，下降沿中断或低电平中断。
P3.3/INT1标准I/O口、非外部中断1、下降沿中断或低电平中断。
P3.4/T0/INT/CLKOUT0定时器计数器0外部输入、定时器0下降沿中断、定时计数器0的时钟输出。
P3.5/T1/INT/CLKOUT1定时器计数器1外部输入、定时器1下降沿中断、定时计数器1的时钟输出。
P3.6/WR标准I/O口、外部数据存储器写脉冲。
P3.7/RD标准I/O口、外部数据存储器读脉冲。
单片机最小系统包括晶振电路、单片机电路、复位电路。
晶振部分由11.0592MHz和两个电容组成。
单片机通常使用的是5V直流电源，是单片机正常工作的基本保障。
此外，为了保证单片机的电源稳定，还需要加一个旁路电容104，起到滤波降低干扰的作用。
复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位3种方式[4]。
本系统采用的是上电自动复位即阻容复位方式，由从单片机STC12C5A60S2资料查知，阻容复位时，要求电容为10µF，电阻10k
，因为RC/RD+系列单片机的RESET引脚内没有下拉电阻，所以必须用此10k
电阻。
单片机最小系统电路图如下图3-3所示。
图3-3单片机最小系统
3.2 传感器模块
3.2.1 传感器概述
系统所采用的是MQ-7气体传感器，其所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。
采用高低温循环检测方式低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
3.2.2 结构与特点
特点：
（1）针对一氧化碳有良好的灵敏度；
（2）长寿命低成本；
（3）简单的驱动电路即可。
传感器结构如图3-4所示。
3.2.3 主要技术参数
产品型号
MQ-7
产品类型
半导体气敏元件
标准封装
塑封
检测气体
一氧化碳
检测浓度
10-1000ppmCO
标准电路条件
回路电压
Vc
≤10VDC
加热电压
VH
5.0V±0.2VACorDC（高）
1.5V±0.1VACorDC（低）
加热时间
TL
60±1S（高）90±1S（低）
负载电阻
RL
可调
标准测试条件下元件特性
加热电阻
RH
31Ω±3Ω（室温）
加热功耗
PH
≤350mW
敏感体表面电阻
Rs
2KΩ-20KΩ（in100ppmCO）
灵敏度
S
Rs（inair）/Rs（100ppmCO）≥5
浓度斜率
α
≤0.6（R300ppm/R100ppmCO）
标准测试条件
温度、湿度
20℃±2℃；65%±5%RH
标准测试电路
Vc：
5.0V±0.1V；VH（高）：
5.0V±0.1V；VH（低）：
1.5V±0.1V
预热时间
不少于48小时
图3-5 主要技术参数图
3.2.4 实物图及接口说明
MQ-7传感器模块实物如图3-6和图3-7所示。
图3-6 MQ-7传感器模块正面图
图3-7 MQ-7传感器模块背面图
传感器模块接口说明如图3-8所示。
图3-8 MQ-7传感器模块接口说明
MQ-7传感器模块四个引脚分别为V
升级会员 