单片机二氧化碳浓度检测.docx

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单片机二氧化碳浓度检测

毕业设计（论文）

摘要

目前，汽车已经很普及，尤其是城市里，它已经成为大部分都市人的代步工具。

经济越发达的地方汽车越普遍。

于此同时汽车的性能也在不断提高。

人类的生活离不开氧气的存在，由于汽车是封闭的空间，这就需要驾驶员可以及时换气，保证车内有足够的氧气。

系统采用单片机自动控制技术，自动检测车内二氧化碳的浓度，及时提醒驾驶员通风换气。

系统的总体布置有四个部分组成：

数据采集，信号处理，控制执行部件，串口通讯部分。

系统主要有下列功能：

通过传感器检测二氧化碳浓度，经过放大处理和转换器，浓度值显示在LCD上。

当采集的浓度值超过设定值时，报警电路及时反应，发出警报。

系统是以AT89C51为核心控制元件设计的。

成本低，技术开发难度小，适用性强，灵活性好。

关键词CO2测控单片机

Abstract

Atpresent,carshavebecomeverypopular,especiallyinthecity.Carbecomemostpeople'stransport.Themoredevelopedeconomywherethecommoncar.Atthesametimetheperformanceofthecaralsoisrisingceaselessly.Lifecannotdowithoutthepresenceofoxygen.Asthecarisclosedspace,thisneedsthedrivercantimelyventilation,toensurethatthecarhaveenoughoxygen.

SystemUSESsingle-chipmicrocomputerautomaticcontroltechnology,automaticinspectionintheconcentrationofcarbondioxide,timelyremindthedriverofventilatedtakeabreath.

Systemlayouthasfourparts:

dataacquisition,signalprocessing,controlexecutivepart,serialcommunicationpart.

Systemmainlyhasthefollowingfunctions:

throughthesensortotestthecarbondioxideconcentration,afteramplificationprocessingandconverter,anddisplayedontheLCD.Whentheacquisitionofthedensitythansetvalue,alarmcircuit,atimelyresponse.ThissystembasedonAT89C51asthecorecontrolcomponentdesign.Lowcost,technologydevelopmentdifficultysmall,applicability,mobilityisgood

KeywordsCO2measurementandcontrolSingleChipMicrocomputer

基于单片机车内二氧化碳浓度测控系统

第一章绪论

1.1设计背景与研究意义

据调查报告显示，中国作为一个汽车新兴大国，去年已经成为世界最大的汽车生产国和第一大新车市场，汽车保有量近几年迅速扩大。

专家预测中国汽车产量未来几年将达到4000万辆，甚至2030年将达到7000万辆。

汽车的保有辆在增加，这对于汽车自身的性能就有更高的要求。

比如在尾气处理方面，汽车越多对空气污染越大，这就要求在汽车制造技术方面做改变，满足保有量增加的同时，更能满足消费者的需求。

汽车的环境比较封闭，而人类的生存离不开氧气。

大气中氧气占21%，氮气占78%，其他气体占1%。

二氧化碳只是占这1%的少部分，大约300ppm。

二氧化碳是植物生存的必要条件，其作用并不因为其含量少而被忽视。

在封闭空间和公共场所对二氧化碳的测控很重要，防止造成人们缺氧，从而危及到人们的生命安全。

二氧化碳的浓度越高对人体的伤害就越大，所以对于二氧化碳浓度测控系统的研究意义深远，直接关系到人类的生活质量和人身安全。

目前电子技术迅速发展，大规模集成电路运用也很广泛，这些都为人们的生活带来巨大的变化，生活质量在提高，对于这写产品要求也在变高。

传感器的技术越来越完善，产品性能在提高。

各类技术的发展为这个课题的研究提供了保障，和一定的基础。

1.2系统的功能要求

系统要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。

系统基于单片机AT89C51单片机，实现对于车内二氧化碳浓度的测量并且在超过设定值时及时报警。

系统所需的功能有：

实现对车内二氧化碳浓度的测量；报警功能；按键控制；LCD显示功能。

对于各功能有以下的要求。

（1）LCD可以准确显示二氧化碳浓度，测量结果动态变化，并且可以通过设置切换界面菜单。

（2）当二氧化碳浓度超过设置时报警电路可以发出警报。

（3）菜单界面可以通过键盘控制。

（4）系统可以复位

1.3系统的工作原理与设计思路

系统是基于单片机完成对于车内二氧化碳浓度的测控和报警的工作。

通过各个电路的连接和元器件的连接检测二氧化碳的浓度，并且显示在显示器上，当浓度超过设定值时，报警电路发出警报，提醒车内人员及时通风换气。

该系统是以AT89C51为核心控制元件而设计的，通过外围电路的设计，利用显示器和报警电路，完成二氧化碳浓度测控，显示，报警。

系统以AT89C51为中心，对车内二氧化碳浓度值进行采集，转换，处理，控制。

由二氧化碳传感器对车内二氧化碳浓度数据采集，经过放大和转换，实时显示在LCD上。

显示器界面上的报警值由车内人员通过按键，当浓度值超过设定值时发出警报，车内人员进行换气。

第二章总体方案的设计

2.1系统的功能要求

系统要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。

系统基于单片机AT89C51单片机，实现对于车内二氧化碳浓度的测量并且在超过设定值时及时报警。

系统所需的功能有：

实现对车内二氧化碳浓度的测量；报警功能；按键控制；LCD显示功能。

对于各功能有以下的要求。

（5）LCD可以准确显示二氧化碳浓度，测量结果动态变化，并且可以通过设置切换界面菜单。

（6）当二氧化碳浓度超过设置时报警电路可以发出警报。

（7）菜单界面可以通过键盘控制。

（8）系统可以复位。

2.2系统总体方案的设计

1:

数据采集

通过信号采集电路采集信号，经过传感器，再经过放大电路放大信号后送往AD转换器，将模拟信号转换成单片机能处理的数字信号，这就完成了信号的采集。

二氧化碳浓度值由二氧化碳浓度传感器MS4100测得。

2:

控制部分

系统中控制主要采用独立式按键，用来设置报警值以及其他的菜单选项，同时还具有按键复位的功能。

独立式键盘适应了灵活性要求，所以系统采用该种键盘完成控制。

3:

显示部分

因为要实时显示二氧化碳的浓度值，供车内人参考，所以必须选择显示器完成。

同时可以完成画面的切换，根据个人需要，通过独立式按键可以设定菜单中的不同数值。

本系统采用LCD显示器，方便简单。

4:

报警电路

仅仅有画面显示浓度并不完善，系统还用了报警电路，当浓度超过设定值时，及时发出警报，提醒车内人员采取措施。

保证适宜的环境。

图2.2.1设计框图

二氧化碳的浓度为非电量信号，不能由单片机直接处理，需要先经过传感器，将二氧化碳的浓度（非电量信号）转换成电压信号（电量信号）。

然后由单片机进行处理，将采集到的电信号转换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，并且控制当浓度超过限定值时报警电路发出警报，提醒车内人员通风换气。

独立式按键设置单片机的最大浓度值，控制界面显示菜单。

2.3系统工作原理

系统以AT89C51为中心，对车内二氧化碳浓度值进行采集，转换，处理，控制。

由二氧化碳传感器对车内二氧化碳浓度数据采集，经过放大和转换，实时显示在LCD上。

显示器界面上的报警值由车内人员通过按键，当浓度值超过设定值时发出警报，车内人员进行换气。

2.4元器件的选择

2.4.1单片机的选择

本系统的核心是单片机，也称微处理器或嵌入式控制器。

单片机按其用途可分为通用型和专用型两大类。

一般所选用的是通用型单片机。

根据其基本操作的为首可以分为：

1位单片机，4位单片机，8位单片机，16位单片机，32位单片机。

其中1位和4位单片机只适用于非常简单的控制操作。

16位和32位单片机集成度高，性能优越，但是价格比较昂贵。

而8位单片机以其小巧灵活，价格低廉的优势，使它的产量占整个单片机市场很大销量。

8位单片机将在最近若干年仍是工业检测和控制应用的主角。

各种系列的单片机很多，常见的有Motorola单片机，MicroChip单片机，MDT20XX系列单片机，EPSON单片机，东芝单片机，8051单片机。

各类单片机各有优缺点。

比如Motorola单片机高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。

MicroChip单片机运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一次性编程，小体积，适用于用量大，档次低，价格敏感的产品。

8051单片机具有低功耗，易用，灵活，体积小，兼容性强，性能价格比高等特点。

综合考虑到该系统应用简单，不需要太完善的系统就可以完成指定的工作，因此就选择常用的8051单片机。

8051单片机又分很多产品，比如GMS90单片机，MCS-51单片机，89C51/52，89C2051单片机。

而后来发展起来的AT89C51，它与MCS-51单片机在内部功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。

继承了MCS-51单片机的原有功能，内部又含有大容量的Flash存储器，又增加了新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP及SPI串行接口技术等，因此在电子产品开发及智能化仪器仪表中有着广泛的应用，是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。

该单片机和S系列的单片机相比功能和优点次之，不如其完善。

但是该单片机完全可以完成指定工作，节约成本。

价格适中。

因此选用AT89C51单片机。

该单片机采用静态COMS工艺制造，最高工作频率为24MHZ，它的资源如下：

（1）4KB的内部FLASH程序存储器，可以实现3个级别的程序存储器保护功能。

（2）128字节的内部数据存储器。

（3）32个可编程I/O引脚。

（4）2个16为计数器/定时器。

（5）6个中断源，2个优先级别。

（6）1个可编程的串行通信寄存器。

2.4.2二氧化碳传感器的选择

气体检测的传感器，目前按照气敏特性来分，主要分为：

半导体型，电化学型，固态电解质型，接触燃烧型，光化学型等传感器。

其中又以前两种最为普遍。

本系统选用的元器件综合各方面的因素选择方案如下：

1：

能选择性地检测某种单一的气体，而对共存的其他气体不响应；

2：

对被测气体应具有高度的灵敏，能检测规定允许范围下的气体浓度；

3：

信号响应速度快，再现性高；

4：

长期工作稳定性好；

5：

制造成本和使用和价格低廉；

6：

维护方便。

方案一：

例如选用半导体型气传感器SnO₂，这类传感器可以检测二氧化碳浓度。

它可以通过添加各催化剂及助催化剂在一定程度上改变其气敏特性对象，却很难消除对其他还原性气体的共同响应，并且它的信号响应性范围很窄，因此一般只能用于定性及半定量范围的气体检测。

方案二：

二氧化碳传感器相对于其他的烟雾传感器价格比较昂贵，而且技术相对成熟的产品大多依赖进口，例如：

二氧化碳传感器6400，小巧，紧凑，专门设计与内置产品或者设备中的，来自于美国。

它是一种附加或者完整的气体检测元件。

可以被用于以微处理器为基础的控制器和控制仪器，主要部分包括：

镀金光学传感部件，以及提供校对数字。

但是这类传感器价格昂贵，另外测量范围是适用于人群集中的公共场合。

对于车内的二氧化碳浓度检测效果不是太明显。

因此本系统部不采用这款常用的检测器。

方案三：

固态电解质传感器，顾名思义就是以固体离子导电为电解质的化学电池。

它介于半导体和电化学之间。

选择性和灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以得到了广泛的应用。

这类传感器具有对二氧化碳反应灵敏，受温度和湿度影响较小，成本低的特点。

MS4100在众多二氧化碳传感器中价格比较适中，性能也比较稳定。

又综合考虑以上选择的原则。

因此该系统选用该型号传感器。

MS4100实物图如下所示：

图2.4.2aMS4100实物图

表2.4.2

产品型号

MS4100

备注

传感元件类型

固体电解质

目标气体

CO2

测量范围

（200-30000ppm）

在标准测试条件的电气特征

RH

加热器电阻

15.5Ω±0.3Ω

VH

加热器电压

5.0V±0.05V

PH

功率消耗

＜680mW

EMF

电动势

470-540mV（CO2的浓度为400ppm时）

AMP

放大的

＞100G

传感器特征

响应时间（T90）

反应：

＜5S恢复：

＜10S

开始稳定时间（T95）

＜60分钟

灵敏度斜率（β）

55-65

MS4100传感器工作原理：

本系统采用的二氧化碳传感器MS4100为固态电解质测量方式，具有对二氧化碳反应灵敏，受温度湿度影响较小，成本低的特点。

内部结构图输出电压和浓度曲线关系如下所示：

图2.4.2b内部结构图

图2.4.2c浓度和输出电动势关系图

图中浓度与输出电动势的关系表达式为:

EMF=（EMFO）-β*LogC

其中，EMFO是二氧化碳为0ppm,时输出的电压，一般为470到540mv之间。

R为曲线的斜率，一般在55到57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脚的电压差。

在图中可以知道，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发生反应，此时1脚和6脚产生电动势。

1脚和6脚的电动势关系满足上式。

其中EMFO=534，R=65为厂商提供的温度在25摄氏度，温度为65%时的标定值。

由于没有标准的二氧化碳的标准测量仪来进行标定，系统中数据处理采用厂家提供的标准。

二氧化碳传感器的测量浓度单位为：

百万分单位ppm。

600ppm浓度的二氧化碳意味着：

每1000000公升的空气中有600公升的二氧化碳。

2.4.3模拟信号转换器的选择

目前可供选择的A/D转换器品种繁多，按其转换原理课分为以下4中类型。

（1）计数式A/D转换器：

结构简单，转换速度慢，很少采用。

（2）双积分A/D转换器：

转换精度高，抗干扰性强，价格便宜，但转换速度不理想，常用于数字式测量仪表。

（3）逐次逼近型A/D转换器：

结构不太复杂，分辨率高，转换速度高，价格适中，被计算机广泛应用为接口电路。

（4）并行A/D转换器：

速度快，但结构复杂造价高，只用于需要极高转换速度的场合。

A/D转换器的主要性能指标有：

分辨率，转换时间，量程，绝对精度，相对精度。

常用的是双积分型和逐次逼近型，双积分型主要用于速度要求不高的场合，逐次逼近型主要用于速度要求较高的场合。

该系统要求显示器能及时更新车内二氧化碳的浓度，二氧化碳的浓度值是一个变化量，因此速度要求较高。

通过比较，逐次逼近型比较适合该系统使用。

方案一：

如采用TLC7135双积分型转换器，虽然抗干扰性强，成本不高，但是其转换速率过低，对于该系统要求的能实时显示浓度的功能不能满足。

方案二：

如采用MAX197并行多通道芯片。

该芯片支持12位精度，8路输入通道选择的逐次逼近型A/D转换芯片，常常使用在对精度要求较高的应用系统中。

其特点优越，如下：

1：

提供12为分辨率，误差正负1/2（LSB）的采样精度；

2：

采用5V;

3：

可以通过软件选择输入量，支持正负10V，正负5V，0~10V，0~5V；

4：

提供8路信号输入通道；

5：

提供100KSPS的采样速率；

6：

可用通过软件选择内部或外部工作时钟；

7：

可以选择使用内部4.096V电压基准和外部电压基准；

8：

提供和51单片机完全兼容的三态总线接口。

其性能优越，精度又较高，通过以上的特点分析看出几本符合本系统的要求，可以选用。

但是这款转换器价格昂贵，另外本系统并不需要万分精确的数据，如果选用此款转换器显得大材小用，过于浪费。

方案三：

选用ADC0809转换器。

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

并且价格比较适中。

特点如下：

（1）逐次比较型，单电源供电，就三态输出锁存；

（2）输出与TTL兼容，无外部进行0点和满度调整；

（3）8为你分辨率，最大非线性误差正负0.4%LSB；

（4）转换时间为100us存取时间为135us

（5）功耗为15mW

引脚功能说明如下：

（1）IN0-IN7：

8路输入通道的模拟量输入端口；

（2）DO-D7:

8为数字量输出端口；

（3）START,ALE：

START为启动控制输入端口，ALE为地址锁存器控制信号端口，这两个端口可以连接在一起输入一个正脉冲时，便启动模数转换；

（4）EOC,OE：

EOC为转换输出结束信号脉冲输出端口，OE端的电平由低变高，打开三态输出锁存器，将转换结果数字量输出到哦数据总线上。

（5）REF（+），REF（-）：

REF（+）和REF（-）为参考电压输入端；

（6）CLK：

时钟输入端

（7）ADD-A,ADD-B,ADD-C：

8路模拟量的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。

通过以上的特点分析，这款转换器虽然过时，但是本系统的要求俄安全可以达到，虽然有更完善的种类，但是综合以上的因素，选择性价比高的ADC0809转换器。

2.4.4显示器的选择

在单片机应用系统中，通常使用键盘作为实现人机对话功能的输入设备，采用LCD或LED显示器作为实现人机对话功能的输出设备。

LED为发光二极管显示器，其特点如下：

高亮度，色彩丰富，寿命长，功耗小，性能稳定，驱动简单，工作电压低，微型化易与集成电路匹配。

但是市场上的LED很薄，对于放在车子这种颠簸的场合不合适。

需要的驱动电流也较大。

LCD特点如下：

LCD为液晶显示器，其特点为功耗极低，但亮度较小，成本较高。

画面细腻，视觉感好。

而且LCD显示质量高，没有电磁辐射，相对于LED比较耐用。

对于放在车里的显示器难免碰到和震荡，因此选用LCD比较好。

名贵的车用成本高的显示器更不足为奇。

因此本系统选用LCD作为显示器。

MSC—51对LCD管的显示可以分为动态和静态两种。

按其功能可分为（字段式）笔段式和点阵式两种。

其在现实生活中作用越来愈大。

在静态显示的方式下，本系统只需要显示二氧化碳的浓度值，都是字符，对于该系统来说2行的字符16个字就可以显示二氧化碳的浓度值。

综合考虑所以选用常见的LCD1602液晶显示模块。

在静态显示的方式下，每一位显示器的字段需要一个8位I/O口，公共端可以直截接+5V电源。

该显示器可显示两行。

并且价格比较合适。

LCD1602采用标准的16脚接口，其中：

第一脚：

VSS为电源地

第二脚：

VDD接+5V电源

第三脚：

VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最强。

第四脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器，低电平0时选择指令寄存器。

第五脚：

RW为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0进行些操作。

第六脚：

E（EN）端为使能端。

第7—14脚：

D0—D7为8位双向数据端。

第15—16脚：

空脚或背光电源。

15脚为背光正极，16脚为背光负极。

其特点如下：

LCD1602模块由控制器HD44780，驱动器HD44100和液晶板组成。

HD447800是典型的显示控制器，它控制和驱动为一体，本身就可以驱动单行16个字符和两行8个字符。

2.5键盘的选择

键盘是控制单片机系统的最直接的手段，应用键盘可以大大提高工作效率。

在不同的控制系统中，键盘的组成形式有较大的差别，他往往根据按键的数量和种类来决定，最基本的有独立式和矩阵式。

独立式键盘每个按键之间都是独立的，每一个按键通过一根输入线与单片机I/O口相连。

独立式键盘电路简单，软件设计也比较方便适用于按键较少的场合。

直接和I/O口相连构成单个按键回路，配置灵活。

按键较多时采用矩阵式按键，节省硬件资源。

但是软件设计复杂。

本系统需要按键较少，控制功能比较单一，I/O口完全够用，软件的工作量也小。

因此采用独立式键盘。

本系统采用三个独立按键，对于本系统而言，只需要完成两个动作就可以实现浓度值的检测和报警：

控制菜单界面的设置，最大浓度值的设置。

三个按键可以完成整套的动作。

51单片机常用的按键开关分为两类：

触点式按键开关，该类开关造价低，手感好。

无触点式按键开关，该类开关寿命较高。

因此采用无触点式按键开关保证寿命节约更换和维修成本。

2.6本章小结

在本章中主要介绍总体方案设计，其中包括各类系统功能要求，总体设计，工作原理，各类元器件的选择。

在选择元器件的时候不仅需要满足系统的要求，还需要遵循一般的选择原则，选择性价比高的元器件，还要兼顾维修成本和使用寿命。

在选择方案上做了比较之后确定需要的元件。

第三章系统硬件电路的设计

3.1微控制器的概述

计算机的产生加快了人类改变世界的步伐，但是计算机的体积不小。

微控制器就是在这样的情况下产生的。

它把中央处理器CPU，随机存储器RAM，只读存储器ROM，输入/输出端口（I/O）等主要计算机部件都集中在一块集中电路芯片上的微型计算机。

它的结构和指令都是按照工业控制的要求设计的，在只能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用。

AT89C51单片机的特点

市场上流行的单片机种类主要有Intel公司，Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS-51单片机。

各个系列单片机各有所长，在处理速度，稳定性，I/O能力，功耗，功能，价格等方面各有优劣。

本系统选用AT89C51单片机。

该单片机除了上述的特点还有如下特性：

（1）可以兼容MCS-51指令系统

（2）数据保留时间为十年

（3）寿命为1000写/擦循环

（4）低功耗的闲置和掉电模式

引脚功能图如下：

图3.1.1AT89C51单片机引脚功能图

各引脚功能如下：

P0口：

可以被定义为数据/地址的低八位，能够用于外部程序/数据存储器。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

标准输入输出I/O，P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

既可用于标准输入输出I/O，也可用于外部程序存储器或数据