二氧化碳浓度检测设计

目录1 引言 12 系统设计方案 13 硬件设计 23.1微控制器的概述和选择 23.2二氧化碳传感器的概述和选择 33.3 A/D转换器概述及其接口电路43. 3.1A/D转换芯片概述 43. 3.2ADC0804与单片机的接口电路53.4液晶显示模块的概述和选择53.4.1液晶显示器概述 53.4.2LCD1602与单片机的接口电路63.5报警电路的选择64 系统软件设计 74. 1主程序设计 74.2数据转换程序设计84.3液晶显示程序设计94.4报警程序设计105 仿真及调试 106 总结 12参考文献 131 引言随着人类社会的进步和科学技术的发展，人们的生活水平得到了迅速提高， 工业生产规模也迅速扩大，但同时导致了二氧化碳的排放成倍增长，如温室效应， 土地荒漠化程度加速等，严重影响并破坏着人类的生存环境。另外，二氧化碳是 作物光合作用的主要原料，其含量合适与否直接影响作物的生长。由于不同作物 所需的二氧化碳浓度不同，在二氧化碳的增施中又难于控制对其量的排放，所以 研制二氧化碳浓度检测器并用于日光温室的农业生产，对提高农业科技含量，促 进农业增产、农民增收有着十分重要的意义。目前检测二氧化碳的方法主要有化学法、电化学法、气相色谱法、容量滴定 法等，这些方法普遍存在着价格贵，普适性差等问题，且测量精度还较低。而传 感器法具有安全可靠、快速直读、可连续监测等优点。常用的二氧化碳传感器主要有固体电解式传感器、钛酸钡复合氧化物电容式 传感器、电导变化型厚膜式传感器等。这些传感器存在对气体的选择性差、易出 现误报、需要频繁校准、使用寿命较短等不足。而红外吸收型二氧化碳传感器具 有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点。为此， 本设计采用红外吸收型二氧化碳红外传感器，整个电路设计力求简单易用，快速 直读，价格低廉。2 系统设计方案本设计是基于红外吸收来实现二氧化碳的浓度检测，传感器采用二氧化碳红 外传感器探头，可以实现二氧化碳浓度的显示及上下限浓度的报警等功能。检测系统是以单片机为控制核心的，整个二氧化碳检测系统主要包括主控制 模块、外围电路模块（时钟电路模块、复位电路模块）4、数据采集模块、A/D 数据转换模块、显示模块、声光报警模块等。数据采集模块采用二氧化碳红外传 感器，A/D数据转换模块采用ADC0804模数转换器，显示模块采用LCD1602液晶 显示，声光报警模块采用蜂鸣器和发光二极管，主控制模块采用单片机控制。系统原理框图如图 1 二氧化碳浓度检测系统原理框图所示。图1二氧化碳浓度检测系统原理框图复位电路时钟电路单片机AD转换器ADC0804液晶 LCD1602电源电路蜂鸣器发光二极管3 硬件设计3.1微控制器的概述和选择计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。微控制器 （单片机）就是在这种情况下诞生的。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存 储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部 件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的结构与指令功能都是按照工 业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用2。市场上比较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MCS96 系列单片机以及Microchip公司的PIC系列单片机等。各个系列的单片机各有所 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。本文 选用Atmel公司生产的AT89C51作为微控制器。AT89C51是Atmel公司生产的一 种低功耗、低价格，高性能8位微处理器，可提供许多高性价比的应用场合，可 灵活应用于各种控制领域。AT89S52的PDIP封装管脚如图3 AT89C51管脚图所示。P1.0 匚P1.1 P1 2匚P1.3 匚P1.4 匚P1 &匚P1.& 匚P1.7LRST匚 (RXD) P3.& 匚 (TXD) P3.1 匚 (INTO) P3.2 匚 (iNT?) P3.?匚(TO) P3.4 (T1) P3-5 (WF) P3.& 匚 (RD) P3.7 匚 XTAL2 匚KTAL1 匚GNG匚14023&343753663S73483393210311 13D12四1328142715261251孑241823192021 VCC二I P-D.O (ADO) PO.1 (ADI) PO.2 (AD2) PO.3 (AD3) PO.4 (AD4) PO.5 (ADS) PQ.6 (ADS) PD.7 (AD7) HWPP ALE/PROG PSEN P2.7 (A1 S P2.6 (A11)陀.5 (A13) P2.d (A12) P2.3 (A11) P2.2 (A10) P-2.1 (A创 P2.0 (AS)图2 AT89C51管脚图3.2二氧化碳传感器的概述和选择气体传感器主要可以分为金属氧化物半导体式传感器、固体电解质传感器、 红外式传感器等。一般的半导体传感器测量时受环境影响较大，输出线性不稳定, 电解式气体传感器气体的重复性比较差，红外线吸收散射式气体传感器灵敏度 高，可重复性好，响应时间快6。考虑到系统的长期稳定性和经济性选择采用 红外二氧化碳传感器。红外二氧化碳传感器探头结构如图3红外二氧化碳传感器探头结构图所示。本设计所选用的红外二氧化碳传感器基于气体对红外光吸收的郎伯一比尔 吸收定律，采用国际上最新的电调制红外光源、高灵敏度滤光传感一体化红外传 感器、高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室等，实现不同浓度、气体的高精 度连续检测。滤光片滤光片n_红外光源红外光源图4 NDIR红外气体分析示意图红外传感器红外信号图4为NDIR红外气体分析原理图。分析二氧化碳气体时，红外光源发射出 120微米的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26微米波长的 窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26微米波长红外光的强度，以此表示 二氧化碳气体的浓度。3.3 A/D转换器概述及其接口电路3.3.1A/D转换芯片概述由模拟量到数字量转换的器件(Analog to Digi tal Conver ter )称为模拟 数字转换器，简称A/D转换器或ADC；把由数字量到模拟量转换的器件(Digi tal to Analog Converter)称为数字一模拟转换器，简称D/A转换器或DAC5。 常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，ADC0804属于逐次比较型A/D 转换器，是一款8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：模数转换时间 大约100us，可以满足差分电压输入；具有参考电压输入端，内含时钟发生器， 不需要调零等，因而在很多场合得到广泛应用。ADC0804的封装如图5 ADC0804管脚图所示。CLLI 匸TVTK 匚曲二U；NI）二忸感匚的I）匚iy191 ax n 0SO4 祐14二册i吹W二KLO 二网口 （请耕二IDB1二 DB1二除二I刚二I血ZZPB&二I Dil i 训刘）图5 ADC0804管脚图332ADC0804与单片机的接口电路接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。单 片机及其接口技术是研究单片机与外部芯片之间如何交换信息的技术，外部的各 种信息通过输入接口送入单片机，而单片机的各种信息通过输出接口送到外部芯 片中，因此单片机需要通过信息转换器件实现信息的交流与控制3。ADC0804与单片机的连接如图6 ADC0804与单片机的接口电路图所示。/ITK&51图6 ADC0804与单片机的接口电路图3.4液晶显示模块的概述和选择3.4.1液晶显示器概述液晶显示器即LCD，其应用很广泛，简单如手表上的液晶显示屏，仪表仪器 上的液晶显示器或者是电脑笔记本上的液晶显示器等。在一般的办公设备上也很常常见到LCD的足迹。常见的液晶有LCD1602和12864,综合实用性和经济性，本 设计选用LCD1602液晶显示器。LCD1602的引脚如图7 LCD1602的引脚图所示。站客盛亠空曲蛇弐姑-孩-：._-r、*图7 LCD1602的引脚图342LCD1602与单片机的接口电路LCD1602与单片机的连接如图8 LCD1602与单片机的接口电路所示+5VLCD1LMD1ELXTAL1PD.aACDPD.iAuaPD.2MHCTALJPD.4AD4.PD.iMKR.STPD.7JAD7P2.Q,ABP2.1.MP2iA1DALEP2.4.A12zAP2.5A13P2.S-A14P2.7iA15PMP3.DirrtXDP1.1P3.1.T?P1.2P1.3P3.3imiP1.4P3.4TDFlJSP3.fi-T1=1.6pia-wP1.7P3.7.IRDRP11图8 LCD1602与单片机的接口电路35报警电路的选择当二氧化碳浓度值达到预设的上下限时，微控制器就会启动蜂鸣器报警装 置，同时红色LED发光二极管闪烁。蜂鸣器与家用电气上的喇叭在用法上也有相 似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL点评基本上驱动不了蜂鸣器，需 要增加一个电流放大电路才可以驱动蜂鸣器发出声音，因此，增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流。报警电路如图9声光报警电路所示。+5VA图9声光报警电路4系统软件设计C语一言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具 备汇编语言的功能。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中 广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程 序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此， 使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。综上所述，用C语言进行单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。 为便于连接和调试，系统软件采用模块化的程序设计方法，将特定功能编成子程 序，以调用子程序方式组成程序流。既能做到修改和调试程序方便，又能实现软 件自诊断，提高了软件的易理解性和易维护性，并为程序的通用性、功能扩展的 可行性、以及开发系列产品共享软件资源提供了条件。本设计的整个程序主要由 主程序和若干子程序组成。子程序主要有A/D转换模块、显示模块、报警模块等 组成。4.1主程序设计主程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序，它负责组织调用各子 程序模块，完成系统初始化、数据处理、显示数据等功能。二氧化碳浓度检测智 能化的核心是单片机。系统上电后，单片机AT89C51进入监控状态，同时完成对 各个端口的初始化工作。当红外传感器采集到数据时，通过A/D转换器ADC0804 将模拟信号转化成数字信号，A/D转换的数据经过单片机进行数据处理，最后将 产生的数据通过液晶LCD1602显示。如果二氧化碳浓度值越限，则启动声光报警。主程序流程图如图 11 所示。图 11 主程序流程图4.2数据转换程序设计由于单片机不能处理模拟信号，而传感器采集的信号是模拟信号。因此，数 据必须经过 A/D 转换才能被单片机处理。ADC0809进行A/D数据转换的程序流程图如图12所示。图12 A/D数据转换程序流程图4.3液晶显示程序设计LCD1602属于字符型液晶，能够同时显示32个字符。字符型LCD通常有14 条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地 线GND（16脚）。首先判断液晶是否处于忙状态，若忙，则继续进行判定，当不忙 时，执行写入字符命令，再在LCD 上显示出来。这些都可以放在液晶初始化函数 里实现。LCD1602液晶显示程序流程图如图13所示。入口1T1r初始化LCD取显示首地址1r1T延时写数据1r1写LCD指令、+卜口口 -读数据并显示1T1F写显示行列 地址返回图13 液晶显示程序流程图4.4报警程序设计报警程序主要是通过单片机来控制，通过和液晶上显示的浓度值作比较，若 到达浓度报警上下限，则报警程序通过单片机执行，蜂鸣器发出报警声，发光二 极管被点亮。报警程序流程图如图 14所示。图 14 报警程序流程图5 仿真及调试本系统软件部分采用 C 语言编写，系统硬件电路比较简单，主要通过软件来 实现各个模块之间的协调运作。调试可以通过使用 proteus 仿真器调试。空气中二氧化碳浓度会影响人类的生活作息，整理出二氧化碳浓度含量与人 体生理反应如下：350450ppm： 般室外环境；350lOOOppm:空气清新，呼 吸顺畅；10002000ppm:感觉空气浑浊，觉得昏昏欲睡；20005000ppm：感 觉头痛、嗜睡、轻度恶心；大于5000ppm：可能导致严重缺氧，昏迷、甚至死亡。使用proteus仿真时，用光敏电阻代替红外传感器，光敏电阻阻值与光照强 度成反比1，电压与光敏电阻阻值成正比，因此，浓度与电压成正比关系。因 此，可以将浓度与电压信号近似处理。首先确定测量的浓度范围为：05500ppm， 再选取一个光强参考点，由这两点可以确定浓度随光照强度变化的方程。系统总体电路图如图15所示。U2：234PTJ - Pl.l ;IVCCEEQIXLEaU3CLKIH32rm:33AGN334DOvJD3=VREn5CCLKR2t7,Kl&=vm卜VW-R21KD1RP1)mupdjoPD.IJkniRON 口XTAL2PD.M3JPD.4JkD4PD.3LA&FD.6.MASTFZ.lift?PtL2!A1DPEEMK 3911ALFZ4A1ZEAPiLEA1FZ7A1tFWFZhOmXEF1 1P3FTX2口 1 2Pi2-WTCF1JF3J-TITTT口 1 4P3.4TDFl.3P3.1T1F1J631&Rl=i 7l.T.lESATE?S-F=1上丄FIJIFO.Zi Qmj. P9 亏；33FO.L 亡as 皀w17 P9? F3：. Fj.525 ZE P21*25 PE.E2+ P2 3：25円鼻:36 F2S：27 吨:28 FE：M P5.Dfi fi.i：12 P3I；13RS.、：14P3.+15 f ：:K円.史17 P3T!图15系统总体电路图系统总体电路仿真结果如图16所示。C43DpFJ2丄31口U1oX1丄C1iMtrllC3LDR1R1TO 屈 2LK INVCD 口 ED；LSE； E1 E2DBSAGNC3EiDGND3E5yR 于 RECI+5Vm/lLlPJ.DALflFl.l AC1FCI.SADEMTAL：pa SAE2 RJ1AC1 PJ.5AC5 P3.BAEERSTPJ.7AE7P2J隔 PO-lfAQP2.2-A-0甩 3-A-1ALEP3.4A2EA甩 5K3 FZ.也AH ra.TA-lBpi r口汕耳QPi.1PL1.TXD口 f ?2.2MT叮Pi.NTI*4rra=3ST1口f.E口艮师眉Pi 7P3 F图16系统电路仿真结果图丸口 3S胡哥m 右 HE w丽円.3 22即:x3 24-;r;=P2 3 37应e: ；5R2.7；JLWpa.a 111ffl.i* 12PH.i 13P3.3* 1dP3.i 152-2； 16P3.6T T7P2.06 总结通过大量文献解读与资料分析、研究，在导师的指导和同学的帮助下，终于 完成了设计任务。本系统设计过程中遇到一些问题，有些已经解决有些还有待改 善。系统中主要应用了 AT89C51单片机，ADC0804模数转换芯片，液晶LCD1602 以及蜂鸣器及发光二极管。各个芯片在应用的过程中应注意一些问题。对于 AT89C51单片机，应用已经相当普及和广泛。由于其本身没有相类似另外单片机 集成其他多种功能，在组建系统时只能起到中心控制的作用，其他功能需要依靠 其他芯片来组建相应的功能电路。尽管本身功能不是强大，但具有很强的灵活性， 根据不同的需求来配合外部电路来实现控制。ADC0804经典的电路接口是利用单片机读写口来控制芯片启动。本系统中通 过I/O 口来模拟启动时序。在实现启动AD0804的程序调试中，在最开始的时候， 通过简单的将ALE端置高电平，没能成功。最后通过对时序图的重新认识，才发 现时序边沿触发。液晶LCD 1602虽然不能显示汉字，但已经可以满足系统要求，在系统中对 LCD的应用比较简单，仅是实现字符串。通过对LCD的命令字的了解，可以自行 设置显示效果。经过这段时间的研究设计，反复学习及改进，基于红外传感器统的二氧化碳 的浓度的检测功能基本实现，调试的最后数据也达到预期目标。在这个过程中学 习到了很多新知识，同时也提高了自己动手操作能力。参考文献1 王庆友，王晋疆等光电技术M.北京：电子工业出版社,2008.06:27-302 何立民.单片机应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2000:3-103 陆晓燕.单片机原理及其接口技术教学探索J.电子世界,2012.23期:3-54 沙占友.单片机外围电路设计M.北京：电子工业出版社,2003:135-1375 李林功.单片机原理及应用M.北京:科学出版社,2013:24-276 强易富，胡生清，于晓洋等传感器M.北京:机械工业出版社,2001:13-30