51单片机一氧化碳报警器设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1设计简介.............................................................1

2总体设计方案........................................................1

2.1产品的功能要求..............................................1

2.2产品的技术要求..............................................1

2.3产品的组成及方案设计........................................2

3产品的硬件设计......................................................2

3.1主控电路....................................................2

3.2CO气体检测电路的设计.......................................4

3.3AD转换电路设计.............................................5

3.3液晶显示电路设计............................................6

3.4声光报警提示电路............................................8

3.5负载控制电路................................................9

3.6按键电路设计................................................9

4产品的软件设计...................................................10

4.1软件介绍...................................................10

4.2主程序流程图设计...........................................12

5产品设计技术标准.................................................13

6产品使用说明.....................................................13

6.1产品装配图.................................................13

6.2产品使用说明...............................................13

设计总结...........................................................14

参考资料...........................................................15

7附录.............................................................16

附录一元器件清单...............................................16

附录二原理图..................................................17

附录三PCB设计图..............................................17

附录四实物照片................................................19

I

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附录五源程序..................................................20

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51单片机一氧化碳报警器设计与制作

1设计简介

CO是一种有毒易燃易爆性气体，常温下无色无味、难溶于水，但易溶于氨水。

由于相对密度略低于空气，故能均匀的扩散于监测环境中。

一氧化碳中毒在冬季煤气不完全燃烧时，非常容易发生，因此设计和应用简

单、高效、低成本、可靠的CO检测仪具有重要的现实意义。

2总体设计方案

本产品主要是实现环境中一氧化碳的浓度检测以及设定浓度报警值，并且驱动

负载降低一氧化碳的浓度。下面分别对产品功能要求、产品的方案设计、硬件、软

件设计方面介绍。

2.1产品的功能要求

本产品的设计主要包括以下几项功能：

(1)能够检测环境中一氧化碳的浓度值；

(2)能够设定环境中一氧化碳浓度的报警值；

(3)报警功能：当环境一氧化碳浓度过大时，报警器要进行灯光报警，同时继电

器闭合，驱动负载排气扇工作，降低环境CO浓度值。

2.2产品的技术要求

在了解这个产品的工作原理以及功能之后，我们就可以基本确定产品的技术要

求。产品采用的单片机处理器成本都比较低，可以满足批量生产和各类工程的需

求。对于完整的一个产品而言，为提高市场的竞争力，这个产品应符合体积小、功

耗低、数据传输性能可靠和成本低廉等技术要求。具体指标和参数如下:

(1)体积小：探测器的体积要尽可能的小，这样占用的空间才能减少，使用和更

换才会方便；

(2)功耗低：产品可以采用三节5号干电池供电或5v电源供电。

(3)可靠性高:由于不确定的电磁干扰可能存在于产品工作环境中，尤其是在低

1

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温、高温、潮湿等极限工作状态，为了保证产品长时间的可靠工作，以及减少误报

次数，所以选择多指示灯，指示不同的状态。

2.3产品的组成及方案设计

本设计主要由MQ-2传感器模块、STC89C52单片机、灯光报警电路、继电器负

载电路、控制程序等组成。

产品的总体框图设计如下：

CO气体浓度采集模块AD转换

按键模块液晶显示模块

STC89C52

声光报警提示

复位电路

模块

晶振电路负载控制模块

图2.1产品总体框图设计

3产品的硬件设计

3.1主控电路

主控电路采用低成本的STC89C52芯片，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制

器，具有4K在产品可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和

在产品可编程Flash，使得STC89C52为众多控制应用产品提供高灵活、超有效的解

决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，

看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4

2

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个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全

双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电

模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工

作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直

到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。单片机最小系

统电路设计如下图所示：

图3.1.1单片机最小系统

3.2CO气体检测电路的设计

图3.2.1MQ-7CO检测电路

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如图3.2.1所示，在这个电路中，将检测到的CO传感器检测气体浓度，转换成

电压信号，再将电压信号传输给AD转换电路，图中第六脚就是输出电压信号。

3.2.1MQ-7介绍

MQ-7型气体传感器用于以CO为主要成分的气体的测量，而且它抗干扰能力强，

水蒸气、烟等干扰气体对它的影响小。

MQ-7型气敏元件具有以下特点：

(1)采用烧结半导体所形成的敏感烧结体，具有稳定的R(即器件在纯洁空气中

的阻抗)阻值，从而保证了长期工作的稳定性。

(2)单电源供电，其功耗仅0.7W左右。

(3)对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比。

器件的灵敏度：S=Ro/Rx为10~30。常见为QM系列的S值仅8左右。Rx为器件在

丁烷浓度为0.2%时的阻抗。

MQ-7的特点和工作参数如下：

特点：

⑴广泛的探测范围

⑵高灵敏度／快速响应恢复

⑶优异的稳定性／长寿命

⑷简单的驱动电路

MQ-7实物图片如下图所示：

图3.2.2MQ-7实物图

4

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3.3AD转换电路设计

AD转换电路采用的是ADC8032芯片，是一个8位的AD转换芯片，分辨率256

级，芯片结构简单，成本低，可以满足CO测量的精度要求。将MQ-7传感器输入的

模拟信号，转换成对应的数字信号，具体AD转换电路设计如下：

图3.3.1AD转换电路图

图中，MQ-7的电压信号从第2脚CH0输入，数字信号从第6脚DO输出，输入

到单片机的P1.2脚。

3.3.1ADC0832介绍

ADC0832是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

主要特点有：

输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在0~5V之间；

工作频率为250kHz，转换时间为32μS；一般功耗仅为15mW；8P、14P—DIP（双列

直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为−

40°Cto+85°C。

芯片接口说明：

·CS_片选使能，低电平芯片使能。

·CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

·CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

·GND芯片参考0电位（地）。

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·DI数据信号输入，选择通道控制。

·DO数据信号输出，转换数据输出。

·CLK芯片时钟输入。

·Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

图3.3.2ADC8032实物图

3.3液晶显示电路设计

在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码

管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单。

LCD1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列

2行）。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子

产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看

到，显示的主要是数字、专用符号和图形。

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有

电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成

电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、

数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

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1602湖南商务职业技术学院毕业设计

16PIN

+5

135

13579

0246

2468

111

R61111

S

10K+5N+5

R

E

D

GNDCGND

L

R5GND

470

GND

图3.3.1液晶显示电路设计

3.4声光报警提示电路

3.4.1灯光提示电路

图3.4.1灯光提示电路

本设计利用不同颜色的LED指示不同的烟雾浓度报警，浓度低时绿色LEDG灯

亮，超过限定值红色LEDR灯亮，起到警示作用。

3.4.2声音报警电路

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VCC

Q1

P34R48550

1k

蜂鸣器

图3.4.2声音报警电路

采用压电陶瓷嗡鸣器，三极管Q1起开关作用，其基极的低电平使三极管饱和导

通，使蜂鸣器发声；而基极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。

3.5负载控制电路

+5

GND

Q2

R99012

FS

1KJ4

黑

1

红

+5白2

3

排针

K1

M1

+-

A

21

J5接线端子

GND

图3.4.3继电器控制负载电路

负载是一只排风扇，通过继电器控制，电路中继电器室通过PNP型三极管驱

动，当阀值超过设定时，单片机会由高电平跳变成低电平，三极管导通继电器吸

合，继电器起开关作用，可以驱动负载。

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3.6按键电路设计

本设计采用按键接低的方式来读取按键，单片机初始时，因为为高电平，当按

键按下的时候，会给单片机一个低电平，单片机对信号进行处理。

在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖

动。这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳

定正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般10~200毫秒

之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒的单片机

而言则是慢长的。硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，软件去抖动不

是去掉抖动，而是避抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。所以这里选择了

软件去抖动，实现法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时10~200毫秒以避开抖

动（经典值为20毫秒），延时结束后再读一次I/O口的值，这一次的值如果为1表

示低电平的时间不到10~200毫秒，视为干扰信号。当读出的值是0时则表示有按

键按下，调用相应的处理程序。硬件电路如图3.4.5所示：

123

kkk

S1S2S3

SWSPSTSWSPSTSWSPST

GND

图3.4.5按键电路

4产品的软件设计

4.1软件介绍

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开

发产品，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优

势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。KeilC51

软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重

要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代

码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时

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更能体现高级语言的优势。下面详细介绍KeilC51开发产品各部分功能和使用。

Keil_c软件界面如图

图4.1.1Keil_c软件界面

Altiumdesigner是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件。采用设计库管

理模式，可以网络设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个

32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设

计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。

Altiumdesigner的工作界面是一种标准的Windows界面，如图所示，包括：

标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方

位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。

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图4.1.2Altiumdesigner软件界面

4.2主程序流程图设计

开始

初始化

读取AD转换浓度值

判断当前浓度范围

执行相应的控制

否

判断按键

是否按下

是

设置相应参数

显示设置数值

11

结束

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图4.2.1主程序流程图

5产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

[5]GB/T8566-2007信息技术软件生存周期过程标准；

[6]GB/T8567-2006计算机软件文档编制规范。

6产品使用说明

6.1产品装配图

LCD1602显示

STC89C52

嗡鸣

器AD转换

风扇接口

MQ-7

继电器

电源报警灯

开关按键

图6.1.1产品装配图

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6.2产品使用说明

1、接通电源，打开开关，实时显示当前的可燃气体浓度值和报警值；

2、当可燃气体浓度没有超过报警值时，绿灯闪烁；

3、当前可燃气体超过上线时，红灯闪亮，蜂鸣器响。同时启动继电器，继电器

带动风扇转动模拟换气。

4、报警值可以通过按键设定，左边第一个进入设置模式，中间按键限定值加，

右边按键限定值减。

设计总结

本次设计的CO气体报警器以STC89C52为主芯片，STC89C52为8位单片机，当

ADC0832的输入电压为5V时，输出数字量值为FFH，故最大分辩率为0．0196V。

如果要获得更高的精度，需采用12位、13位等高于8位的A/D转换器。

毕业设计是一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的CO

气体报警器软件设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，能够和实际设计相结合,

大大的锻炼了我综合运用所学专业知识的能力，和解决实际工程问题的能力，同时

也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及编程等专业能力水平，而且通

过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻

炼，经验得到了丰富，并且意志力，克服困难的能力以及耐力也都得到了不同程度

的提升。这是我们都希望看到的,也正是我们进行毕业设计的目的所在。

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参考资料

[1]李华．MCS-51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出

版社,1993．

[2]瞿生辉,冯毛官．单片机原理与应用[M]．西安：西安电子科技大学出版

社,1989．

[3]高伟.AT89单片机原理及应用[M]．国防工业出版社,2008.

[4]何立民.单片机高级教程[M]．第1版．北京：北京航空航天大学出版

社,2001.

[5]夏继强.单片机实验与实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版

社,2001.

[6]赵晓安.MCS-51单片机原理及应用[M].天津：天津大学出版社,2001.

[7]张友德等．单片微型机原理．应用与实现[M]．上海：复旦大学出版

社,1996．101~184．

[8]吴炳胜．80C51单片机原理与应用技术[M]．北京：冶金工业出版

社,2003．179~188.

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7附录

附录一元器件清单

BillofMaterials<ParameterTitlenotfound>

SourceDataFrom:谭磊CO检测.SchDoc

Project:18移动互联1班

Variant:None

CreationDate:2021/4/2610:57:14

PrintDate:4434244342.45754

FootprintCommentLibRefDesignatorDescriptionQuantity

lcd160216PIN16PIN11

CAP4MM104CAPC1Capacitor1

25V/4.7U10ufCAPACITORPOLC2Capacitor1

CAP-2.5430CAPC3,C4Capacitor2

LED5MM-GRELEENDYLEDD11

LED5MM-REDLEDRLEDD21

LED5MM-YELLOEWDGLEDD31

BELLBUZZERBUZZERF1Buzzer1

AXIAL-0.42KRES2FR1,R2,R3,R8,R95

SIPA02电源接口CON2J13P接线端子1

5.08A-2PIN接线端子CON2J2Connector1

SIP910KCON9J3Connector1

5V继电器RELAY-SPSTK11

LED-3mmN-greenLED3mmredL13MM发光二极管红1

DC002POWERPOWERP1DC电源座子1

NPN9012PNP2Q1,Q2PNPTransistor2

AXIAL-0.41KRES2,RES,RESR21,R4,R5[NoValue],电阻,[NoValue]3

AXIAL-1W4.7RRES2R61

AXIAL-0.410KRES2R71

MQ-2MQ-7MQ-3RL11

SW7X7电源开关SWITCHS1电源开关1

sw-pbSWSPSTSWSPSTS2,S3,S4,S54

DIP-8ADC0832ADC0832U1模数转换芯片1

DIP40STC89C5289C52U2单片机1

XTAL12MHZCRYSTALY1Crystal1

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附录二原理图

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附录三PCB设计图

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附录四实物照片

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附录五源程序

//程序头函数

#include<reg52.h>

//显示函数

#include<display.h>

//宏定义

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

#defineData_ADC0809P1

//管脚声明

sbitLED_R=P2^2;//红灯

sbitLED_G=P2^0;//绿灯

sbitFENG=P2^5;//蜂鸣器

sbitsan=P3^4;//风扇控制（选配）

//ADC0809

sbitST=P3^3;

sbitEOC=P3^6;

sbitOE=P3^2;

//按键

sbitKey1=P2^6;//设置键

sbitKey2=P2^7;//加按键

sbitKey3=P3^7;//减按键

bitbdataflag;//报警标志位

ucharset;//设置状态

//函数声明

externucharADC0809();

externvoidKey();

//酒精含量变量

uchartemp=0;

ucharWARNING=25;//报警值

voidinit()//初始化函数

{

TMOD=0x01;//工作方式

TL0=0xb0;

TH0=0x3c;//赋初值（12MHz晶振的50ms）

EA=1;//打开中断总开关

ET0=1;//打开中断允许开关

TR0=1;//打开定时器开关

}

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voidmain()//主函数

{

Init1602();//初始化显示

init();//初始化定时器

while(1)//进入循环

{

temp=ADC0809();//读取酒精浓度值

if(set==0)//只有在非设置状态时，

Display_1602(temp,WARNING);//才刷新显示实时浓度值

if(temp<WARNING&&set==0)//非设置时当浓度值小于报警值时

{

flag=0;//报警标志位置0，不报警

}

elseif(temp>WARNING&&set==0)//非设置时当浓度值大于报警值时

{

flag=1;//报警标志位置1

}

Key();//扫描按键

}

}

//ADC0809读取信息

ucharADC0809()

{

uchartemp_=0x00;

//初始化高阻太

OE=0;

//转化初始化

ST=0;

//开始转换

ST=1;

ST=0;

//外部中断等待AD转换结束

while(EOC==0)

//读取转换的AD值

OE=1;

temp_=Data_ADC0809;//将0809的数值读入单片机

OE=0;

returntemp_;//返回读到的数据

}

voidKey()//按键函数

{

if(Key1==0)//设置键按下时

{

while(Key1==0);//检测按键是否释放

FENG=0;//蜂鸣器响

set++;//设置状态标志加

flag=0;//停止报警

san=1;//风扇停止转动（选配）

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TR0=0;//定时器停止

}

if(set==1)//设置时

{

write_com(0x38);//屏幕初始化

write_com(0x80+0x40+13);//选中报警值的位置

write_com(0x0f);//打开显示无光标光标闪烁

write_com(0x06);//当读或写一个字符是指针后一一位

FENG=1;//蜂鸣器停止鸣响

}

elseif(set>=2)//再按一下设置键时，退出设置

{

set=0;//设置状态清零

write_com(0x38);//屏幕初始化

write_com(0x0c);//打开显示无光标无光标闪烁

FENG=1;//蜂鸣器停止响

flag=1;//报警标志位置1

TR0=1;//定时器开始计时

}

if(Key2==0&&set!=0)//当在设置状态时，按下加键时

{

while(Key2==0);//按键释放

FENG=0;//蜂鸣器鸣响

WARNING++;//报警阈值加

if(WARNING>=255)//阈值最大加到255

WARNING=0;//清零

write_com(0x80+0x40+11);//在阈值的位置写入设置的数据

write_data('0'+WARNING/100);//显示百位（将123除以100得到的商是1，就是百位数

据）123为例子

write_data('0'+WARNING/10%10);//显示十位（将123除以10得到商是12，将12除以10

的余数就是十位）

write_data('0'+WARNING%10);//显示个位（将123除以10的余数3就是个位数据）

123为例子

write_com(0x80+0x40+13);//位置

FENG=1;//蜂鸣器停止

}

if(Key3==0&&set!=0)//减按键注释参考加按键部分

{

while(Key3==0);

FENG=0;

WARNING--;

if(WARNING<=0)

WARNING=255;

write_com(0x80+0x40+11);

write_data('0'+WARNING/100);

write_data('0'+WARNING/10%10);

write_data('0'+WARNING%10);

write_com(0x80+0x40+13);//位置

FENG=1;

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}

}

voidtime1_int(void)interrupt1//定时器函数

{

ucharcount;

TL0=0xb0;

TH0=0x3c;//重新赋初值

count++;//计时变量加

if(count==10)//定时器定时是50ms，此处计数10次，正好是500ms，用于报警时灯亮和蜂

鸣器响

{

if(flag==0)//报警标志为0时

{

LED_G=0;//绿灯亮

LED_R=1;//红灯灭

FENG=1;//蜂