51单片机的室内空气质量检测系统设计

基于单片机的气体质量检测系统的设计摘要本论文研究设计了一种用于公共场所及室内具有检测及超限报警功能的室内空气质量检测系统。其设计方案基于89C51单片机，选择瑞士蒙巴波公司的CH20/S-10甲醛传感器和MQ-54~20mA的标准信号通过以AD0832为核心的A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由LCD显示甲醛浓度值。文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理规定的甲醛容许浓度和天然气规定浓度时采用三极管驱动的单音频报警电路提设置。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，0-10ppm度为0.039ppm。关键词:甲醛检测/天然气检测/AT89C52单片机ABSTRACTThisthesisdesignofapaperforpublicplacesandindoortestingandover-limitalarmfunctionswithindoorairqualitytestingsystem.Itsdesignisbasedon89C51singlechip,withthechoiceofMQ-5gassensorsandCH20/S-10formaldehydesensorfromSwitzerlandmengbabocompany.Sensorsystemwilloutput4~20mAstandardsignalthroughthecoreADC0832forA/Dconversioncircuitafterconditioning,bythesingle-chipmicrocomputerfordataprocessing,atlastdisplaytheformaldehydeconcentrationontheLCD.Thearticledetailedthedataacquisitionsubsystem,dataprocessinganddatadisplayandalarmsystemcircuitdesignmethodandprocess.WhenthesamplingsiteswhentheformaldehydeandNaturalgasconcentrationexceeded，Tothesingle-transistordrivecircuitaudioalarmwillsoundthealarm，Testingstafftoremind.Atthesametime，Theconcentrationofformaldehyde,Canbesetthroughthesingle-chipprogramming.Inaddition,thesystemsignalsaconcentrationcompensationsignalprocessing,areductionofmeasurementerror,therefore,haveahighmeasurementaccuracy,andsimplestructure,excellentperformance.Therangeofthesystemfor0-10ppm,accuracy0.039ppm.Keywords:Formaldehydedetection,Naturalgasdetection,AT89C52single-chip目录HYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINKHYPERLINK\l"br32"检测主程序程序HYPERLINK\l"br32"271绪论1.1引言37%19.5℃40%氧化硫也很少。天然气易燃易爆和空气混合后，温度达到550℃左右就会燃烧；其混合物浓度达到5%－15%，遇到火种就会爆炸。天然气热值高，约8500－10000千卡/米32.5倍左右。２概述2.1系统总概述A/D转换器程序、控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示等。5分钟后自动进入休眠模式，以降低电源消耗。和软件的设计三大部分。2.2总体方案设计数是化学分析法,使用的手段是实验室分析仪器主要有比色计、分光光度计、化学滴定、气相和液相色谱。但这些方法费力费时、成本高、自动化程度低过感器与MQ-5大倍数的调整经A/DMQ-5气体传感器由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,倍数的调整经A/D转换后送单片机，由单片机现场自动控制检测并显示甲醛浓度和煤气、天然气主要参数。2.3硬件设计硬件设计部分主要包括：（MCU、A/D、时钟芯片、LCD、外围扩展数据RAM）等芯片的选择；硬件主电路设计、数据采集、模数转换电路设计、液晶等功能模块电路设计[1]。2.4软件设计软件设计部分主要包括：编写语言的选择、主程序/子程序流程的设计、功能模块程序的编写、软/51驱动、检测、液晶显示、时钟、键盘、模数软换。2.5硬件结构硬件结构如图2-1图2-1硬件电路结构图2.6软件结构软件结构如图2-2系统初始化、按键扫描显示选择菜单测量相关设置数据处理上位机软件对数据处理串行通信显示数据图2-2软件结构框图3硬件设计3.1硬件设计主电路图硬件设计住电路图见附录一。3.2硬件选择3.2.1MCU的选择与简介1）.单片机的概念和特点现代社会中，尽管PC机的应用已经相当普遍，但是，在工控领域，在日益追求小而精、轻而薄的自动化控制器、自动化仪器仪表、家电产品等方面,PC机仍有所不相适宜的地方。而工业控制、仪器仪表、家电产品等市场广阔，要求PCI/O的单片机是指将微型计算机3个单元的多个分体中的主要功能用1个集成电路片即称为单片微型计算机，通常简称单片机。单片机具有以下特点：(1)8位单片机的ROM小于8/16KRAM小于256ROMRAM可分别扩展至64K字节。(2)可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPUROM通道均在一个芯片内，故可靠性高。(3)易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。(4)控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。(5)一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户调试好的应用程序。但近年来也开始出现了在片内固化有BASIC解释程序的单片机[4]。2）.单片机的发展与趋势能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用。随着微电子工艺水平的提高，近十年来单片微型计算机有了飞速的发展。归纳起来，它是沿着两条路发展的：在保留共同的CPU体系结构，最基本的外设装置（如异步串行口，定时外设装置集成到芯片内，在同一个家族内繁衍滋生出各种型号的单片机。术，主要表现在一下几点：(1)EFT(ElectricalFastTransient)技术(2)低噪音布线技术及驱动技术(3)采用低频时钟单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：可靠性及应用水平越来越高，和internet连接已是一种明显的走向；所集成的部件越来越多；功耗越来越低；和模拟电路结合越来越多。3）.单片机选择(1)/MCU主要有51基本型和52增强型，而相比之下52型比51型功能更为强大，ROM和RAM存储空间更大，52还兼容51指令系统。(2)AT89C52介绍AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256Kbytes的随机ATMEL标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和FLASHAT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。主要性能参数：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容8K字节可重擦写FLASH闪存存储器1000次写/擦循环时钟频率：0Hz—24MHz三级加密存储器256字节内部RAM32个可编程I/O口线3个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗的空闲和掉电模式片内振荡器和时钟电路图3-1引脚图3.2.2单片机最小系统的实现介绍完以上的单片机系统的核心芯片之后，我们采用AT89C52来实现一个单片机系统能运行起来的需求最小的系统，电路图见图3-2：图3-2单片机最小系统图AT89C52下面详细介绍其中的两个电路。（1）晶振电路89c52内，此方式常用于多片89C52单片机同时工作，以便于各单片机的同步，一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns.且为频率低于12MHz的方波。对于CHMOS工艺的单片机，外部时钟要由XTAL1端引入，而XTAL2端应悬空。本系统中为了尽量降低功耗的原则，采用了内部时钟方式。电路图如图3-3：图3-3晶振电路图在89C52单片机的内部有一个震荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产C1和C25—30pF，典型值是22pF，晶振CYS选择的是12MHz。（2）复位电路据……..因此，任何单片机在开始工作前，都必须进行一次复位过程，使单片机处于一种确定的状态。复位电路原理：当在89C52单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器一种是上电与按键均有效的复位，上电复位位见图3-4，要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图所示。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。图3-4上电复位电路图RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2进行复位操作。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为12MHz时，C1为22uF：R1为8.2K；振为6MHz时，C1为22uF，R1为1.S9未按下是上电复位电路，RST脚的电压与VCCRST脚上的电压才慢慢下降。选择合理的充电常数，就能保证在开关按下时是RST端有两个机器周期以上的高电平从而使AT89C52RST端通过电阻与VCC电源接通，通过电阻的分压就可以实现单片机的复位。复位电路图如图3-5：图3-5复位电路图3.2.3数据采集系统MCU识别硬件的选择有很大的关系[4]。甲醛传感器的选择：甲醛传感器由甲醛探头CH20/CH2O传感器）详细介绍如下表3-3：MQ-5气体传感器的选择：MQ-5气体传感器由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件组成。MQ-5气体传感器详细介绍如下表3-4。(3)测量电路测量电路由CH20/S-10甲醛传感器，MQ-5气体传感器，ADC0832组成。甲醛传感器由甲醛探头和CH20传感器组成。当空气被内部的采样系统吸收后，产生一个与甲醛浓度成正比的电压信号，该电压信号经AD0832与AT89C52单片机相连，在显示器上显示出甲醛的浓度值，当超过国家规定的标准时报警。MQ-5传感器通过+热气对敏感层加热，当有烟雾性煤气接触单敏感层会产生电压信号经AD0832与AT89C52单片机相连超过国家规定的标准时报警。表3-3甲醛传感器参数表名称测量范围最大负荷工作寿命输出甲醛传感器0-10ppm50ppm空气中3年1200±300nA/ppm4-20m0.05ppm分辨率温度范围压力范围响应时间(T-20℃to45℃大气压±10%〈50seconds湿度范围零点输出(纯净空体，20℃)最大零点漂移(20℃to40℃)长期漂移-20℃to45℃〈0.1ppm0.1ppm〈2%/每月推荐负载值线性度输出重量10Ω线性约32克表3-4MQ-5气体传感器参数表名称加热电压MQ—5气体传感器5.0V±0.2VACorDC可调负载电阻加热电阻31Ω±3Ω室温加热功耗≤900mW≤15VACorDC-10℃-50℃回路电压使用温度储存温度相对湿度氧气浓度敏感体电阻浓度斜率标准工作条件-20℃-70℃小于95%Rh21%(标准条件)10KΩ-60KΩ≤0.6温度：20℃±2℃Vc:5.0V±0.1V相对湿度：65%±5%Vh:5.0V±0.1V预热时间探测范围不少于24小时300-5000ppm液化气，天然气，煤气。3.2.4模数转换的选择与简介（1A/D转换的基本方法很多，有计数法、逐次逼近法、双斜积分法和并行转换法。由于逐次逼近式A/D转换具有速度，分辨率高等优点，而且采用这种方法的ADCA/D近型ADC包括11SAR1周期完成1,ADC的分辨率和采样速率是相互牵制的。优点是分辨率低于12位时，价格较低，采样速率也很好。（2）由于ADC0832模数转换器具有8位分辨率、双通道A/D转换、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32微秒、一般功耗仅为15MW等优点，适合本系统的应用，所以我们采用ADC0832为模数转换器件。电路图见图3-6如下：图3-6模数转换电路图ADC0832具有以下特点：ꢀꢀ·8位分辨率；ꢀꢀ·双通道A/D转换；ꢀꢀ·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）；ꢀꢀ·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）；ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应压输入在0~5V32μS接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。单片机对ADC0832的控制原理：正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DODIDO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任A/DCS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI23个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，（4）测量量程本系统的量程为0-10ppm。由于我所使用的是8位ADC0832,所以本系统的精度为：10ppm/256=0.039ppm。3.2.5按键选择与简介以及和LCD连接显示运行状态和运行结果。键盘分为：独立式和矩阵式两类，每一类按其编码方法又可以分为编码和非编码两种。由于本系统只有UP、DOWN、OK、CANCEL4个控制命令，所需按键较少，所以本系统选择独立式按键。电路图见图3-7：图3-7按键电路图独立式按键是直接用I/O根I/OI/O口线之间不会相互影响。在此电路中，按键输入部采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平，（AT89C52.P1口内部接有上拉电阻）所以就不需要再外接上拉电阻。键盘抖动的消除：抖动的消除大致可以分为硬件削抖和软件削抖。过削抖电路后使按键的电平信号只有两种稳定状态。毫秒的延时，待接通时的前沿抖动消失后再判别是否有健按下。当按键释放时，也要经过数毫秒延时，待后沿抖动消失后再判别键是否释放。时削抖的方法。3.2.6外围扩充存储器基于AT89C52单片机具有8KBROM256B的数据存储器（RAM器的容量。在应用中要保存一些参数和状态，据了解基于EEPROM的存储芯片是一种很好的选择，选定了AT24C128存储器。电路图见图3-8：图3-8外围扩充存储电路图3.2.7时钟芯片选择与简介际生产所用的开发周期以及成本，在本系统，我们选择了DS1302时钟芯片。时钟电路选择的芯片是DS1302，其内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM31RES2）I/O3）SCLK/RAM的读/写数据以一字节或多达31传真，便携式仪器等产品领域[3]。DS13022100/写时钟或RAM数据时，有单字节和多字节传送两种方式；与DS1202/TTL兼容。DS1302X1,X232。768KHZSCLK时钟输入端。其电路图如图3-9：图3-9时钟电路图3.2.8上拉电阻在主电路图中接在P0口处有一个排阻RP1P0口没有内接上拉电阻，为了为P0RP1P0口有稳定的电平。电路连接图如图3-10:图3-10上拉电阻电路图3.2.9液晶显示器简介对于本系统要有显示装置完成显示功能。显示器最好能够显示数据、图形。考虑到同种LCD用了AMPIRE128X64统要求。该类液晶显示模块采用动态的液晶驱动，可用5V供电。以下为液晶显示电路接线原理图如图3-11图3-11液晶电路图在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个有点：亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。操作更加方便。显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻的多。功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其他显示器要少的多[5]。3.2.10报警电路增加。压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加3～15V直流工作电压，就能产生3kHZ左10mA组成的驱动电路来驱动,基于本系统的需求和功耗要求，只需要基本的报警功能即可，我选择采用的是三极管驱动的单音频报警电路。以下为报警电路接线图如图3-12图3-12报警电路图3.2.11硬件仿真环境介绍ProteusISIS是英国Labcenter于Windows(SPICE)软件的特点是：℃实现了单片机仿真和SPICERS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。℃68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。℃也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。℃SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。本章介绍ProteusISIS软件的工作环境和一些基本操作。本章小结效率与质量。4软件设计4.1编写语言的选择对于单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。程序编写语言比较常见的有C高。C理器都支持C容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。基于C语言和汇编语言的优缺点，本系统采用C语言编写方法。软件编写的主体思路是将系统按功能用查询式方式编写的。4.2编译软件介绍Keil软件简介：要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVisionKeil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统[5]。4.3主程序模块是检测与显示，时间调整与显示，数据存储。功能子函数的调用。见图4-118读键开始显示主菜单显示时间初始化CPU初始化LCD初始化时钟显示开机画面图4-1主程序流程图4.4模数转换(1)模数转换模块的主要功能就是将经放大器放大的模拟电压信号转化为MCU能够处理的数字信号，并传送给MCU。(2)ADC0832转换的流程图如下图4-2开始结束使能芯片送入指定寄存器字节数据校验读取2字节数据产生时钟信号输入通道控制字图4-2数转换流程图4.5按键模块(1)按键时显现人机对话的一个控制按钮，通过按键的操作，对系统进行发送操作指令，后经与MCU串行通信，然后在液晶上显示。(2)按键查询式的流程图如下图:按调键用键程延值序时传入程送口序N按按键键按下放？？YN释Y图4-3按键查询式的流程图4.6时钟模块(1)DS1302模块主要是用于设置时间和与MCU通信经LCD显示时间。(2)时钟模块操作流程图如下图：开始结束初始化向DS读取字节数据向DS写入字节数据保护寄存器操作图4-4时钟模块操作流程图4.7液晶显示模块LCD模块在本系统中主要起着开界面汉字显示，以及各控制效果的显示。采用直接访问方式。液晶显示的操作流程图如下图4-5：入口否读状态字忙?是写指令代码/显数示数据读显示据图4-5液晶显示的操作流程图5系统仿真用的是软件仿真，使用的是proteus软件。Proteus软件由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是原理图编辑与仿真软件，ARES是布线编辑软件。本次系统的硬件设计其中的原理图编辑和PCB布线proteus软件中的ISIS和KeiluVision进行联合调试[8]。当硬件设计和软件设计都完成的时候就可以看到虚拟的基于单片机的低功耗计数系统的运行，以下为仿真效果：一、编译结束，添加HEX文件单击PROTEUS运行按钮，本系统主界面显示图如图5-1所示图5-1主界面显示图45-2图5-2功能界面三、选择“开始测量”，单击“OK”键，便有下面测量选择界面，如图5-322图5-3测量选择界面四、再按“OK”，则显示检测数据，范围0-10ppm.如图5-4图5-4测量界面显示图五、4个功能的操作和演示是相同的，以下为“时间设置”显示图，如图5-5图5-5当前时间显示图“开始测量”“数据存储”“时间设置”“通讯设置”等4个基本功能，后由于条件所限，我们并未做出全部的功能，但这次的毕业设计，收获还是很多的！今后我们会进一步进完善该系统。结束语眉睫。针对目前的现状，该系统设计遵守体积小，质量轻，性价比高的原则[9]。该系统所要实现功能的要求，综合考虑采用AT89C52单片机为控制核心。由于所学知识的限制，本系统实现的功能不是很健全，但在设计该系统的过程中，让我学会了系统设计的方法，和养成了系统思考的思维方式。量检测系统的基本设计。同时由于本设计是采用在proteus上进行仿真，在keil软件上进行编程，最MQ-5气体传感号，经AD0832转换输入单片机。致谢的道理。。和小组搭档的全心帮助，所以一个个看似复杂的问题便迎刃而解。的全心的帮助，我才能比较顺利地完成毕业设计。谢谢你们！25参考文献[1]何立民.《MCS-51.[2]北京：电子工业出版社，2000年．[3]新民.《智能仪器原理及设计》哈尔滨工业大学出版社，1995。[4]华成英.童诗白.《模拟电子技术基础第三版》北京:高等教育出版社,2004.4.[5]马忠梅等.《单片机的C语言应用程序设计》北京:北京航空航天大学出版社，1997[6]李刚林凌王焱编著新概念单片机教程.天津大学出版社，2004年[7]彭爱华.《单片机高级语言C51M〕.北京工业出版社，1999。[8]何立民.《MCS-51.[9]arek,H.P.Trah,Y.Suzuki.SensorsforAutomotiveechnology[M],2004.[10]R.C.etal.DynamicMulti-sensorDataFusionSystemforIntelligentRoboticsandAutomation[M],199826附录附录一硬件设计主电路图27附录二检测主程序程序#include<AT89X52.H>#include<ctype.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#include<stdio.h>#include<math.h>//调用外函数//#include<LCD.h>/**********初始化CPU************/voidinit_cpu()//初始化cPu{EA=1;TR0=1;TR1=1;TMOD=0x11;TH1=0x3c;TL1=0xb0;}/*voidtime1(void)interrupt3using1{TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;keyval=P1;}*//初始化CPU结束////LCD主菜单初始化.//voidmain_menu_initial(){main1_menu[0].menu_count=4;//有4个菜单项.//main1_menu[0].display=measurearray;main1_menu[0].subs=NULL;//定义一个”开始测量“数组//main1_menu[0].children_menus=measure_menu;//当前菜单子菜单的指针main1_menu[0].parent_menus=NULL;……//还有“数据存储”“时间设置”……//}voidmeasure_menu_initial()//“开始测量”菜单设置//{measure_menu[0].menu_count=2;measure_menu[0].display=qr;//开始测量函数,确认.measure_menu[0].subs=start_measure_function;//开始测量函数measure_menu[0].children_menus=NULL;measure_menu[0].parent_menus=main1_men