谷金清

摘要：設(shè)計了一種以單片機STC12C5A60S2為核心的室內(nèi)CO濃度的實時檢測和報警系統(tǒng)。設(shè)計主要由半導(dǎo)體一氧化碳傳感器，STC12C5A60S2單片機，液晶顯示電路和報警電路組成，可以實現(xiàn)室內(nèi)一氧化碳濃度的實時采集顯示，并能調(diào)整報警值以及當(dāng)濃度超過報警值時自動進行聲光報警。實驗證明，該系統(tǒng)性能可靠，靈敏度高。

關(guān)鍵詞：單片機； 氣體傳感器； 聲光報警

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）08-1806-03

CO（一氧化碳）是常見的室內(nèi)主要污染物之一，當(dāng)一氧化碳進入人體后會和人體血液中的血紅蛋白結(jié)合，進而阻止血紅蛋白與氧氣的結(jié)合，從而引起機體組織缺氧，嚴(yán)重時導(dǎo)致人體窒息死亡，這就是一氧化碳中毒。由于一氧化碳是一種無色、無臭、無味的氣體，故容易被忽略而引起中毒[1]。家庭CO中毒多見于液化灶具泄漏或煤氣管道泄漏，北方的冬天用煤爐取暖，排煙不暢時也時常發(fā)生，近幾年使用燃?xì)鉄崴髟斐蒀O中毒也經(jīng)常出現(xiàn)報道。因此，研究和設(shè)計一氧化碳檢測和報警電路的是非常重要和迫切的?，F(xiàn)有一氧化碳檢測儀器主要是面對工礦企業(yè)或公共場所的檢測，價格高昂，該文設(shè)計了一款經(jīng)濟實用的適用于家庭的CO檢測和報警器。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)包括CO氣體傳感器，信號調(diào)理電路，STC12C5A60S2微處理器，液晶顯示電路，聲光報警電路和按鍵電路組成，系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖見圖1。

該設(shè)計以單片機為核心，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換，顯示和聲光報警。系統(tǒng)首先通過CO氣體傳感器測量室內(nèi)的CO濃度，將CO濃度信息轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號經(jīng)信號調(diào)理電路完成對信號的處理和A/D轉(zhuǎn)換，將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送到微處理器進行處理，微處理器對收到的信號進行計算處理，一方面控制液晶模塊顯示出當(dāng)前的濃度值，另一方面將當(dāng)前測得的濃度值與預(yù)設(shè)的報警值進行比較，如果測得的濃度值大于預(yù)設(shè)的報警值則啟動聲光報警。

2 硬件設(shè)計

2.1 CO氣體傳感器

目前市場上常見的CO傳感器主要有電化學(xué)氣體傳感器、催化型可燃?xì)怏w傳感器、固態(tài)傳感器、紅外吸收氣體傳感器幾種類型[1]，由于此次設(shè)計是針對家庭使用，考慮到使用環(huán)境和成本等因素，選擇了固態(tài)半導(dǎo)體傳感器MQ-7氣敏傳感器。MQ-7傳感器的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率低的電解質(zhì)二氧化錫（SnO2），二氧化錫是目前應(yīng)用最多的一種氣敏材料，具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡單等特點。測量CO氣體濃度時二氧化錫需要工作在2000C-3000C的工作溫度上，所以傳感器內(nèi)部除了氣敏元件，還要有加熱器，使得二氧化錫保持在最佳工作溫度上。MQ-7傳感器的測試電路見圖2，測量時需加兩個電壓：測試電壓和加熱電壓。

圖2中，VH為加熱電壓，VC為測試電壓，其中 VC需要用直流電源，在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路，實際測量時VC和VH都接了+5V電源。MQ-7使用時需要預(yù)熱一段時間，以保證測量的穩(wěn)定性，測量時空氣中的CO吸附在氣敏元件二氧化錫的表面，導(dǎo)致傳感器的電導(dǎo)率增大，并且隨著空氣中一氧化碳的濃度增加時，傳感器的電導(dǎo)率也相應(yīng)增加，兩者具有一定比例關(guān)系。通過外加負(fù)載RL將電導(dǎo)率值轉(zhuǎn)換成輸出電壓值VL。傳感器表面電阻RS與輸出電壓信號VL的關(guān)系為：

MQ-7傳感器測量CO的濃度范圍為10-1000ppm，具有良好的靈敏度，正常使用時使用壽命可達(dá)到5年。

2.2信號處理電路

信號處理電路核心采用LM393，LM393是一款簡單使用的電壓比較集成電路，具有工作電壓范圍寬、消耗電流?。?.4mA）、輸入失調(diào)電壓小（±2mV）、共模輸入電壓范圍寬等特點。其工作時單電源、雙電源均可工作，單電源： 2V～ 36V， 雙電源：±1.0V～±18V，MQ-7的信號處理電路見圖3[3]。

圖3中，當(dāng)空氣中CO的濃度很低時，傳感器呈較高電阻，電壓比較器LM393輸出高電平，當(dāng)CO濃度達(dá)到一定值時，傳感器電阻變小， LM393輸出低電平，控制外電路的工作，例如啟動排風(fēng)扇開始排風(fēng)，同時發(fā)光二極管發(fā)光。RP為靈敏度調(diào)節(jié)電阻，用于調(diào)整氣敏信號的最低值。

2.3信號調(diào)理及單片機電路

信號調(diào)理電路主要是對將傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成適合于單片機處理的數(shù)字信號，圖3中傳感器輸出了一個0-5V的模擬電壓信號，所以信號不需要進行放大，直接接A/D轉(zhuǎn)換電路就可以將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成適合于單片機的數(shù)字信號。

本設(shè)計選擇了STC12C5A60S2單片機，它是宏晶科技生產(chǎn)的高速/低功耗/超抗干擾的新一代單片機，它的工作電壓為 5.5V - 3.3V（5V 單片機），之所以選擇這款單片機，主要原因如下：

1）它是增強型 8051 CPU，1T，單時鐘/ 機器周期，指令代碼兼容傳統(tǒng)的8051單片機，編程方便；

2）自帶A/D轉(zhuǎn)換，10位精度，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S，不用外接A/D，減小了系統(tǒng)成本；

分辨率 R=[12n=1210=0.098%]

3）工作頻率范圍：0～35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0～420MHz；

4）片上集成1280字節(jié) RAM，有EEPROM功能；

5）共4 個16位定時器。

由于STC12C5A60S2單片機自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，所以本設(shè)計的信號調(diào)理部分直接采用的是單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，使用時將傳感器輸出的模擬信號直接輸出到單片機的P1.1腳，當(dāng)檢測到信號時，單片機首先啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將測量的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后再對數(shù)字信號進行計算處理。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分主要包括數(shù)據(jù)的采集處理、按鍵部分、LCD顯示部分、報警部分。其中按鍵功能采用掃描查詢方式實現(xiàn)，在整個程序執(zhí)行的每個周期中對按鍵狀態(tài)掃描一次，對數(shù)據(jù)也進行一次采集。主程序流程如圖4。

根據(jù)國家2003年3月1日起實施的《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了室內(nèi)1小時的CO均值不超過100ppm，所以本系統(tǒng)的預(yù)設(shè)報警值設(shè)定為了100ppm，當(dāng)室內(nèi)的CO濃度超過100ppm啟動聲光報警，當(dāng)濃度值低于報警值時，聲光報警電路停止供電，以減少系統(tǒng)的功耗，系統(tǒng)設(shè)置了按鍵部分，用戶可以根據(jù)自己的需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整報警值，為了防止MQ-7氣敏傳感器工作不穩(wěn)定時引起誤報警，當(dāng)濃度值超過報警值后延長一段時間后重新采集數(shù)據(jù)，如果兩次采集的數(shù)據(jù)都超過報警值，就進行聲光報警。為了保證測量的精度，通過對標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體的測量，對系統(tǒng)進行標(biāo)定。

4 結(jié)束語

本設(shè)計將CO氣體濃度的檢測處理和報警電路通過單片機結(jié)合起來，實現(xiàn)了CO濃度高低的直觀動態(tài)顯示以及聲光報警功能，具有靈敏度和報警濃度可調(diào)、工作穩(wěn)定、使用壽命長等特點，系統(tǒng)采用了自帶A/D轉(zhuǎn)換的低功耗單片機，同時對聲光報警電路分時供電，整體電路實現(xiàn)了低功耗。實驗證明，該設(shè)計性能穩(wěn)定可靠，在溫度變化不大的情況下可以精確的測量室內(nèi)的CO濃度。由于MQ-7傳感器對溫濕度有一定敏感性，在環(huán)境比較惡劣的情況下需要做溫度補償，這可以通過外加溫度測量電路實現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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