项目编号:mcubee-110

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基于单片机的CO检测与报警系统设计

摘要

随着科技的日益发展,各种新材料、新能源大量使用,不可避免的给人类的居住环境带来了负面影响,尤其是产生的各类有毒有害气体,严重影响着人类的安全与健康。室内环境接触人体时间最长,室内空气质量的好坏与人体健康息息相关,因此监测室内环境中某些气体的浓度状况有着重大意义。市场上的气体检测仪器价格普遍偏高,妨碍了这一仪器的普及使用。本文旨在设计一套使用方便、性能完善、价格低廉的便携式气体检测系统,以应用于室内环境的气体浓度检测,减少事故与危害的发生。

本论文从系统的芯片选型出发,基于电化学气体传感器与STC8C52单片机这两大核心模块进行展开。系统选取室内最常见并且危害程度相对较大的一氧化碳气体作为检测目标。由气体传感器的气敏组件与环境中的气体分子发生反应,提取浓度信息,输出为微弱电信号。经放大电路、A/D转换电路转换为二进制数字信号送入单片机,单片机中的固化程序对信号进行判断处理,并控制后续装置产生声光报警以及显示检测数据等功能。开机后,可以选取数掘检测模式或者数据上传模式。检测过程中,当检测值大于设定阔值时,发起声光报警,并显示实时数据:当检测值小于阔值时,仅显示检测数据。使系统更加人性化,便于分析室内环境的变化情况。

关键词:气体检测;单片机;气体传感器;串口通信

目  录

摘要

第一章 绪论

1.1 选题背景及实际意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文研究目标与框架

第二章 系统设计方案

2.1 整体设计方案

2.2 主要元器件选择

2.2.1 主控芯片选择

2.2.2 显示模块方案选择

第三章 硬件设计

3.1 主控电路模块

3.2 CO检测模块电路

3.3 GSM无线模块电路

3.4 LCD1602显示模块电路

3.5 继电器模块电路

3.6 报警模块电路

3.7 独立按键模块电路

第四章 软件设计

4.1 编程软件介绍

4.2 主程序流程设计

4.3 按键函数流程设计

4.4 显示函数流程设计

4.5 处理函数流程设计

第五章 仿真测试

5.1 仿真整体测试图

5.2 仿真运行测试图

5.4 CO浓度设置仿真测试

第六章 实物测试

6.1 实物整体焊接图

6.2 实物上电运行测试图

6.4 CO浓度设置实物测试

结论

6.1 总结

6.2展望

参考文献

致谢

附录

附录1:原理图

附录2:PCB

附录2:程序

第一章 绪论

1.1 选题背景及实际意义

随着科学技术的发展和生活水平的提高,大量汽车尾气的排放、新型建筑和装饰材料、日用化学品、煤气以及天然气释放的有毒有害气体,在室内这一密闭空间里造成室内空气质量日益下降,污染问题日趋严重,甚至有些极易对人体的生命健康造成危害的气体已经超出了人类承受的安全极限。

世界卫生组织的调查报告指出,全球大约有30亿人仍然在明火和开放式炉灶的条件下通过固体燃料在室内进行烹饪和取暖,大约有27亿人燃烧生物质(例如作物废弃物、木柴、动物粪便等),还有4亿人使用煤炭。这些人中大多数人来自发展中国家并且生活条件艰苦。这种烹饪和取暖的方式会导致室内空气被严重污染,因为物质燃烧过程中会产生大量对健康有害的污染物,有毒气体占其中很大比重,也有一些可吸入的微小颗粒。当建筑物的通风条件欠佳时,室内烟雾会比正需可接受的微小颗粒水平高出 l0倍。老人与妇女儿童在室内活动的时间最长,所接触的污染相对也最多,但是他们的体质却又偏弱,这些原因造成每年接近200万人过早死于因室内空气污染而导致的疾病(2004年数据)。

美国己将室内空气污染定义为危害公共健康的5大环境因素之一。IAQ的优劣直接关系到人体的健康。中国标准化协会联合医学专家组也做过专业调查,分析结果表明室内环境污染是造成68%的疾病的元凶凹。中国一年之内因室内环境污染而死亡的人数已达 11.1 万人,可见室内环境污染的严峻程度”。据世界银行有关资料显示,我国在200l年由于室内空气污染造成的各类损失总额高达l06亿美元叫。

近几年,针对日益严峻的室内空气质量问题,政府相关部门开始采取措施,陆续制定了一系列有关室内环境的标准,从建筑装饰材料中各项有害成分的指标上限,到室内空气中污染物浓度的安全标准,对室内环境进行严格、全面的监控,希望为公众营造一个安全健康的居住环境。因此,大多数人往往认为现代化居住条件中的环境污染已经得到控制。其实事实并非如此,人们还远远没有认识到室内环境污染的危害人们生活中接触最频繁的是室内环境,每人每天平均至少有80%的时间是在室内度过的。随着现代化技术的迅猛发展,计算机及网络技术使人们足不出户就可以实现网络在线工作以及各种社交活动和网上购物等生活需要,空调及暖气设备为人们提供了舒适的室内环境,这更大大增加了人们在室内的活动时间,甚至高达93%,于是,室内空气质量的好坏对人体的健康就显得尤为重要了。虽然一般情况下室内的各种有害气体浓度不高,但是长期接触的话,对长期处于室内并缺乏运动的人们来说,这无疑是个不可忽视的健康隐患。在某些突发情况下,还有可能发生危险气体浓度的急剧变化以致超过安全上限,如煤气的泄露等。

从室内空气质量对人类健康生活的重要性及现实情况的不理想现状,可见对室内气体状态进行监测是很有必要的,在此基础上才能采取一些防治措施。

1.2 国内外研究现状

对于气体检测来说,矿工是历史上最早意识到需要发明一种有害气体检测装置的人。因为密闭矿井中的气体成份会给他们带来各种各样的危险情况,除了最大的威胁―瓦斯(主要是甲烷气体),还有可能出现的有毒气体包括:二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等等。同时,由于这些气体的不断泄漏、沉积从而占据了大量的空间,会使得狭小而密闭的空间中氧气不足。此时简单的防毒面具(如浸水的毛巾、海绵过滤器等)就无法起到保护生命安全的作用了。由于令矿工们谈之色变的瓦斯气体无色无味,所限累积达到的爆炸上限的过程人们无法感知到,而只要达到爆炸下限,不管出现什么样的火源。行动中摩擦产生的火花都会引起爆炸事故。

1815年,著名化学家、英国人亨幅瑞·戴准〔Humplry Day〕发听了可以在瓦斯环境中使用的安全矿灯。它不仅能排除煤矿中因其他明火引起的瓦斯爆炸的危险,同时也可以作为一种间按检测瓦斯和氧气的设备:当灯中的火焰较商时,表示有瓦斯存在,当其中火焰较低时,表示氧气不足。在矿井中一氧化碳也是危险气体之一。同样,它跟瓦斯气体一样也由于缺乏明显的险报特性常常会使工人处于段为绝险的滚度之下。在技术贫乏的年代,人们只好用一些小动物,比如著名的“矿井金趾乌”,作为探路先锋来检测周围环境中跨一氧化碳是否达到危险程度。直到人们发明了专门用于测量一氧化碳的测量仪,并且得到广泛应用。

1926加年,油船大爆炸事件使如利幅尼亚的标油〔Sndad 〕公司开始了研发可燃气体直读指示器的工作。1927年,Oliva wW. Jnin发明了一种利用可燃气体传感器。1939年,日本ken〔理研)公司也发明利用光衍射原理理干涉式气体检测计。

1960年第一代电化学氧气传感器出现。使得氧气的实时更加检测和准确,。1968 年,全属氧化物气体传感器研制成功,之后更多的传感器被研发。在这一时期,日本首先研制出了第一台家用燃气报警器,可以方便的安装在室内需要检到的区域。

198l年,英国Ciy公司已经工业化地推出了氧气和多种其他有毒有害气体的电化学传感器,这大大的促进了气体检测仪器的发展,也出现了众多的国际知名的气体检测器生产厂家,比如德国的德尔格(Der) .法国眛德姆〔CXdmen) 。美国的英思斜〔 haril Sintifie〕 、梅思安(MSA〕。华瑞〔配AE〕、英国科尔康(Crowea)、日本的理研(iken〕等。

我国从上个世纪70年代开始研制可燃气体检检测,主要是针对工业环境下的各种危险检测,引进了国外的先进技术,在种类与功能上渐渐完善。近年来,随着中国科技产业的多样化发展,仪器仪表行业得到了新的发展。自2000年产销首次突破千亿元,该行业总产值不断增加,2006 年行业总产值突破两千亿元:2007年高达3078亿元,增长率为28.56%。

由于污染问题日益严重,人们对生活环境的质量也日益关注,国家在环保方面的力度也不断加强,气体检测仪器在环境保护、室内空气质量控制、民用燃气泄漏等领域占有越来越大的比重。

目前,国内外对气体检测仪器的研究非常活跃,其未来的发展方向主要集中在以下几个方面:仪器的小型化、仪器的智能化、仪器的通用化、仪器的多功能化、仪器的网络化。

1.3 本论文研究目标与框架

本文旨在研发出一套可以实时监测室内气体浓度,并且价格低廉、携带方便、功能完善的检测系统。它是以STC8C52单片机为控制核心和整个系统的软硬件平台,在这个基础上拓展一系列功能电路,然后进行编程,最后完成系统实物搭建。论文主要内容安排如下:

第一章说明了课题研究的来源及意义,引出了对气体检测仪器的介绍,并详细描述了本系统选择的测试气体CO的危害。

第二章介绍了气体传感器的选择以及系统的整体组成与规划。

第三章是系统的硬件设计,主要包括各部分电路主要功能芯片的工作原理、电路的设计以及系统的PCB图绘制。

第四章详述了系统软件部分的设计。由C语言编写控制部分的程序,完成信号采集、数据处理、数据显示、超限报警等功能。

第五章是关于实验装置的综合调试。将软件与硬件联合在一起,对系统进行相关的实验测试。

第六章是对论文工作的总结与展望。

……………..本设计说明书是配套实物和仿真的,完整的设计参考书请购买后下载,购买过程遇到任何问题请联系客服进行咨询。本资料是一次性商品,不支持退货,感谢您对单片机俱乐部的支持……………..

 

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