基于单片机的室内一氧化碳安全监控系统设计

收稿日期：!""#$"#$!"
作者简介：王勇（#%&’$），男，江苏徐州人，硕士研究生；主要从事微机测量与控制工程、智能仪器仪表等方面的研究。

基于单片机的室内一氧化碳安全监控系统设计
王勇，冷剑青，徐健健
（南京大学物理学系，南京!#""%(）
［摘
要］本文介绍了基于单片机的室内)*监控系统的软硬件结构设计；详细给出了)*气
体传感器的原理结构及使用方法，+,-转换芯片.)/&#(0在系统数据采集中的应用，传感器非线性信号处理以及系统的数字滤波方案。

［关键词］单片机；气体传感器；一氧化碳；温度补偿；.)/&#(0；
［中图分类号］12!&3［文献标识码］4［文章编号］#"""$"5’!（!""#）"3$""#%$"3!"#$#%&’()*+(&($)),-+,.)(/)()0&$#%+*#12/)(&1),%2%1#/.+%#$)(+%&(’3#-"&4-)/451#,
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9引言
随着经济的发展，人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视，液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便，也改善了城市的环境，但同时也给人们带来了潜在的危险，其中一氧化碳是最主要的危险源。

一氧化碳是一种无色无味的气体，由于它与人体内的血红蛋白有高度的亲和力，所以当它被吸入人体后，会争夺体内血液中的氧形成一氧化碳血红蛋白，使动脉壁缺氧、水肿，阻碍血流通畅，使人发生疲倦、气短、恶心和头晕眼花等不良症状，体内吸入过多一氧化碳时甚至会导致人因缺氧而死亡。

另据《科技日报》报道，经医学验证，当空气中一氧化碳浓度达到(0GGQ 时，就会对儿童智商造成损害。

同时，一氧化碳也是一种易燃易爆的危险气体，其在空气中的阀限值（指在空气中允许存在的最低浓度）为0"Y #"Z 5，爆炸极限为#![0\]&3\
［#］。

因此，及时准确地对室内进行)*浓度监测和报警成为保障群众生命安全和国家财产安全的一项必不可少的工作。

为此，我们设计开发了一套应用于房屋室内的一氧化碳安全监控系统。

:
系统硬件结构设计
:;9
一氧化碳传感器原理及应用
监控系统最关键的部分在于室内一氧化碳气体
浓度的检测，本系统考虑到室内空气中一氧化碳含量的大致范围，结合国家环境空气质量标准（84
("%0—#%%5）
规定的一氧化碳分级标准［!］
，我们选用了^:J:I:S@生产的一种专门用于家庭用途的^8W##""型一氧化碳气体传感器，
它是在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层W;*!薄膜，这种结构不仅使得W;*!薄膜对)*气体在很宽的温度范围内具有敏感性，而且硅膜减少了热传导的热损失，从
而大大降低了功耗［(］。

该传感器的管脚如图!—#@所示，其中!、3端
为加热器的电源接线端，#、(为传感器输出端，其工作原理是把传感器置于)*气体环境中，W;*!薄膜
层的电阻会随着)*浓度的变化而变化，)*浓度越大，W;*!薄膜层阻值越小。

图!—#R 为取得传感器输出信号的基本电路图，7"为加热电压，传感器电阻89与负载电阻8:串联接到工作电压7&&两端，
图!—"一氧化碳传感器引脚及测量原理
由此可得关系：
!"##
"#·!$$"#$"%
传感器阻值"%随着%&浓度的增大而减小时，输出负载电压!"#逐渐变大，所以通过测量负载电
压即可反应出被测对象的%&浓度。

由于元件的本身特性决定了其阻值会随着周围环境温度的变化产生明显的漂移，致使测量电路的输出产生零点漂移，漂移过大会造成测量的不灵敏
或过灵敏，使整机的可靠性下降［’］。

为此，我们增加
了温度补偿电路，如图!—"(所示，其中)*为热敏电阻，)+
为传感器电阻。

图!—!系统硬件组成结构示意图
!"!系统硬件结构组成
如图!—!所示，
系统以单片机为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。

系统使用,-./0公司生产的
,*12%3"芯片作为单片机微处理器，
运算放大器由高输入阻抗低温度漂移的&456组成，采样保持和,78转换由9%:6";3芯片完成，
数据存储器使用日立公司的<=>!>’，
由=,?!5!芯片为主组成电平转换电路，提供与上位机通信的)+—!;!接口，输出控制部分由光耦合晶体管1535组成的光隔离接口控
制继电器的吸合，如图!—;所示，@为继电器线圈，A 为继电器开关，
它接在排气扇的供电电路上，控制排气扇的开关。

时钟系统提供给单片机的工作时
钟，同时控制6";3的,78转换频率。

图!—;光隔离输出接口电路图
系统工作流程为：由装在室内的%&传感器获
得被测量对象（室内%&浓度）原始信号，经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，采样保持后进入,78转换，得到被测对象的数字量信号，再由单片机进行数据处理，得到最终的室内环境%&浓度值，将此数据通过数码管显示并保存到数据缓冲区中，同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标，如果超标立即向光隔离接口输出控制信号，通过继电器打开排气扇，并开始进入危险期计时，如果发现环境中一氧化碳浓度长时间处于危险
状态，则有可能排气扇未能打开，或者房间发生严重%&泄露事故，此时启动预警信号进行语音报警提示，提示室内人员打开门窗、关闭气源并迅速撤离事故现场。

如果系统接有上位机工作的话，可通过通信接口对单片机组成的下位机系统进行参数设置，并可定时地从数据缓冲区中读取以前测量的数据值，进行二次处理加工或存入数据库永久保存。

#系统软件设计
系统下位机软件使用=+%—3"系列汇编语言设计，软件设计采用模块化程序结构，由系统主程序、数据采集模块、数据处理模块、输出控制模块、数码显示模块和串口通信模块等几大模块组成。

#"$
数据采集程序设计
系统的数据采集取决于采用的,78转换芯片，
图!—"单片机与#"!$数据采集电路图
考虑气体浓度变化比较缓慢，本系统使用了低速高精度的%&’转换芯片()*#"!$，它是一种常用的+位半双积分单片集成%’)芯片，分辨率相当于"+位二进制数，转换精度高，转换误差为,"*-.；芯片采用了自动校零技术，可保证零点在常温下的长期稳定性［$］。

#"!$工作的外围电路及与单片机的连接如图!—"所示，其中/)"+0!组成的电路模块为#"!$提供标准的"1参考电压，+0+2组成的振荡电路为#"!$提供"3$456的工作时钟。

#"!$与微处理器72)$"的连接是通过+位3选"数据多路开关#+*-"$#来实现的［8］，#+*-"$#的选通信号由#"!$的’$输出来控制，这样当%&’转换结束时，’$输出高电平，#+*-"$#选通.类通道，单片机读入’$的数据位."和状态位9:*、:1;<、=>’;<值；当’$输出完成时变为低电平（这一过程包括’+?’"数据输出周期在内）时，#+*-"$#选通%类通道，单片机将依次读入’+?’"位的7+3"码值.7、.+、.3、."。

这样最大限度地节约了单片机的口资源，总共只占用了$个数据输入端口。

#"!$的数据输出选通引脚直接接到单片机的中断输入端口(>@0，启动单片机的中断服务程序读取%&’转换的数据结果。

根据#"!$的工作时序［8］和系统电路连接特点，单片机采用中断与查询相结合的工作方式，由硬件启动中断服务程序，进入中断服务程序后执行查询数据、状态位的工作，相应的数据采集程序流程图如图!—3所示。

系统通过设置头标志和类似于指针的位置记录数9ABCDCAE来实现数据的读取，
数据采集之前头标志
图!—3#"!$数据采集中断程序
关闭，当’$位数据到来时，9"F0为高电平，保存9"口数据，从中提取极性9A"和数据位."的值，存入
!"数据缓冲区，然后打开头标志，表示!"位数据已来到，下面的数据将依次为!#、!$、!%、!&位的值，同时设置位置记录数为#，表示下面得到的数将是!#，应该存入代表!#的数据缓冲区，然后再查询’&口状态。

如果’&()为低电平则判断头标志是否打开，即第一位数!"是否已来到，如果未来则此组数据无效，退出中断程序；否则’&得到的数据为低#位数据，将有效位提取合并成!#*!&的数值结果，根据’+,-.-+/存入相应数据缓冲区，"位数据均读完后关闭头标志，恢复起始状态，退出中断服务程序。

!"#数据处理
$(%(&传感器非线性信号处理
人们使用传感器时总希望传感器的输出量和它所测量的输入量呈线性关系，但由于传感器内部因素和测量误差等原因，传感器的输入—输出特性在整个测量范围内往往不是严格的直线关系［0］。

在本系统中测量得到的是经传感器和采集电路变换的电压信号，为了真实地反映被测量的12浓度值，需要将根据系统特性在测量范围内将环境浓度与采集电
压之间的关系作一个误差尽可能小的标定，依据此标定关系，将测量得到的电压信号真实地转化成被测环境的12浓度值。

本系统采用的是分段插值法来对系统测量值和目标值进行标定的。

系统将测量范围分为&)段，记下这&)段的&&个始末端点测量值与目标值所对应的关系，然后根据测量值落在哪一段区域内，调出该段两个端点的对应关系，拟合直线，并以此直线关系作数据的对应转换工作，最终给出被测环境的浓度值。

$(%(%数字滤波处理
数据采集系统在采集数据时，由于各种干扰的存在，使得系统采集到的数据有一定的波动，数据偏离其真实数值［3］。

去掉采样数据中的干扰成分除了硬件上采取一些必要的抗干扰技术外，本系统还对输入数据采用了一定的数字滤波处理。

先采用奇异值滤波，将采样数据序列中有明显错误（与周围数据发生十分大的跃变）的数据剔除掉；然后再对余下的数据采取中值滤波算法，其主要算法为：开辟!个连续数据存储单元，采集原始数据依次进入排成队列，每来一组新数据时，队列中最早进入的一组数据出列，其它数据逻辑上集体向前移动一位，新数据填补到队列最后端。

对队列中的数据按从小到大的顺序排队，取中间值作为本次采样的有效数据，其算法流程图如图$—$所示。

图$—$中值滤波算法流程图
$应用结果
本系统由于设计之初就对研究对象进行了深入的调查和研究工作，充分考虑到了系统运行的每个环节和各种可能情况，因而对症下药，选用了最优化的软硬件设计方案，所以系统实际运行稳定，测量精确，控制可靠，完全达到了对室内一氧化碳安全监控的要求。

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