基于单片机控制的一氧化碳报警器的毕业设计论文

引言 (3)
1 绪论 (4)
1.1课题背景 (4)
1.2一氧化碳报警器的概述 (5)
1.3课题研究的目的及意义 (6)
1.4系统设计主要任务 (6)
2 方案设计 (7)
2.1设计要求 (7)
2.2初始方案 (7)
2.2.1系统方案的选择 (8)
2.2.2系统方案的确定 (11)
2.3系统组成 (11)
2.3.1一氧化碳报警器系统的三大部分 (11)
2.3.2系统各个模块功能说明 (13)
2.3.3系统功能扩展 (13)
3 硬件电路设计 (14)
3.1设计使用的基本知识介绍 (14)
3.2芯片介绍[4]及相关电路模块设计 (14)
3.2.1主控电路原理 (14)
3.2.2电源电路 (19)
3.2.3传感器的选择及电路 (21)
3.2.4事故处理电路的设计 (24)
3.2.5显示电路的设计 (26)
3.2.6 计算机串口通信的技术与其标准 (29)
3.3设计的硬件电路 (35)
4 软件部分 (36)
4.1单片机编程 (36)
4.1.1软件部分设计的功能 (36)
4.1.2程序框图和主要程序介绍 (37)
4.2上位机（PC机）编程 (38)
4.2.1 VB下串行通信的方法 (38)
4.2.2串行通信的控件MSComm及其使用方法 (39)
5 系统制作及调试 (40)
5.1系统PCB板的设计 (41)
5.1.1确定PCB的大小 (41)
5.1.2布局 (41)
5.1.3布线 (41)
5.2硬件调试 (42)
5.2.1检测元器件 (42)
5.2.2检测各个引脚信号 (42)
5.3软件调试 (42)
6 结论 (42)
谢辞 (43)
参考文献 (44)
附录1 (45)
附录2 (52)
附录3 .................................................................................. 错误！未定义书签。

附录4 .................................................................................. 错误！未定义书签。

附录5 .................................................................................. 错误！未定义书签。

引言
当今，单片微型计算机技术迅猛发展，由单片机技术开发的智能化测控设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。

而此次的气体浓度检测系统正是单片机应用系统中的一种。

单片机应用系统由硬件和软件组成。

硬件是指单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件；软件是指单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序。

只有系统硬件和软件紧密配合、协调一致，才可能组成高性能的单片机应用系统。

在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率。

单片机应用系统的开发过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试几个阶段。

这几个系统开发阶段并不是相互独立、各自进行的，而应根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。

实现气体浓度检测离不开高性能的气体传感器。

从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。

狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。

随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器[2]。

在工业生产中，尤其是自动化生产
过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量、PH 值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。

此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量一氧化碳气体浓度的动态信号，并且利用数模转换芯片将浓度值转换为数字值，实现整个系统的检测与事故处理功能，实现智能控制。

本文的一氧化碳报警器就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测一氧化碳气体浓度，并且在气体浓度超过给定值时能采取相关措施。

由于一氧化碳中毒是家庭小区以及矿工企业常见事故，给人们生命财产安全带来了极大的危害。

为了能减少事故的发生，提醒人们注意，迫切需要一氧化碳报警设备。

随着电子技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。

而此时采用单片机来实现一氧化碳报警不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采集点的技术指标，从而大大提高系统的可利用性。

此次三路巡回检测系统正是把ADC0809与8051单片机有机的结合起来，实现了三通道数据采集系统，也符合了本设计的要求。

本人在此次设计中主要担任了系统的硬件电路图的设计、硬件的焊接和调试、软件的设计、以及各个芯片资料查找与整理等工作。

设计中超出了任务书所给的任务，提出了本一氧化碳报警器在网络中的应用方案。

1 绪论
1.1 课题背景
随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，对建筑的防火安全设计要求也愈来愈高。

近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。

以“西气东输”工程为开端的大规模天然气利用工程的实施，意味我国城市燃气将大踏步地进入“天然气时代”。

我国天然气市场将迎来一个千载难逢的机会，城市燃气需求的主要增长点将体现在天然气上。

2000年党中央国务院提出“西部大开发”的重大战略部署，特别是2002年“西气东输”第一期工程正式开工，这无疑为发展西部地区的燃气产业带来历史性的机遇。

西气东输工程，在西部优势资源和东部广阔市场之间架起了一座“金桥”，西气东输工程投入使用后，每年供应长三角地区100亿立方米天然气。

城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。

但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。

为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏
而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警器实为必要之举。

“报警早，损失少”，进一步说明了及时报警的重要性，在家庭里面也是如此，一旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大灾。

目前常用的有感烟、感温和可燃气体火灾报警器。

像家庭中在使用煤气、液化石油气和天然气等燃料时，安装一个可燃气体报警器，当出现漏气或着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之主人及时采取措施。

日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器的法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。

美国目前已有7个州11个城市通过立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳报警器。

随着城市燃气化的扩大，我国已有北京市、辽宁省、黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市、大连等省市相继发布燃气安全管理文件，做到政府立法和百姓自身提高安全保护意识有机结合。

一氧化碳（CO）为无色、无味、无臭、无刺激气体，比重0.967，几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。

当碳物质燃烧不完全时，可产生CO，如人体短时间内吸入较高浓度的CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。

CO主要来自取暖燃料的燃烧，CO对人体的损害主要表现在损害血液输送氧气的能力，CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200--300倍，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，达到60%时就会昏迷，达到90%就会死亡[15]。

由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的监控室内一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发生，保护人们的生命财产安全。

本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作一氧化碳报警器，保障人们的生命财产安全。

1.2 一氧化碳报警器的概述
首先我们应对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。

燃气报警器可分为可燃气体检漏仪（简称“检漏仪”）,可燃气体报警控制器（简称“控制器”）、可燃气体探测器（简称“探测器”）、家用可燃气体报警器（简称“报警器”）四大系列产品。

报警器为居民家庭用的燃气报警器,一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。

有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外。

有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。

燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。

当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。

经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。

选择一款优质的燃气报警器，首先要选择质量过关的传感器。

质量不过关的传感器，一般16个月性能就下降，因而失去报警器的安全性，出现不报警或误报警现象，而一种好的传感器可连续使用十几年，特性也不会有什么变化。

但是，报警器中的其它电子元件的寿命都是有限，先进国家也规定燃气报警器的有效期最多为五年。

报警器都存在着检测误差，只要当着误差降低在5%以内这个报警器才符合使用要求。

这就要求了一氧化碳传感器性能必须符合这个条件，高精度的传感器是系统的灵魂。

气体传感器受湿度、温度的影响较大，在条件需要的时候应该采用温度、湿度补偿来提高测量精度。

1.3 课题研究的目的及意义
设计出性能更加可靠，经济实惠的程控一氧化碳报警器。

目前，现有一氧化碳检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，对家庭也是不适应的。

因此，本次设计所面对的是广大居民，其优点在于：（1）成本低廉并能对一氧化碳准确报警。

（2）该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便简捷。

（3）能起到预防一氧化碳中毒的效果，使人们高枕无忧。

该产品必须能够有效预防广大农村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的发生，同时也能够给城镇居民安全使用天然气提供有力的保障。

1.4 系统设计主要任务
本文利用单片机电路制作程控一氧化碳报警器。

设计过程中最关键的两个部分：系统硬件的设计和控制软件的编写。

这也是在设计过程中需要解决的最关键的问题。

（1）硬件问题
程控一氧化碳报警器的硬件主要有3大部分，即浓度检测及显示模块、主控模块和报警及事故处理模块。

浓度检测模块主要由燃气传感器组成，它是整个系统中最关键的元件。

主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。

事故处理模块主要由蜂鸣器和排气扇等组成，这个模块是对燃气浓度过高的时候进行紧急处理。

硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。

在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。

（2）软件问题
它的软件设计主要包括主程序和中断处理两大部分：主程序要完成I／O口，定时器的初始化及对中断输入的设定，然后延时使传感器进入稳定工作状态，等待定时器的中断；中断处理程序根据具体情况需要有相应的子程序。

要对程序进行多次调试，分块编程。

对各个子程序块所解决的问题要相当明确。

最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。

2 方案设计
设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。

硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。

并且把这些元器件焊接在一块电路板上。

它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。

软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。

2.1 设计要求
设计的报警器应实现如下功能：报警器需在一氧化碳浓度达到100ppm 时系统应启动报警，2min 报警无效后系统应启动排风扇进行通风排气、关闭电磁阀切断气源；系统进入正常工作状态后,先启动排风扇进行通风,然后启动电磁阀供给煤气。

具体要实现如下功能：
（1）系统要求设置正常工作状态，除正常工作状态外，电磁阀要求处于关闭状态，以切断煤气通道，防止煤气外泄。

（2）在非正常工作状态下，当室内一氧化碳的浓度达到100ppm 时系统应启动音乐报警，若2min 报警无效，系统应启动排风扇进行通风排气、关闭电磁阀切断气源。

（3）系统进入正常工作状态后，先启动排风扇进行通风，然后启动电磁阀供给煤气。

2.2 初始方案
本设计拟按以下思路展开研究：
（1）根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号接收，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。

①信号采集接收部分即通过一氧化碳传感器检测房间气体浓度，并将这种变化量转化成电压或电流等模拟量的变化。

②信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等变化进行必要的放大，为后一部分信号控制提供准备。

③信号控制部分是通过一预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。

④信号响应是通过事故处理部分和显示部分实现控制部分的要求。

（2）对上述四个部分进行分析，得到如下一些基本的结论：
①信号接收部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用传感器敏感器件，为使其实有效的检测房间中气体浓度，必须选用高温一氧化碳传感器。

②信号处理部分应该根据实际情况选用电荷放大，或比较器等装置，这部分电路将包含在传感器接口电路中。

③控制部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。

④信号响应可以考虑采用排风扇调节房间中一氧化碳气体浓度，并且需要对电磁阀进行控制，实现一氧化碳气体的排出量。

⑤在实现控制功能的单片机与响应过程的LED 显示管之间应该有接口电路以实现驱动功能。

根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图2.1所示：
图2.1 设计思想框图
将上述设计思想结合设计要求总结为：程控一氧化碳报警器采用三路巡回检测的方法，通过高温一氧化碳气体传感器检测房间气体浓度，检测结果经过高精度运放器放大后送入ADC0809模/数芯片中进行模—数转换；利用单片机进行控制，控制声音报警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在LED 数码显示管上显示出来。

2.2.1系统方案的选择
鉴于此系统所要实现的功能，提出方案进行分析。

方案一：采用单个传感器检测房间气体浓度，将检测的到浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片中进行模—数转换，利用MCS －51单片机控制声音报警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在LED 数码显示管上显示出来。

分析：此设计虽然简单，但是存在着严重的问题。

采用单个传感器检测房间气体浓度是不合适的。

气体传感器所测量的值经常会发生变化。

在一段短时间内可能很稳定，而在一段较长时间内则可能有缓慢起伏，或呈周期性的脉动变化，甚至出现突变的尖峰。

气体传感器主要通过两个基本特性--静态特性和动态特性来反映传感器的这种变动性。

静态特性通常反映在灵敏度上。

所谓的灵敏度，是指在静态工作条件下，其单位输入所产生的输出，用S 表示。

（2-1）
0lim x y dy S x dx ∆→∆==∆
动态特性是气体传感器的特有问题，反映气体传感器对随时间变化的输入响应特性。

动态特性好的气体传感器，其输出特性曲线随时间变化很小。

动态特性的输入与输出关系不是一个常数，而是时间的函数，随时间的变化而变化，因此常用"传递函数"表征。

（2-2）
由此可见，气体传感器的输入和输出关系并非简单的线性或曲线关系，要对气体传感器建立一个准确的温度修正数学模型是很困难的。

通常应用时，都忽略气体传感器的动态特性，根据其静态温度响应灵敏度，采取一定的措施对其进行补偿。

如通过温度传感器测出环境的温度，对气体传感器的输出特性曲线进行修正；或者直接对传感器进行硬件补偿。

气体传感器特性总是会受到环境温度、湿度的影响而变化，气体报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性，必须对气体传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。

由于本次课题要求检测一氧化碳浓度超过100ppm时报警提示，而气体传感器在测量气体浓度大于60ppm时，环境湿度的变化对一氧化碳传感器特性的影响较小，故忽略对传感器湿度修正。

那么主要考虑如何有效实现传感器的温度补偿。

传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。

所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿；很难实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。

软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和查表修正以得到不同的补偿效果。

该方式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。

为了解决这个问题，提出采用双传感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致（实际上只能做到非常接近）的气体传感器来实现补偿，把其中一个气体传感器A密封代替温度传感器，对另一气体传感器B进行补偿。

这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而且对传感器的动态温度响应也能同步实现补偿[12]。

由于本设计方案传感器测量精度不高，所以不予采纳。

方案二：采用双传感器，采用相互补偿的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片中进行模—数转换，利用MCS－51单片机控制声音报警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在LED数码显示管上显示出来。

分析：此设计方法虽然解决了传感器检测气体浓度时温度和湿度对测量值的影响，但是，在实际制作的过程中，需要利用的核心控制芯片必须最少具有4路8位A/D口，气体和温度敏感信号直接由A/D口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。

由于此次课题要求采用三路巡回检测，如果采用本方案那么就需要6个特性相同的一氧化碳气体传感器（3个密封检测气体浓度，另外3个做补偿），为了达到更好的温度修正效果，往往需要传感器厂家的配合，在生产时对传感器进行成对生产，以保证传感器特性的一致性。

并且主控制芯片采用常规的ADC0809和单片机并不支持，且制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高。

单单采用此种方法并不能更好的提高测量性能，还需要加以软件补偿。

所以不采用方案二。

现今传感器技术的飞速发展，设计出了性能更佳，使用范围更广的气体传感器。

通过搜集信息，提出本次设计采用TP-2型高温一氧化碳传感器。

特将此传感器介绍如下：
多晶体及适当添加混合剂烧结而
(1)特点：TP-2高温型一氧化碳传感器由SnO
2
成。

具有微珠式结构，电导振荡响应，极好的选择性和良好的环境适应能
力，应用电路简单，本质安全等特点。

用它做成的报警器完全可以达到
UL2034标准，不需温、湿度补偿。

(2)工作条件：工作电压：3.5V～6.5V
静态功耗：≤15mW
环境条件：温度-10℃～+50℃,相对湿度≤95%
初期稳定时间：≤15分钟
检测一氧化碳浓度范围：0～2000ppm
(3)对一氧化碳反应的敏感度：
图2.2 系列一氧化碳浓度的条件下R
电压的振荡曲线。

L
(4)高湿高温对传感器的影响：根据测试结果表明，此传感器可承受96%RH相
对湿度、70℃的环境条件，但基电平升高。

由于采用此方案制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高，所以不予采纳。

方案三：采用TP-2型传感器，采用三路巡回检测的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片中进行模—数转换，利用MCS－51单片机控制声音报警以及控制电磁阀和排风扇，并且将气体传感器检测到的浓度值在LED数码显示管上显示出来。

分析：选用此方法设计电路不仅解决了温度、湿度的影响，并且简化了设计电路，降低了成本，采用此种方法设计主体电路。

具体电路设计将在下文中给出。

2.2.2系统方案的确定
现今一氧化碳传感器技术的不断提高，使得在应用此类传感器时不必采用温度、湿度补偿，极大的简化了电路和降低了成本。

鉴于对以上三个方案的对比分析，方案三最符合设计要求，所以我选择使用方案三来设计本次毕业设计的主体电路。

2.3 系统组成
本设计属于单片机应用系统。

它是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，是典型的嵌入式系统。

通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。

嵌入式系统一般分为四种:工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。

嵌入式系统具有以下特点：
(1)面对控制对象。

如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。

(2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。

(3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。

(4)突出控制功能。

如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(I/O控制、位操作和转移指令等)。

单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。

单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

2.3.1一氧化碳报警器系统的三大部分
单片机应用系统的结构分三个层次。

(1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。

(2)单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。

(3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。

在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显小器、打印机等)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。