二氧化碳浓度检测设计

目录

1 引言 (1)

2 系统设计方案 (1)

3 硬件设计 (2)

3.1微控制器的概述和选择 (2)

3.2二氧化碳传感器的概述和选择 (3)

3.3 A/D转换器概述及其接口电路 (5)

3.3.1A/D转换芯片概述 (5)

3.3.2ADC0804与单片机的接口电路 (5)

3.4液晶显示模块的概述和选择 (6)

3.4.1液晶显示器概述 (6)

3.4.2LCD1602与单片机的接口电路 (7)

3.5报警电路的选择 (7)

4 系统软件设计 (8)

4.1主程序设计 (9)

4.2数据转换程序设计 (9)

4.3液晶显示程序设计 (10)

4.4报警程序设计 (11)

5 仿真及调试 (12)

6 总结 (14)

参考文献 (16)

1 引言

随着人类社会的进步和科学技术的发展，人们的生活水平得到了迅速提高，工业生产规模也迅速扩大，但同时导致了二氧化碳的排放成倍增长，如温室效应，土地荒漠化程度加速等，严重影响并破坏着人类的生存环境。另外，二氧化碳是作物光合作用的主要原料，其含量合适与否直接影响作物的生长。由于不同作物所需的二氧化碳浓度不同，在二氧化碳的增施中又难于控制对其量的排放，所以研制二氧化碳浓度检测器并用于日光温室的农业生产，对提高农业科技含量，促进农业增产、农民增收有着十分重要的意义。

目前检测二氧化碳的方法主要有化学法、电化学法、气相色谱法、容量滴定法等，这些方法普遍存在着价格贵，普适性差等问题，且测量精度还较低。而传感器法具有安全可靠、快速直读、可连续监测等优点。

常用的二氧化碳传感器主要有固体电解式传感器、钛酸钡复合氧化物电容式传感器、电导变化型厚膜式传感器等。这些传感器存在对气体的选择性差、易出现误报、需要频繁校准、使用寿命较短等不足。而红外吸收型二氧化碳传感器具有测量围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点。为此，本设计采用红外吸收型二氧化碳红外传感器，整个电路设计力求简单易用，快速直读，价格低廉。

2 系统设计方案

本设计是基于红外吸收来实现二氧化碳的浓度检测，传感器采用二氧化碳红外传感器探头，可以实现二氧化碳浓度的显示及上下限浓度的报警等功能。

检测系统是以单片机为控制核心的，整个二氧化碳检测系统主要包括主控制

模块、外围电路模块（时钟电路模块、复位电路模块）[4]、数据采集模块、A/D 数据转换模块、显示模块、声光报警模块等。数据采集模块采用二氧化碳红外传感器，A/D数据转换模块采用ADC0804模数转换器，显示模块采用LCD1602液晶显示，声光报警模块采用蜂鸣器和发光二极管，主控制模块采用单片机控制。

系统原理框图如图1二氧化碳浓度检测系统原理框图所示。

图1 二氧化碳浓度检测系统原理框图

3 硬件设计

3.1微控制器的概述和选择

计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。微控制器（单片机）就是在这种情况下诞生的。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用[2]。

市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS96

系列单片机以及Microchip公司的PIC系列单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/O能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。本文选用Atmel公司生产的AT89C51作为微控制器。AT89C51是Atmel公司生产的一种低功耗、低价格，高性能8位微处理器，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89S52的PDIP封装管脚如图3 AT89C51管脚图所示。

图2 AT89C51管脚图

3.2二氧化碳传感器的概述和选择

气体传感器主要可以分为金属氧化物半导体式传感器、固体电解质传感器、红外式传感器等。一般的半导体传感器测量时受环境影响较大，输出线性不稳定，电解式气体传感器气体的重复性比较差，红外线吸收散射式气体传感器灵敏度

高，可重复性好，响应时间快[6]。考虑到系统的长期稳定性和经济性选择采用红外二氧化碳传感器。

红外二氧化碳传感器探头结构如图3红外二氧化碳传感器探头结构图所示。

图3 红外二氧化碳传感器探头结构图

本设计所选用的红外二氧化碳传感器基于气体对红外光吸收的郎伯--比尔吸收定律，采用国际上最新的电调制红外光源、高灵敏度滤光传感一体化红外传感器、高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室等，实现不同浓度、气体的高精度连续检测。

图4 NDIR红外气体分析示意图

图4为NDIR红外气体分析原理图。分析二氧化碳气体时，红外光源发射出1～20微米的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26微米波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26微米波长红外光的强度，以此表示

二氧化碳气体的浓度。

3.3 A/D转换器概述及其接口电路

3.3.1A/D转换芯片概述

由模拟量到数字量转换的器件（Analog to Digital Converter）称为模拟—数字转换器，简称A/D转换器或ADC；把由数字量到模拟量转换的器件（Digital to Analog Converter）称为数字—模拟转换器，简称D/A转换器或DAC[5]。常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式， ADC0804属于逐次比较型A/D 转换器，是一款8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：模数转换时间大约100us，可以满足差分电压输入；具有参考电压输入端，含时钟发生器，不需要调零等，因而在很多场合得到广泛应用。

ADC0804的封装如图5 ADC0804管脚图所示。

图5 ADC0804管脚图

3.3.2ADC0804与单片机的接口电路

接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。单片机及其接口技术是研究单片机与外部芯片之间如何交换信息的技术，外部的各种信息通过输入接口送入单片机，而单片机的各种信息通过输出接口送到外部芯