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 (4)

3.3.1A/D转换芯片概述 (4)

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 (5)

3.4.1液晶显示器概述 (5)

3.4.2LCD1602与单片机的接口电路 (6)

3.5报警电路的选择 (6)

4 系统软件设计 (7)

4.1主程序设计 (7)

4.2数据转换程序设计 (8)

4.3液晶显示程序设计 (9)

4.4报警程序设计 (10)

5 仿真及调试 (10)

6 总结 (12)

参考文献 (13)

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范围宽、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，内含时钟发生器，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。