基于单片机AT89C51的一氧化碳浓度检测仪设计

李瑞福

摘要：一氧化碳是一种常见的无色无味有毒气体，不易被人们发现，当人处于CO气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。本设计针对空间的CO浓度进行测量与报警。采用了探测器、单片机控制电路设计思路，该方案具有反应速度快，检测误差小等优点。选用一种十分稳定的CO传感器MQ7，对空间的一氧化碳浓度进行检测，采用AT89C51单片机作为中央处理单元，对浓度信号进行采集、数据处理、显示、报警及打开排气装置等工作，当一氧化碳的浓度超过允许值时，控制电路进行报警。

关键词：一氧化碳；报警器；单片机；电化学（气敏）传感器

中图分类号：TP29

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.09.027

0 引言

由于发生一氧化碳中毒事件的隐蔽性和普遍性，迫切需要一种监控室内一氧化碳浓度的检测仪，当一氧化碳浓度过高时及时报警，保护人们的生命财产安全。本系统设计的一氧化碳智能报警系统，利用气体传感器技术，将检测到的可燃气体浓度与标准值进行比较，当高过一定浓度值时进行相应的声光报警，提醒相关人员采取相应的措施，组织人员撤离或对该空间通风排气，避免事故发生。

1 系统硬件设计

本系统的控制核心采用单片机AT89C51，它具有信号的监控处理、报警显示和自动控制等功能，其硬件原理框图如图1所示。

本系统的基本组成单元包括：主控单元、气体采样单元、单片机控制单元、调节执行单元、电源、报警单元、信息远传七部分。

该系统中采用MQ-7型气敏传感器，它以金属氧化物半导体材料为基础材料，对外介可燃气体具有较高的灵敏度，当被测可燃气体在内部半导体表面吸附后，引起电学特性（如电导率）发生变化，由于电导率的变化产生阻抗的相应变化，因此产生不同的模拟电压信号，然后采用并行的8位A/D转换器ADC0809，将时间与幅值都连续的电压模拟信号，经过取样、保持、量化和编码等过程，转换为时间、幅值离散的数字量，同时将转换后的数字信号传送到主控芯片——AT89C51单片机。

AT89C51单片机根据外界可燃气体与对应变换电压的函数关系，进行数据处理。并将得到的对应气体浓度数据传送至LED数码管进行显示。当检测气体浓度低于设定报警阈值的时候，LED显示器仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阈值时，会同时发出声光报警。

1.1 主控单元设计

AT89C51单片机是美国ATMEL公司的八位Flash单片机产品，它的最大特点是在片内含有Flash存储器，它是一种高性能、低电压、低损耗的CMOS微处理器，片内含有4KB可重复编程、快擦快写的程序存储器，可进行一千次擦写操作。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小了系统体积，降低了系统成本，增加了系统可靠性。只要程序长度小于4k，四个I/O口全部提供给用户。可用SV电压编程，而且擦写时间仅需lOms，仅为8751擦除时间的l%，AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，可靠、灵活、方便的硬加密手段， 能保证程序不被仿制。另外，AT89C51单片机还具有MCS-51系列单片机的所有优点：32位双向输入输出线、128x8位内部RAM、5个中断源，两级中断优先级、2个十六位定时/计时器、1个全双工异步串行口和时钟发生器等，AT89C51单片机还有间歇和掉电两种工作模式，间歇模式由软件设置，当外围器件仍处于工作状态时， CPU可根据工作情况适时进入睡眠状态，内部RAM和所有特殊寄存器的数值将保持不变。该状态可被任何中断终止或通过硬件复位。掉电模式是电压VCC低于电源下限，振荡器停振，CPU停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器数值保持不变， 直到终止掉电模式。只有VCC恢复到工作正常范围，且在振荡器稳定后，通过硬件复位、掉电模式方可终止。

1.2 调节执行单元设计

调节执行单元如图2所示。由光电耦合驱动器MOC3041和双向晶闸管Q组成，其中光电耦合驱动器MOC3041的作用是将单片机系统与双向晶闸管电路隔开，避免干扰信号影响单片机正常运行，双向晶闸管相当于一个固态触点，控制电机开或关，从而控制风扇通断，对空气流动大小进行实时控制。光电耦合器MOC3041接收的输入控制信号是AT89C51的P1.4口输出信号。

光耦合双向可控硅驱动器MOC3041带过零触发电路，输入端驱动电流是15mA。

MOC3041一般不直接用于控制负载运行，一般用于中间控制电路或用于触发大功率的晶闸管。

1.3 电源模块的设计

电源对系统的运行性能影响很大，

要求电源稳定可靠、纹波小，能提供稳定电压和足够电流。本文设计的系统，电源电路由三端稳压器LM7805构成，采用多级电容滤波，输出恒定SV电压。电源电路如图3所示。

1.4 报警单元设计

报警电路采用了发光二极管及蜂鸣器构成。在设计中，单片机的P2.0、P2.1、P2.2分别控制显示指示灯及蜂鸣器，通过软件编程使气敏传感器的输出值与设定报警阈值（给定值）进行比较，当气敏传感器检测气体浓度超出报警设定值时，会同时发出声、光报警，即蜂鸣器呜叫，发光二极管闪烁。报警电路如图4所示。

1.5 检测单元设计

气体传感器是把气体中的特定成份检测出来，并将它转换成电信号的器件，根据这些电信号的强弱可以进行检测、监控、报警。传感器是整个控制系统获取被控对象特征的重要部件，它的特性直接影响控制系统的精度。本设计选择MQ-7系列传感器，图5为MQ-7系列传感器等效电路。

1.6 显示电路设计

本系统采用128*64的液晶显示器，EDM12864B是一款分辨率为128*64的图形点阵式液晶显示模块，可以显示4*8个16*16的汉字，液晶显示器（LCD）具有成本低廉、配置灵活、工作电压低、能耗低、体积小、显示信息量大和无辐射等优点。

2 系统软件设计

软件程序采用汇编语言，用WAVE E6000硬件仿真器调试，整个软件设计主要包括主程序和几个子程序模块：A/D转换、显示模块、声光报警及若干个控制子程序。

系统总体流程图如图6所示，系统中模数转换A/D读入传感器输出的电信号，经A/D转换输出二进制码，传送给单片机进行处理，单片机采用一定的算法，运算出被检测气体浓度后，送到液晶显示器LED中显示，同时检测的气体浓度与事先设定的浓度阈值（报警设定值）进行比较，判断是否需要声光报警。当气体浓度大于阈值（2000ppm），单片机P2.0口输出高电平，二极管导通，发光二极管亮，单片机P2.1口置低电位，三极管导通，蜂鸣器工作，发出声光报警；当气体浓度小于阈值（2000ppm），单片机P2.0输出低电平，二极管截止，P2.1口置高电位，三极管截止，停止声光报警。

3 结论

本文所设计的一氧化碳浓度检测系统，功能实用简单。其设计优点在于：（l）成本低廉，并能对一定空间的一氧化碳浓度进得检测、显示并准确报警；（2）该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，可连续使用、简捷方便；（3）能收到预防一氧化碳中毒的效果。该产品如果得以应用，会有效预防广大农村居民冬季燃煤取暖时，一氧化碳中毒事件的发生，同时也能给城镇居民安全使用天然气，提供有力保障。