基于51单片机的家庭有害气体报警器的设计和实现

孙瑾

(宝鸡文理学院 计算机学院， 宝鸡 721016)

基于51单片机的家庭有害气体报警器的设计和实现

孙瑾

(宝鸡文理学院 计算机学院， 宝鸡 721016)

当今日常生活中，室外空气污染严重，导致室内的空气也不健康，而人们在室内的时间则多于室外，因而室内更容易发生有害气体危害人们健康的事故。设计一个室内有害气体检测报警器，可在室内PM2.5超标时报警提示。该系统以单片机最小系统为核心，结合粉尘检测模块、按键模块、报警模块、温湿度检测模块和显示电路模块等有害气体检测报警器的开发过程进行设计，实现室内气体实时监测并把数据显示在1602液晶显示器上，在超过警戒值时会通过蜂鸣器进行报警,以提醒人们可以通过净化设备来提高家中空气质量确保健康的生活环境。

单片机； 报警器； Keil； 程序设计

0 引言

室内环境是人们日常生活和工作的空间，是为了生活需要而建立的室内环境，包括办公室、家庭居室、酒店、图书馆、商场、教室等公共场所及内部空间，而室内的光、热、空气品质都对人的生活、工作、健康产生着直接影响。而现代城市的快节奏是人们处于室内的时间逐渐延长，为此室内的空气质量对于人们的健康来说至关重要[1]。

由于我国社会改革的步伐逐渐加快，空气质量的问题也日益突出。室内环境变成人们主要的活动场所，良好的空气质量有利于提高人们的工作效率，然而室内空气环境的污染已经十分的严重，对人们的健康工作与生活带来了极大的危害。所以室内有害气体的检测的设计与实现[2,3]具有重要的现实意义。

1 系统整体结构设计

该系统采用STC89C52单片机最小系统、LCD1602液晶模块、GP2Y1010AU粉尘传感器、DHT11温湿度检测模块、ADC0832模数转换器模块、电源模块、蜂鸣器报警模块和按键模块组成。单片机实时通过ADC0832转换芯片采集GP2Y1010AU粉尘传感器的粉尘的浓度，通过单片机的数据转换处理后在液晶屏上显示空气中的质量，当测量空间中的粉尘浓度大于设置粉尘浓度时[4]，蜂鸣器和发光二极管发出声光报警。粉尘的浓度报警值可以通过按键进行设置。同时也可以自动检测当前的温度与湿度，经单片机处理后显示到液晶屏幕上。该系统功能结构，如图1所示。

图1 系统功能结构图

2 系统硬件设计

2.1 主控制模块的设计

单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路3部分组成。复位电路[5,6]是通过判断初始的单片机工作状态；完成启动状态，是确定单片机的工作起始状态，当单片机系统在运行中，受到外部环境干扰时，可以通过复位键，让内部程序重新启动，一般情况下，有上电自动复位和手动按键复位两种方式，该系统采用外部手动按键复位方式，通过连接上拉电阻升高输出电平来实现复位。单片机主控电路，如图2所示。

图2 单片机主控电路

2.2 显示模块的设计

显示模块采用LCD1602液晶显示器，能够清晰的在液晶上显示字符和数字。液晶的命令操作脚是RS、RW、EN，接在单片机的P3^5、P3^6、P3^7脚,数据脚D0～D7分别接单片机的P1口。其驱动电路，如图3所示。

图3 驱动电路

2.3 报警模块的设计

该系统中声光报警电路[7]采用NPN型S8550三极管驱动，当单片机的P1^3口输出为低电平时，三极管的VE>VB>VC>0。三极管的发射结正偏，集电结反偏，3个饱和导通，此时发光二极管和蜂鸣器发出声光报警，当单片机的P1^3口输出高电平时，三极管截止，声光报警停止工作。蜂鸣器工作原理，如图4所示。

2.4 按键模块的设计

空气质量检测系统的灰尘参数可以通过按键进行设置。一个是参数加键，一个是参数减键。通过这两个按键进行设置。按键模块电路，如图5所示。

2.5 粉尘模块电路设计

对非常细的颗粒，如烟草烟雾的检测中光学灰尘传感器(GP2Y1010AU0F)[8]，是特别有效的，并在空气净化系统常用。传感器的第一脚接了一个220uF的电解电容和150欧姆的电阻。第二脚接到单片机的P32外部中断0口，第五脚是粉尘浓度的模拟量输出脚，接在模数转换器ADC0832的通道1上。粉尘模块电路，如图6所示。

图4 蜂鸣器工作原理图

图5 按键模块电路图

图6 粉尘模块电路

2.6 电源部分的设计

温湿度测量控制系统采用USB电源做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求。其中DC5V为电池接口，SW1为电源开关，R6为二极管的限流电阻，POWER为电源指示灯，C5和C6为电源的滤波电容。电源接口电路，如图7所示。

图7 电源接口电路

3 系统软件的设计

该系统中的软件采用Keil编译系统进行编写，此系统是由 KEIL公司开发。有较强的可读性的模块化思想的系统软件设计，能够方便软件后续的修改。

应用单片机时不仅需要进行硬件的设计还需要软件来实现相关的功能，相互结合才能使单片机运作。利用C语言编译软件时，Keil C51可以加以运用在任何51系列单片机，同时具有完美的编译环境和背景，Keil C51软件的优点也显而易见，所以采用Keil C51来实现室内有害气体检测报警器的软件开发编译环境。

对于该系统最重要的功能就是要实时进行监测和显示，即不断的采集和检测数据，然后刷新数据进行显示，让用户能够观测到室内的空气质量情况，所以软件部分分为两部分：数据的分析处理模块和用于人机交互的显示模块。主要功能有检测气体和温湿度数据，然后对数据进行处理，最后将信号转换为气体浓度进行显示。其中系统软件部分功能，如图8所示。

图8 系统软件部分功能图

图8中数据处理模块包括：AD采集程序、数据处理程序、温度传感器程序等等。用于人机交互的显示模块程序主要有: 串口通信程序、LCD显示程序，该模块主要用来实现友好的人机交互功能，使用户能够使用显示屏更加的方便快捷观察数据。

3.1 编译环境的初始化

先给系统上电，然后对系统进行初始化，设定一些标志位和定时器，然后初始化各个外设如温度传感器、时钟、串口、LCD 液晶屏等。系统初始化之后显示读取到各项气体的参数值，系统初始化流程，如图9所示。

3.2 数据采集与处理模块程序设计

此模块由数据处理子程序、温湿度传感器程序、AD采集程序等部分组成。数据采集分析和处理模块决定了系统的转换速度和转换精度，是系统十分重要的模块。

3.3 数据处理子程序

因为在空气中暴露一段时间后，气体传感器会出现老化，造成一定程度的零点漂移和其他问题，都会影响传感器的标定，所以在软件中为确保转换结果的正确，会进行相应的设置来进行补偿。数据处理子程序使测量结果正确显示和存储，它能够连接AD转换结果和传感器得到的实际测量结果，数据处理流程，如图10所示。

3.4 温度传感器子程序

温湿度传感器收到单片机所发的一次开始信号以后，便由低功耗转为高速模式，然后等待，直到主机的开始信号结束，传感器发送响应信号，把测试数据的40位送出去，再触发一次信号采集。只有当接收到了开始信号，才会去采集温湿度的数据，假若未收到主机的开始信号，传感器就不会主动进行温湿度采集。数据通信过程，如图11所示。

图9 系统流程图

图10 数据处理流程图

图11 温湿度传感器通信过程

3.5 数据显示报警模块

显示模块采用LCD1602液晶显示器，显示屏内可以看到当前室内温度、湿度、以及PM2.5的数值，当PM2.5的浓度超过预设值时，就会引起报警，用户采取相应净化设施的措施降低浓度后，报警停止。

4 系统的实现

4.1 安装步骤

首先，检查各元件都完好并且可以运行时，按原理图的位置放好各元件，并注意安装方向，由易到难，依次焊接。焊接时长在10s左右。安装焊接完成后整体，如图12所示。

图12 气体检测报警器实体图

4.2 系统的调试

调试过程中，首先要检测硬件电路设计的合理性、实现方法的可行性等等；整体检查完成后，采用分块调试的方法，首先烧入液晶显示程序，检查显示是否正常，若正常，然后依次对GP2Y1010AU0F光学灰尘传感器、DHT11温湿度传感器，控制电路以及单片机的控制电路进行查看，对每个模块进行调试的过程中采用了局部到整体测试方法，并将各个模块整合成一个整体。具体调试方法，如表1所示。

表1 系统调试

测试过程中当室内PM2.5的含量小于75 μg/m3时，系统显示绿灯，代表环境良好。同时LCD显示器会显示出当前的温度，湿度，PM2.5浓度，如图13所示。

图13 环境良好时的系统表现

当室内PM2.5处于75—1 050 μg/m3时，系统显示黄灯，如图14所示。

图14 环境一般时的系统表现

当室内PM2.5大于3 000 μg/m3时，系统显示红灯，表示室内空气环境极差，并启动蜂鸣器，进行报警。如图15所示。

图15 环境极差时系统实现

5 总结

该系统使用单片机最小系统STC89C52为控制器，实现了一个可以在室内有效检测PM2.5浓度，并且在超出警戒范围时进行报警，同时还可检测室内的温度与湿度，即实现了智能检测的多样化，这将对人们在室内工作的环境具有重大的现实意义，而且该系统实现的成本较低，具有广泛推广的现实价值。

[1] 程文红.基于STC89C52天燃气气体泄露报警器的设计[D].大庆：东北石油大学，2014.

[2] 焦琪，樊泽明.便携式危险气体报警器的研究与设计[J].计算机测量与控制，2011,19(5):1139-1144.

[3] 郭波,张征,许思思.有毒有害气体报警器智能检定装置的研制[J].中国测试，2015,41(5):75-78.

[4] 段晓霞,梁冬柳,陈晓东,等. 基于单片机的煤气报警系统 [J].自动化技术与应用，2014,33(12):81-83.

[5] 莫洪.室内有害气体检测系统设计研究[J].中国新技术新产品，2016(12):127-128.

[6] 周宇辉. 家庭安全报警器设计[J].教育教学论坛，2016(9):272-273.

[7] 李百明.汽车追尾预警系统设计[J].机电技术，2015(6):126-128.

[8] 贾蕴发,刘杨,李超,等.基于多传感器的汽车防碰撞及行人保护预警设计[J].农业装备与车辆工程，2015，53(12)：56-59.

Design and Implementation of Home Harmful Gas Alarm Based on 51 Single Chip Microcomputer

Sun Jin

(College of Computer, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721016, China)

The outdoor air pollution is serious in our daily life, it results in indoor air is not healthy. People stay in the room more than out of the room, so the indoor harmful gas is easier to occur accident of harming people's health. Therefore, an indoor harmful gas detection alarm is designed, it can remind people when PM 2.5 exceeds in the indoor. The system uses the minimum system as the core, combines with the dust detection module, key module, alarm module, temperature and humidity detection module and display circuit module and so on, and is designed for harmful gas detection alarm. The indoor gas is monitored real-time and the data are displayed on the 1602 LCD. The system can alarm for people when the real value will exceed the special value. At the same time, it reminds people of improving the air quality through the purification equipment to ensure a healthy living environment.

Single chip microcomputer; Alarm; Keil; Program design

2012年校级重点项目(ZK12120)

孙 瑾(1982-)，男，山东省曹县人，工程硕士，工程师，研究方向：数据库、计算机应用。

1007-757X(2017)05-0035-04

TP311

A

2016.12.27)