室內(nèi)空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)設(shè)計

1、.目錄1 前言12 總體方案設(shè)計22.1 方案比較22.2 方案比較與選擇33 單元模塊介紹43.1 二氧化碳傳感器43.2 放大電路53.2.1 放大電路的特點53.2.2放大電路的性能指標(biāo)63.3 stc89c51單片機(jī)63.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)83.4 顯示電路113.5 風(fēng)扇控制模塊114 系統(tǒng)軟件設(shè)計 134.1系統(tǒng)程序設(shè)計135 總結(jié)146 致謝157參考文獻(xiàn)16附錄一：相關(guān)程序17精品.1 前言空氣是人類賴以生存的最基本條件，但是人們常忽略所呼吸空氣的質(zhì)量，絕大多數(shù)人 85%90% 的時間在室內(nèi)度過，這使得他們很容易遭受有這些空氣污染引起的疾病。特別是醫(yī)院病房，由于醫(yī)院病房有限

2、，每間病房住 4 個、甚至 6 個以上的病人，由于排出二氧化碳?xì)怏w太多、導(dǎo)致空氣質(zhì)量不好，特別是冬季，不開窗戶，空氣質(zhì)量更加糟糕。特別是對于心、肺、腦等疾病患者，病房內(nèi)空氣質(zhì)量更顯重要。二氧化碳對人體具有相當(dāng)?shù)奈：Γ覂?nèi)空氣二氧化碳濃度在0.07%(1400mg/m ) 時，人體感覺良好。二氧化碳含量為0.1%(2000 mg/m3) 時，個別人有不舒服感 ；0.15%(3000mg/m3)內(nèi)空氣狀況明顯惡化；濃度達(dá)到0.3%(6000 mg/m3) 以上時，出現(xiàn)明顯頭痛、頭暈、心煩意亂等癥狀 ；8%(160000mg/m3) 以上可引起死亡。 室內(nèi) co2 主要來自人體呼出氣。室內(nèi) co2

3、水平受人均占有面積、吸煙等因素影響。在我國北方，冬天關(guān)閉窗戶，加上通風(fēng)不足，室內(nèi)二氧化碳濃度可達(dá)2.0%(4000mg/m3) 以上。 我國公共場所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定二氧化碳濃度不超過0.07%-0.15% ( 以場所而定 )。室內(nèi)空氣中co2衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定日平均最高允許濃度0.10%(2000mg/m3)(gb/t17094-1997)。 為滿足房間內(nèi)內(nèi)空氣質(zhì)量的要求，本文設(shè)計了一個廉價的房間內(nèi)的二氧化碳監(jiān)控終端，實時檢測空氣中二氧化碳的含量，并根據(jù)數(shù)據(jù)反饋利用本系統(tǒng)改善空氣質(zhì)量。精品.2 總體方案設(shè)計2.1 方案比較方案一：以stc89c51系列單片機(jī)為核心設(shè)計，此系列單片機(jī)比較常用、價格便宜、操

4、作簡單。設(shè)計框圖如圖2.1. 單片機(jī) 濃度顯示 a/d轉(zhuǎn)換器 放大電路 傳感器 引風(fēng)機(jī) 狀態(tài)指示燈圖2.1方案一系統(tǒng)框圖精品. 工作過程:當(dāng)二氧化碳傳感器檢測到室內(nèi)空氣中二氧化碳含量超過0.07%時，電路開始工作，傳感器把檢測到的信號經(jīng)過放大電路放大處理，再通過a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號輸送給單片機(jī)，通過單片機(jī)控制引風(fēng)機(jī)工作，并顯示二氧化碳的濃度，直到室內(nèi)二氧化碳濃度降低到0.07%以下，引風(fēng)機(jī)停止工作。方案二：以plc為核心設(shè)計，其系統(tǒng)框圖如圖2.2所示。 傳感器 信號處理模塊 plc濃度顯示 引風(fēng)機(jī)圖2.2方案二系統(tǒng)框圖 工作過程：當(dāng)系統(tǒng)工作時，傳感器將外界的空氣中的二氧化碳含量轉(zhuǎn)換為電

5、信號，并將信號傳輸給喜好處理模塊。在信號處理模塊中，將傳感器接收到的信號處理成plc的輸入信號。plc在單位時間內(nèi)對信號進(jìn)行計數(shù)，再將信號數(shù)與設(shè)定的基本值比較，并從plc輸出端給數(shù)碼管進(jìn)行濃度的顯示。若測量值大于給定值時，led報警燈閃爍發(fā)出報警信號，并控制引風(fēng)機(jī)工作。2.2 方案比較與選擇由圖2.1和圖2.2可知，兩圖在系統(tǒng)框圖的設(shè)計上除了所使用的核心元件不一樣以外，精品.其他基本一樣。 其一，經(jīng)信號處理模塊處理后的信號大小有所不同，這就決定兩者放大器的 所使用不相同；其二，在設(shè)計軟件上不同，且以plc為核心元件的程序編寫上會比較復(fù)雜；其三，從經(jīng)濟(jì)性上講采用單片機(jī)更節(jié)約成本。值得我們注意的是

6、，plc成本比單片機(jī)的成本要高出很多，且plc的輸出端口數(shù)越多plc的價格就越貴；其四，從實時性上講單片機(jī)的更具優(yōu)越性，因為plc在使用中有很大的機(jī)械延時，對于一個濃度監(jiān)測系統(tǒng)來講快速、實時性是我們一定要注重的因素?；谝陨弦蛩氐目紤]，本次設(shè)計我們選擇方案一。精品.3 單元模塊介紹3.1 二氧化碳傳感器 本次設(shè)計所用的二氧化碳傳感器為cdm4161，cdm4161有別于固態(tài)或者液態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器，半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體材料的各種化學(xué)特性將空氣中含有的特定氣體(即待測氣體)以適當(dāng)?shù)碾娦盘枡z測或定量的器件。其優(yōu)點是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、壽命長、便于集成化、智能化，能使檢測轉(zhuǎn)換一體化

7、。世界上最先實現(xiàn)半導(dǎo)體氣體傳感器商品化的是日本費加羅公司發(fā)明的tgs系列半導(dǎo)體氣體傳感器。cdm4161是費加羅公司生產(chǎn)的一種co2氣體濃度測試模塊，其內(nèi)部集成了tgs4161 co2氣體傳感器以及picl6lf88單片機(jī)，cdm4161對空氣中co2氣體濃度的測量范圍為4004000 ppm，并且在空氣中對co2氣體有高選擇性而對一氧化碳和甲烷等氣體不敏感，cdm4161內(nèi)部集成的單片機(jī)可對傳感器采集到的信號處理和自動校準(zhǔn)，以使其輸出的電平值與co2氣體的濃度保持良好的線性關(guān)系。cdm4161對外提供5個引腳，其引腳的功能描述如表3.1所示。表3.1 cdm4161引腳功能描述引腳序號引腳名

8、稱引腳功能1vin+5v電源2vcone二氧化碳濃度測試輸出3ctrl控制信號輸出4trbl故障信號輸出5gnd接地端 工作時cdm4161引腳l接+5 v電源，引腳2輸出電壓范圍04-4 v。相當(dāng)于co2氣體濃度范嗣為4004 000 ppm。該模塊允許用戶通過跳線設(shè)置4檔極限值，當(dāng)監(jiān)測到的co2濃度高于設(shè)定值時。引腳3輸出高電平以驅(qū)動外部通風(fēng)設(shè)備，反之監(jiān)測到的co2濃度由高轉(zhuǎn)低，且低于某一門限值時，引腳3輸出電平也由高變低關(guān)閉外圍控制設(shè)備，cdm4161板上跳線與所設(shè)定極限值以及引腳3輸出電位的變化關(guān)系如表3.2所示。引腳4在傳感器故障時輸出低電位，可通過該引精品.腳連接蜂鳴器以及時監(jiān)測c

9、dm4161工作狀態(tài)。cdm4161模塊有3個工作狀態(tài)指示燈，當(dāng)模塊上電時cdm4161需要預(yù)熱2 h，比時板上綠燈閃爍，而后進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，綠燈常亮。當(dāng)引腳3輸出高電位時，紅燈閃爍，當(dāng)模塊內(nèi)部傳感器故障時黃燈閃爍。表3.2 cdm4161跳線方法檔級跳線插座jp3跳線插座jp4二氧化碳濃度設(shè)定值/ppm引腳3電位 變化1斷斷8007200低到高高到低2斷連1000900低到高高到低3連斷15001350低到高高到低4斷斷20001800低到高高到低3.2 放大電路 放大電路是增加電信號幅度或功率的電子電路。應(yīng)用放大電路實現(xiàn)放大的裝置稱為放大器。它的核心是電子有源器件，如電子管、晶體管等。

10、為了實現(xiàn)放大，必須給放大器提供能量。常用的能源是直流電源，但有的放大器也利用高頻電源作為泵浦源。放大作用的實質(zhì)是把電源的能量轉(zhuǎn)移給輸出信號。輸入信號的作用是控制這種轉(zhuǎn)移，使放大器輸出信號的變化重復(fù)或反映輸入信號的變化。現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，電信號的產(chǎn)生、發(fā)送、接收、變換和處理，幾乎都以放大電路為基礎(chǔ)。20世紀(jì)初，真空三極管的發(fā)明和電信號放大的實現(xiàn)，標(biāo)志著電子學(xué)發(fā)展到一個新的階段。20世紀(jì)40年代末晶體管的問世，特別是60年代集成電路的問世，加速了電子放大器以至電子系統(tǒng)小型化和微型化的進(jìn)程。精品. 現(xiàn)代使用最廣的是以晶體管(雙極型晶體管或場效應(yīng)晶體管)放大電路為基礎(chǔ)的集成放大器。大功率放大以及高頻、微

11、波的低噪聲放大，常用分立晶體管放大器。高頻和微波的大功率放大主要靠特殊類型的真空管，如功率三極管或四極管、磁控管、速調(diào)管、行波管以及正交場放大管等。3.2.1 放大電路的特點一、有靜態(tài)和動態(tài)兩種工作狀態(tài)，所以有時往往要畫出它的直流通路和交流通路才能進(jìn)行分析;二、電路往往加有負(fù)反饋，這種反饋有時在本級內(nèi)，有時是從后級反饋到前級，所以在分析這一級時還要能瞻前顧后。在弄通每一級的原理之后就可以把整個電路串通起來進(jìn)行全面綜合。3.2.2放大電路的性能指標(biāo)電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻是放大電路的三個主要性能指標(biāo)，分析這三個指標(biāo)最常用的方法是微變等效電路法，這是一種在小信號放大條件下，將非線性的三極管

12、放大電路等效為線性放大電路。1放大倍數(shù)放大倍數(shù)又稱增益，它是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)。根據(jù)需要處理的輸入和輸出量的不同，放大倍數(shù)有電壓、電流、互阻、互導(dǎo)和功率放大倍數(shù)等，其中電壓放大倍數(shù)應(yīng)用最多。2輸入電阻 放大電路的輸入電阻是從輸入端向放大電路內(nèi)看進(jìn)去的等效電阻，它等于放大電路輸出端接實際負(fù)載電阻后，輸入電壓與輸入電流之比，即ri=ui/ii。對于信號源來說，輸入電阻就是它的等效負(fù)載。精品.輸入電阻的大小反映了放大電路對信號源的影響程度。輸入電阻越大，放大電路從信號源汲取的電流(即輸入電流)就越小，信號源內(nèi)阻上的壓降就越小，其實際輸入電壓就越接近于信號源電壓，常稱為恒壓輸入。反之，當(dāng)要求恒

13、流輸入時，則必須使rirs;若要求獲得最大功率輸入，則要求ri=rs，常稱為阻抗匹配。3輸出電阻對負(fù)載而言，放大電路的輸出端可等效為一個信號源。輸出電阻越小，輸出電壓受負(fù)載的影響就越小，若ro=0，則輸出電壓的大小將不受rl的大小影響，稱為恒壓輸出。當(dāng)rl整定值引風(fēng)機(jī)工作yn顯示實時濃度 延時5秒圖4.1系統(tǒng)程序流程圖5 總結(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)的設(shè)計主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。根據(jù)設(shè)計前對該系統(tǒng)所要實現(xiàn)功能的要求，綜合考慮采用at89c51單片機(jī)為控制核心。由于所學(xué)知識的限制，本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能不是很健全，但在設(shè)計該系統(tǒng)的過程中，讓我學(xué)會了系統(tǒng)設(shè)計的方法，和養(yǎng)成了系統(tǒng)思考的思維方式。首先要了解

14、系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能；其次根據(jù)功能去選擇相應(yīng)的硬件資源；再次將一個大的系統(tǒng)進(jìn)行模塊化劃分，然后逐一去攻破。最后把所有模塊進(jìn)行優(yōu)化整合，便得到了一個完整的系統(tǒng)?；谶@樣的思路，我完成了室內(nèi)空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)的基本設(shè)計。系統(tǒng)的控制具有運(yùn)行可靠、功能齊全、投資低等特點。同時，利用單片自身 的數(shù)據(jù)處理功能使整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)線路更為簡單、控制更為方便、系統(tǒng)更易于維護(hù)。在系統(tǒng)中，我們利用光電傳感器對信號進(jìn)行檢測，并將經(jīng)過信號處理模塊單元處理后的信號送入單片機(jī)p10端進(jìn)行單位時間內(nèi)的計數(shù)。再由單片機(jī)根據(jù)所檢測的信號數(shù)量與二氧化碳比值關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示。從而實現(xiàn)工作是否正常運(yùn)行做出了一定的監(jiān)測。為系統(tǒng)能

15、夠安全、正常運(yùn)行提供了基礎(chǔ)。 本次設(shè)計當(dāng)然還存在一些或多或少的問題，特別是與傳感器的實際工作情況還有一定的差距還有很多現(xiàn)實性的干擾沒能考慮進(jìn)去。由于時間有限，所設(shè)計的東西只能在理想狀態(tài)下正常工作，這是我下來之后所要對自己設(shè)計的東西進(jìn)行改進(jìn)的地方。精品. 6 致謝 在本次課程設(shè)計過程中，郭老師對該設(shè)計的構(gòu)思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與教導(dǎo)，使我和我的同伴最終得以順利完成本次課程設(shè)計。在此我致上誠摯的謝意。 在設(shè)計過程中所涉獵的各種軟件（如visio、protel、protuse 、keil）也使我的知識構(gòu)架更為豐富。同時，通過這次做課程設(shè)計我也及時發(fā)現(xiàn)自己知識點上的漏洞，真正起到了查漏補(bǔ)缺

16、的效果。 這次課程設(shè)計能夠順利完成，我也非常感謝在我身邊默默幫助與支持的朋友。因為從他們身上我不僅學(xué)得了很多實用的專業(yè)知識，同時也學(xué)到了團(tuán)隊合作精神的重要性獲得了更為堅實的友誼，學(xué)會了從不同的角度去思考和看待問題。 在學(xué)習(xí)中,郭老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模，導(dǎo)師的高深精湛的造詣與嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)精神，將永遠(yuǎn)激勵著我。在此，感謝郭老師的支持和幫助，致以衷心的感謝和崇高的敬意。精品.精品.7參考文獻(xiàn)1 徐科軍主編.傳感器與檢測技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2008 2 譚浩強(qiáng)主編.c程序設(shè)計（第三版）.北京：清華大學(xué)出版

17、社，2005 3 謝自美主編.電子線路設(shè)計實驗測試.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.8 4 張毅剛主編.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社.2009 5 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京：高等教育出版社，2006 6 袁鵬平主編.protel 99電路設(shè)計實用教程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006.10 7 楊天怡主編.微機(jī)計算機(jī)控制技術(shù).重慶：重慶大學(xué)出版社 8 劉靖編.單片機(jī)控制技術(shù).北京：北京理工大學(xué)出版社.2008.06精品.附錄一：相關(guān)程序#include /調(diào)用外函數(shù)/ #include #include #include #include #include #incl

18、ude /*初始化cpu*/ void init_cpu() /初始化cpu ea=1; tr0=1; 精品. tr1=1; tmod=0x11; th1=0x3c; tl1=0xb0; /*void time1(void) interrupt 3 using 1 th1=(65536-50000)/256; tl1=(65536-50000)%256; keyval=p1; * /初始化cpu結(jié)束/ void main_menu_initial() /lcd主菜單初始化./ main1_menu0.menu_count=4; /有4個菜單項./ main1_menu0.display=mea

19、surearray; /定義一個”開始測量“數(shù)組/main1_menu0.subs=null; main1_menu0.children_menus=measure_menu; /當(dāng)前菜單子菜單 的指針 main1_menu0.parent_menus=null; /還有“數(shù)據(jù)存儲”、“時間設(shè)置”/ void measure_menu_initial() /“開始測量”菜單設(shè)置/ measure_menu0.menu_count=2; measure_menu0.display=qr; /開始測量函數(shù), 確認(rèn). measure_menu0.subs=start_measure_function

20、; /開始測量函數(shù) measure_menu0.children_menus=null; measure_menu0.parent_menus=main1_menu; measure_menu1.menu_count=2; 精品. measure_menu1.display=qx; /開始測量函數(shù), 取 消. measure_menu1.subs=null; measure_menu1.children_menus=null; measure_menu1.parent_menus=main1_menu; /還有void store_menu_initial()、void time_menu_i

21、nitial()/ void led_menu_pro() max_item=menu_led-menu_count; switch(keyval) case 0: break;case 1: /向上鍵. if(user_choosen=0) user_choosen=max_item; shuaxin=1; user_choosen-; break; /“向上”“向下”“確認(rèn)”“取消”鍵/精品. if(shuaxin) /是否需要刷新lcd標(biāo)志位. clr_scr(); shuaxin=0; led_menu_show(); v oid led_menu_show() uchar n; max_item=menu_led-menu_count; if (max_item=4) /菜單項為3則表示為主菜單. for(n=0;n4;n+) draw_bmp(n*2,20,96,0,menu_ledn.display); select_item(user_choosen