單片機二氧化碳濃度檢測

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要目前，汽車已經(jīng)很普及，尤其是城市里，它已經(jīng)成為大部分都市人的代步工具。經(jīng)濟越發(fā)達的地方汽車越普遍。于此同時汽車的性能也在不斷提高。人類的生活離不開氧氣的存在，由于汽車是封閉的空間，這就需要駕駛員可以及時換氣，保證車內(nèi)有足夠的氧氣。系統(tǒng)采用單片機自動控制技術(shù)，自動檢測車內(nèi)二氧化碳的濃度，及時提醒駕駛員通風換氣。系統(tǒng)的總體布置有四個部分組成：數(shù)據(jù)采集，信號處理，控制執(zhí)行部件，串口通訊部分。系統(tǒng)主要有下列功能：通過傳感器檢測二氧化碳濃度，經(jīng)過放大處理和轉(zhuǎn)換器，濃度值顯示在LCD上。當采集的濃度值超過設(shè)定值時，報警電路及時反應(yīng)，發(fā)出警報。系統(tǒng)是以AT89C51為核心控制元件設(shè)計的。

2、成本低，技術(shù)開發(fā)難度小，適用性強，靈活性好。關(guān)鍵詞 CO2 測控 單片機AbstractAt present, cars have become very popular, especially in the city. Car become most people's transport. The more developed economy where the common car. At the same time the performance of the car also is rising ceaselessly. Life can not do without the

3、presence of oxygen. As the car is closed space, this needs the driver can timely ventilation, to ensure that the car have enough oxygen.System USES single-chip microcomputer automatic control technology, automatic inspection in the concentration of carbon dioxide, timely remind the driver of ventila

4、ted take a breath.System layout has four parts: data acquisition, signal processing, control executive part, serial communication part.System mainly has the following functions: through the sensor to test the carbon dioxide concentration, after amplification processing and converter, and displayed o

5、n the LCD. When the acquisition of the density than set value, alarm circuit, a timely response. This system based on AT89C51 as the core control component design. Low cost, technology development difficulty small, applicability, mobility is goodKey words CO2 measurement and control Single Chip Micr

6、ocomputer基于單片機車內(nèi)二氧化碳濃度測控系統(tǒng)目錄摘要1Abstract2第二章 總體方案的設(shè)計62.1系統(tǒng)的功能要求62.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計62.3系統(tǒng)工作原理72.4元器件的選擇7單片機的選擇7二氧化碳傳感器的選擇8模擬信號轉(zhuǎn)換器的選擇112.4.4 顯示器的選擇132.5鍵盤的選擇142.6本章小結(jié)15第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計163.1 微控制器的概述163.2 二氧化碳傳感器電路設(shè)計183.3 A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路圖203.4 LCD顯示電路203.5 報警電路213.6鍵盤電路的連接223.7本章小結(jié)22第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計234.1 主程序流程圖設(shè)計234.2 ADC

7、0809流程圖設(shè)計244.3顯示流程圖設(shè)計264.4按鍵流程圖274.5本章小結(jié)30結(jié)論31參考文獻32致謝33第一章 緒論1.1設(shè)計背景與研究意義 據(jù)調(diào)查報告顯示，中國作為一個汽車新興大國，去年已經(jīng)成為世界最大的汽車生產(chǎn)國和第一大新車市場，汽車保有量近幾年迅速擴大。專家預測中國汽車產(chǎn)量未來幾年將達到4000萬輛，甚至2030年將達到7000萬輛。汽車的保有輛在增加，這對于汽車自身的性能就有更高的要求。比如在尾氣處理方面，汽車越多對空氣污染越大，這就要求在汽車制造技術(shù)方面做改變，滿足保有量增加的同時，更能滿足消費者的需求。汽車的環(huán)境比較封閉，而人類的生存離不開氧氣。大氣中氧氣占21%，氮氣占7

8、8%，其他氣體占1%。二氧化碳只是占這1%的少部分，大約300ppm。二氧化碳是植物生存的必要條件，其作用并不因為其含量少而被忽視。在封閉空間和公共場所對二氧化碳的測控很重要，防止造成人們?nèi)毖?，從而危及到人們的生命安全。二氧化碳的濃度越高對人體的傷害就越大，所以對于二氧化碳濃度測控系統(tǒng)的研究意義深遠，直接關(guān)系到人類的生活質(zhì)量和人身安全。目前電子技術(shù)迅速發(fā)展，大規(guī)模集成電路運用也很廣泛，這些都為人們的生活帶來巨大的變化，生活質(zhì)量在提高，對于這寫產(chǎn)品要求也在變高。傳感器的技術(shù)越來越完善，產(chǎn)品性能在提高。各類技術(shù)的發(fā)展為這個課題的研究提供了保障，和一定的基礎(chǔ)。1.2系統(tǒng)的功能要求系統(tǒng)要求分析主要是通

9、過系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能對各個模塊部分應(yīng)該所具備的功能進行分析。系統(tǒng)基于單片機AT89C51單片機，實現(xiàn)對于車內(nèi)二氧化碳濃度的測量并且在超過設(shè)定值時及時報警。系統(tǒng)所需的功能有：實現(xiàn)對車內(nèi)二氧化碳濃度的測量；報警功能；按鍵控制；LCD顯示功能。對于各功能有以下的要求。（1） LCD可以準確顯示二氧化碳濃度，測量結(jié)果動態(tài)變化，并且可以通過設(shè)置切換界面菜單。（2） 當二氧化碳濃度超過設(shè)置時報警電路可以發(fā)出警報。（3） 菜單界面可以通過鍵盤控制。（4） 系統(tǒng)可以復位1.3系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計思路系統(tǒng)是基于單片機完成對于車內(nèi)二氧化碳濃度的測控和報警的工作。通過各個電路的連接和元器件的連接檢測二氧化碳的濃度，

10、并且顯示在顯示器上，當濃度超過設(shè)定值時，報警電路發(fā)出警報，提醒車內(nèi)人員及時通風換氣。該系統(tǒng)是以AT89C51為核心控制元件而設(shè)計的，通過外圍電路的設(shè)計，利用顯示器和報警電路，完成二氧化碳濃度測控，顯示，報警。系統(tǒng)以AT89C51為中心，對車內(nèi)二氧化碳濃度值進行采集，轉(zhuǎn)換，處理，控制。由二氧化碳傳感器對車內(nèi)二氧化碳濃度數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換，實時顯示在LCD上。顯示器界面上的報警值由車內(nèi)人員通過按鍵，當濃度值超過設(shè)定值時發(fā)出警報，車內(nèi)人員進行換氣。第二章 總體方案的設(shè)計2.1系統(tǒng)的功能要求系統(tǒng)要求分析主要是通過系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能對各個模塊部分應(yīng)該所具備的功能進行分析。系統(tǒng)基于單片機AT89C5

11、1單片機，實現(xiàn)對于車內(nèi)二氧化碳濃度的測量并且在超過設(shè)定值時及時報警。系統(tǒng)所需的功能有：實現(xiàn)對車內(nèi)二氧化碳濃度的測量；報警功能；按鍵控制；LCD顯示功能。對于各功能有以下的要求。（5） LCD可以準確顯示二氧化碳濃度，測量結(jié)果動態(tài)變化，并且可以通過設(shè)置切換界面菜單。（6） 當二氧化碳濃度超過設(shè)置時報警電路可以發(fā)出警報。（7） 菜單界面可以通過鍵盤控制。（8） 系統(tǒng)可以復位。2.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計1:數(shù)據(jù)采集通過信號采集電路采集信號，經(jīng)過傳感器，再經(jīng)過放大電路放大信號后送往AD轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字信號，這就完成了信號的采集。二氧化碳濃度值由二氧化碳濃度傳感器MS4100測得

12、。2:控制部分系統(tǒng)中控制主要采用獨立式按鍵，用來設(shè)置報警值以及其他的菜單選項，同時還具有按鍵復位的功能。獨立式鍵盤適應(yīng)了靈活性要求，所以系統(tǒng)采用該種鍵盤完成控制。3:顯示部分因為要實時顯示二氧化碳的濃度值，供車內(nèi)人參考，所以必須選擇顯示器完成。同時可以完成畫面的切換，根據(jù)個人需要，通過獨立式按鍵可以設(shè)定菜單中的不同數(shù)值。本系統(tǒng)采用LCD顯示器，方便簡單。4:報警電路僅僅有畫面顯示濃度并不完善，系統(tǒng)還用了報警電路，當濃度超過設(shè)定值時，及時發(fā)出警報，提醒車內(nèi)人員采取措施。保證適宜的環(huán)境。AT89C51控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制部分顯示部分報警電路圖設(shè)計框圖二氧化碳的濃度為非電量信號，不能由單片機直接處理

13、，需要先經(jīng)過傳感器，將二氧化碳的濃度（非電量信號）轉(zhuǎn)換成電壓信號（電量信號）。然后由單片機進行處理，將采集到的電信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二氧化碳濃度值。再通過單片機控制液晶顯示濃度值，并且控制當濃度超過限定值時報警電路發(fā)出警報，提醒車內(nèi)人員通風換氣。獨立式按鍵設(shè)置單片機的最大濃度值，控制界面顯示菜單。2.3系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)以AT89C51為中心，對車內(nèi)二氧化碳濃度值進行采集，轉(zhuǎn)換，處理，控制。由二氧化碳傳感器對車內(nèi)二氧化碳濃度數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換，實時顯示在LCD上。顯示器界面上的報警值由車內(nèi)人員通過按鍵，當濃度值超過設(shè)定值時發(fā)出警報，車內(nèi)人員進行換氣。2.4元器件的選擇2.4.1單片機的選擇本系

14、統(tǒng)的核心是單片機，也稱微處理器或嵌入式控制器。單片機按其用途可分為通用型和專用型兩大類。一般所選用的是通用型單片機。根據(jù)其基本操作的為首可以分為：1位單片機，4位單片機，8位單片機，16位單片機，32位單片機。其中1位和4位單片機只適用于非常簡單的控制操作。16位和32位單片機集成度高，性能優(yōu)越，但是價格比較昂貴。而8位單片機以其小巧靈活，價格低廉的優(yōu)勢，使它的產(chǎn)量占整個單片機市場很大銷量。8位單片機將在最近若干年仍是工業(yè)檢測和控制應(yīng)用的主角。各種系列的單片機很多，常見的有Motorola單片機，MicroChip單片機，MDT20XX系列單片機，EPSON單片機，東芝單片機，8051單片機。

15、各類單片機各有優(yōu)缺點。比如Motorola單片機高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。MicroChip單片機運行速度快，低工作電壓，低功耗，較大的輸入輸出直接驅(qū)動能力， 價格低，一次性編程，小體積， 適用于用量大，檔次低，價格敏感的產(chǎn)品。8051單片機具有低功耗，易用，靈活，體積小，兼容性強，性能價格比高等特點。綜合考慮到該系統(tǒng)應(yīng)用簡單，不需要太完善的系統(tǒng)就可以完成指定的工作，因此就選擇常用的8051單片機。8051單片機又分很多產(chǎn)品，比如GMS90單片機，MCS-51單片機，89C51/52，89C2051單片機。而后來發(fā)展起來的AT89C51，它與MCS-51單片機在內(nèi)

16、部功能、引腳以及指令系統(tǒng)方面完全兼容 。繼承了MCS-51單片機的原有功能，內(nèi)部又含有大容量的Flash存儲器，又增加了新的功能，如看門狗定時器WDT、ISP及SPI串行接口技術(shù)等，因此在電子產(chǎn)品開發(fā)及智能化儀器儀表中有著廣泛的應(yīng)用，是目前取代MCS-51系列單片機的主流芯片之一。 該單片機和S系列的單片機相比功能和優(yōu)點次之，不如其完善。但是該單片機完全可以完成指定工作，節(jié)約成本。價格適中。因此選用AT89C51單片機。該單片機采用靜態(tài)COMS工藝制造，最高工作頻率為24MHZ，它的資源如下：（1）4KB的內(nèi)部FLASH程序存儲器，可以實現(xiàn)3個級別的程序存儲器保護功能。（2）128字節(jié)的內(nèi)部數(shù)

17、據(jù)存儲器。（3）32個可編程I/O引腳。（4）2個16為計數(shù)器/定時器。（5）6個中斷源，2個優(yōu)先級別。（6）1個可編程的串行通信寄存器。2.4.2二氧化碳傳感器的選擇氣體檢測的傳感器，目前按照氣敏特性來分，主要分為：半導體型，電化學型，固態(tài)電解質(zhì)型，接觸燃燒型，光化學型等傳感器。其中又以前兩種最為普遍。本系統(tǒng)選用的元器件綜合各方面的因素選擇方案如下：1：能選擇性地檢測某種單一的氣體，而對共存的其他氣體不響應(yīng)；2：對被測氣體應(yīng)具有高度的靈敏，能檢測規(guī)定允許范圍下的氣體濃度；3：信號響應(yīng)速度快，再現(xiàn)性高；4：長期工作穩(wěn)定性好；5：制造成本和使用和價格低廉；6：維護方便。方案一：例如選用半導體型氣

18、傳感器SnO，這類傳感器可以檢測二氧化碳濃度。它可以通過添加各催化劑及助催化劑在一定程度上改變其氣敏特性對象，卻很難消除對其他還原性氣體的共同響應(yīng)，并且它的信號響應(yīng)性范圍很窄，因此一般只能用于定性及半定量范圍的氣體檢測。方案二：二氧化碳傳感器相對于其他的煙霧傳感器價格比較昂貴，而且技術(shù)相對成熟的產(chǎn)品大多依賴進口，例如：二氧化碳傳感器6400，小巧，緊湊，專門設(shè)計與內(nèi)置產(chǎn)品或者設(shè)備中的，來自于美國。它是一種附加或者完整的氣體檢測元件。可以被用于以微處理器為基礎(chǔ)的控制器和控制儀器，主要部分包括：鍍金光學傳感部件，以及提供校對數(shù)字。但是這類傳感器價格昂貴，另外測量范圍是適用于人群集中的公共場合。對于

19、車內(nèi)的二氧化碳濃度檢測效果不是太明顯。因此本系統(tǒng)部不采用這款常用的檢測器。方案三：固態(tài)電解質(zhì)傳感器，顧名思義就是以固體離子導電為電解質(zhì)的化學電池。它介于半導體和電化學之間。選擇性和靈敏度高于半導體而壽命又長于電化學，所以得到了廣泛的應(yīng)用。這類傳感器具有對二氧化碳反應(yīng)靈敏，受溫度和濕度影響較小，成本低的特點。MS4100在眾多二氧化碳傳感器中價格比較適中，性能也比較穩(wěn)定。又綜合考慮以上選擇的原則。因此該系統(tǒng)選用該型號傳感器。MS4100實物圖如下所示： 圖MS4100實物圖表產(chǎn)品型號MS4100備注傳感元件類型固體電解質(zhì)目標氣體CO2測量范圍（200-30000ppm）在標準測試條件的電氣特征R

20、H加熱器電阻15.5±0.3VH加熱器電壓5.0V±0.05VPH功率消耗680mWEMF電動勢470-540mV(CO2的濃度為400ppm時)AMP放大的100G傳感器特征響應(yīng)時間（T90）反應(yīng)：5S 恢復：10S開始穩(wěn)定時間（T95）60分鐘靈敏度斜率（）55-65MS4100傳感器工作原理：本系統(tǒng)采用的二氧化碳傳感器MS4100為固態(tài)電解質(zhì)測量方式，具有對二氧化碳反應(yīng)靈敏，受溫度濕度影響較小，成本低的特點。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖輸出電壓和濃度曲線關(guān)系如下所示：圖 b 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖2.4.2 c 濃度和輸出電動勢關(guān)系圖圖中濃度與輸出電動勢的關(guān)系表達式為:EMF=(EMFO)- *

21、LogC其中，EMFO是二氧化碳為0ppm,時輸出的電壓，一般為470到540mv之間。R為曲線的斜率，一般在55到57之間。Concentration代表二氧化碳濃度，單位為ppm。EMF為實際電壓，即為1腳和6腳的電壓差。在圖中可以知道，傳感器電源供電端為3腳和4腳。此傳感器的電源端為加熱器供電。電源接入方向沒有要求。當加熱器加熱到一定溫度時，電解質(zhì)部分才能和空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，此時1腳和6腳產(chǎn)生電動勢。1腳和6腳的電動勢關(guān)系滿足上式。其中EMFO=534，R=65為廠商提供的溫度在25攝氏度，溫度為65%時的標定值。由于沒有標準的二氧化碳的標準測量儀來進行標定，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理采用廠

22、家提供的標準。二氧化碳傳感器的測量濃度單位為：百萬分單位ppm。600ppm濃度的二氧化碳意味著：每1000000公升的空氣中有600公升的二氧化碳。2.4.3模擬信號轉(zhuǎn)換器的選擇目前可供選擇的A/D轉(zhuǎn)換器品種繁多，按其轉(zhuǎn)換原理課分為以下4中類型。(1) 計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器：結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換速度慢，很少采用。(2) 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾性強，價格便宜，但轉(zhuǎn)換速度不理想，常用于數(shù)字式測量儀表。(3) 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器：結(jié)構(gòu)不太復雜，分辨率高，轉(zhuǎn)換速度高，價格適中，被計算機廣泛應(yīng)用為接口電路。(4) 并行A/D轉(zhuǎn)換器：速度快，但結(jié)構(gòu)復雜造價高，只用于需要極高轉(zhuǎn)換速度的場合。A

23、/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標有：分辨率，轉(zhuǎn)換時間，量程，絕對精度，相對精度。常用的是雙積分型和逐次逼近型，雙積分型主要用于速度要求不高的場合，逐次逼近型主要用于速度要求較高的場合。該系統(tǒng)要求顯示器能及時更新車內(nèi)二氧化碳的濃度，二氧化碳的濃度值是一個變化量，因此速度要求較高。通過比較，逐次逼近型比較適合該系統(tǒng)使用。方案一：如采用TLC7135雙積分型轉(zhuǎn)換器，雖然抗干擾性強，成本不高，但是其轉(zhuǎn)換速率過低，對于該系統(tǒng)要求的能實時顯示濃度的功能不能滿足。方案二： 如采用MAX197并行多通道芯片。該芯片支持12位精度，8路輸入通道選擇的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換芯片，常常使用在對精度要求較高的應(yīng)用系統(tǒng)中。其特點

24、優(yōu)越，如下：1：提供12為分辨率，誤差正負1/2（LSB）的采樣精度；2：采用5V;3：可以通過軟件選擇輸入量，支持正負10V，正負5V，010V，05V；4：提供8路信號輸入通道；5：提供100KSPS的采樣速率；6：可用通過軟件選擇內(nèi)部或外部工作時鐘；7：可以選擇使用內(nèi)部4.096V電壓基準和外部電壓基準；8：提供和51單片機完全兼容的三態(tài)總線接口。其性能優(yōu)越，精度又較高，通過以上的特點分析看出幾本符合本系統(tǒng)的要求，可以選用。但是這款轉(zhuǎn)換器價格昂貴，另外本系統(tǒng)并不需要萬分精確的數(shù)據(jù)，如果選用此款轉(zhuǎn)換器顯得大材小用，過于浪費。方案三：選用ADC0809轉(zhuǎn)換器。ADC0809是美國國家半導體公

25、司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。并且價格比較適中。特點如下：（1）逐次比較型，單電源供電，就三態(tài)輸出鎖存；（2）輸出與TTL兼容，無外部進行0點和滿度調(diào)整；（3）8為你分辨率，最大非線性誤差正負0.4%LSB；（4）轉(zhuǎn)換時間為100us存取時間為135us（5）功耗為15mW引腳功能說明如下：（1） IN0-IN7：8路輸入通道的模擬量輸入端口；（2） DO-D7:8為數(shù)字量輸出端口；（3） START,ALE：STA

26、RT為啟動控制輸入端口，ALE為地址鎖存器控制信號端口，這兩個端口可以連接在一起輸入一個正脈沖時，便啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換；（4） EOC,OE：EOC為轉(zhuǎn)換輸出結(jié)束信號脈沖輸出端口，OE端的電平由低變高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量輸出到哦數(shù)據(jù)總線上。（5） REF(+)，REF(-)：REF(+)和REF(-)為參考電壓輸入端；（6） CLK：時鐘輸入端（7） ADD-A,ADD-B,ADD-C：8路模擬量的三位地址選通輸入端，以選擇對應(yīng)的輸入通道。通過以上的特點分析，這款轉(zhuǎn)換器雖然過時，但是本系統(tǒng)的要求俄安全可以達到，雖然有更完善的種類，但是綜合以上的因素，選擇性價比高的ADC0809轉(zhuǎn)換

27、器。2.4.4 顯示器的選擇在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，通常使用鍵盤作為實現(xiàn)人機對話功能的輸入設(shè)備，采用LCD或LED顯示器作為實現(xiàn)人機對話功能的輸出設(shè)備。LED為發(fā)光二極管顯示器，其特點如下：高亮度，色彩豐富，壽命長，功耗小，性能穩(wěn)定，驅(qū)動簡單，工作電壓低，微型化易與集成電路匹配。但是市場上的LED很薄，對于放在車子這種顛簸的場合不合適。需要的驅(qū)動電流也較大。LCD特點如下：LCD為液晶顯示器，其特點為功耗極低，但亮度較小，成本較高。畫面細膩，視覺感好。而且LCD顯示質(zhì)量高，沒有電磁輻射，相對于LED比較耐用。對于放在車里的顯示器難免碰到和震蕩，因此選用LCD比較好。名貴的車用成本高的顯示器更不足為

28、奇。因此本系統(tǒng)選用LCD作為顯示器。MSC51對LCD管的顯示可以分為動態(tài)和靜態(tài)兩種。按其功能可分為（字段式）筆段式和點陣式兩種。其在現(xiàn)實生活中作用越來愈大。在靜態(tài)顯示的方式下，本系統(tǒng)只需要顯示二氧化碳的濃度值，都是字符，對于該系統(tǒng)來說2行的字符16個字就可以顯示二氧化碳的濃度值。綜合考慮所以選用常見的LCD1602液晶顯示模塊。在靜態(tài)顯示的方式下，每一位顯示器的字段需要一個8位I/O口，公共端可以直截接+5V電源。該顯示器可顯示兩行。并且價格比較合適。LCD1602采用標準的16腳接口，其中：第一腳：VSS為電源地第二腳：VDD接+5V電源第三腳：VEE為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對

29、比度最弱，接地電源時對比度最強。第四腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平0時選擇指令寄存器。第五腳：RW為讀寫信號線，高電平1時進行讀操作，低電平0進行些操作。第六腳：E(EN)端為使能端。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背光電源。15腳為背光正極，16腳為背光負極。其特點如下：LCD1602模塊由控制器HD44780，驅(qū)動器HD44100和液晶板組成。HD447800是典型的顯示控制器，它控制和驅(qū)動為一體，本身就可以驅(qū)動單行16個字符和兩行8個字符。2.5鍵盤的選擇鍵盤是控制單片機系統(tǒng)的最直接的手段，應(yīng)用鍵盤可以大大提高工作效率。在不同的控制系統(tǒng)中

30、，鍵盤的組成形式有較大的差別，他往往根據(jù)按鍵的數(shù)量和種類來決定，最基本的有獨立式和矩陣式。獨立式鍵盤每個按鍵之間都是獨立的，每一個按鍵通過一根輸入線與單片機I/O口相連。獨立式鍵盤電路簡單，軟件設(shè)計也比較方便適用于按鍵較少的場合。直接和I/O口相連構(gòu)成單個按鍵回路，配置靈活。按鍵較多時采用矩陣式按鍵，節(jié)省硬件資源。但是軟件設(shè)計復雜。本系統(tǒng)需要按鍵較少，控制功能比較單一，I/O口完全夠用，軟件的工作量也小。因此采用獨立式鍵盤。本系統(tǒng)采用三個獨立按鍵，對于本系統(tǒng)而言，只需要完成兩個動作就可以實現(xiàn)濃度值的檢測和報警：控制菜單界面的設(shè)置，最大濃度值的設(shè)置。三個按鍵可以完成整套的動作。51單片機常用的按

31、鍵開關(guān)分為兩類：觸點式按鍵開關(guān)，該類開關(guān)造價低，手感好。無觸點式按鍵開關(guān)，該類開關(guān)壽命較高。因此采用無觸點式按鍵開關(guān)保證壽命節(jié)約更換和維修成本。2.6本章小結(jié)在本章中主要介紹總體方案設(shè)計，其中包括各類系統(tǒng)功能要求，總體設(shè)計，工作原理，各類元器件的選擇。在選擇元器件的時候不僅需要滿足系統(tǒng)的要求，還需要遵循一般的選擇原則，選擇性價比高的元器件，還要兼顧維修成本和使用壽命。在選擇方案上做了比較之后確定需要的元件。第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1 微控制器的概述計算機的產(chǎn)生加快了人類改變世界的步伐，但是計算機的體積不小。微控制器就是在這樣的情況下產(chǎn)生的。它把中央處理器CPU，隨機存儲器RAM，只讀存儲

32、器ROM，輸入/輸出端口(I/O)等主要計算機部件都集中在一塊集中電路芯片上的微型計算機。它的結(jié)構(gòu)和指令都是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計的，在只能控制系統(tǒng)中，微控制器得到了廣泛的應(yīng)用。 AT89C51單片機的特點市場上流行的單片機種類主要有Intel公司，Atmel公司和Philip公司的8051系列單片機，Motorola公司的M6800系列單片機，Intel公司的MCS-51單片機。各個系列單片機各有所長，在處理速度，穩(wěn)定性，I/O能力，功耗，功能，價格等方面各有優(yōu)劣。本系統(tǒng)選用AT89C51單片機。該單片機除了上述的特點還有如下特性：（1） 可以兼容MCS-51指令系統(tǒng)（2） 數(shù)據(jù)保留時間為十

33、年（3） 壽命為1000寫/擦循環(huán)（4） 低功耗的閑置和掉電模式引腳功能圖如下：圖AT89C51單片機引腳功能圖各引腳功能如下：P0口：可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位，能夠用于外部程序/數(shù)據(jù)存儲器。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：標準輸入輸出I/O，P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：既可用于標準輸入輸出I/O，也可用于外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器訪問時的高八位地址。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：既可以作標

34、準輸入輸出I/O，也可作為AT89C51的一些特殊功能口，管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信

35、號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA / VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.2 二氧化碳傳感器電路設(shè)計通過上面對

36、MS4100的介紹可以將信號進行放大處理，傳感器的接線圖如下所示：圖3.2傳感器的接線圖6腳和放大電路輸入端連接，即和放大器相連接，作為放大前信號。線路上連接電阻RS，然后連接到放大器的正極，經(jīng)過放大十倍后傳送到ADC0809的IN0口。ADC0809接收數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后將數(shù)據(jù)送入單片機，單片機通過判斷接手的數(shù)據(jù)顯示數(shù)字或者發(fā)出警報。1腳和3腳為電源端，直接和電源相連接。放大電路設(shè)計：本系統(tǒng)的信號放大電路采用同向放大電路，同向放大器有以下特點：（1）輸出電壓與輸入電壓同向，所以叫同向放大器；（2）閉環(huán)放大倍數(shù)不能小于1；（3）輸入阻抗很高；（4）輸出阻抗很低。如下圖：圖3.2

37、.1a 放大電路圖閉環(huán)放大倍數(shù)：（1）Aif=1+R2/R1)(1-1/(AVD) 其中AVD為開運放的開環(huán)放大倍數(shù)。（2）=R1/(R1+R2)為反饋系數(shù)，如果AVD1，則（3）同向輸入放大器電阻RifRif=RID(1+AVD)+RSRID為運放輸入電阻，RS為平衡電阻，要求RS=R1R2/(R1+R2)以減小失調(diào)電流的影響。（5） 同向放大器輸出電阻RofRof=R0/(1+AVD)R0為運放的輸出電阻根據(jù)傳感器的特性可知，本系統(tǒng)中運用的電壓都是+5v，傳感器的輸出電壓范圍在470mv-540mv之間，因此必須放大十倍才可以完成系統(tǒng)的正常工作。通過上面式子可以得知：U0=(1+R2/R1

38、)Ui因此想把該系統(tǒng)中的信號放大十倍只需要1+ R2/R1=10便可以了。其中RS的值為其余兩個電阻并聯(lián)值大小。放大電路圖如下所示:圖b 本系統(tǒng)信號放大電路圖MS4100傳感器的輸出信號腳6輸出信號和放大電路相連，經(jīng)過放大后連接到ADC0809轉(zhuǎn)換器的IN0口上進行，放大后的信號正好和轉(zhuǎn)化器的電壓吻合，轉(zhuǎn)換工作可以正常進行。通過以上公式的計算，選擇的電阻分別為R1=100，R2=900，RS=90。3.3 A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路圖ADC0809控制端口直截接單片機普通I/O口，通過I/O口ADC0809時序，實現(xiàn)對ADC0809的控制，從而獲得最終數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。ADC0809有一個八路模

39、擬開關(guān)，一個地址所存器與譯碼器，一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)課選取8個模擬通道，允許八路模擬量分時輸入，公用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于所存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)完的數(shù)據(jù)。ADC0809時鐘由單片機ALE端4分頻后所得，單片機的晶振頻率的六分之一，即為2MHZ。所以ADC0809的時鐘信號頻率為500KHZ。4分頻信號可有兩級D觸發(fā)器獲得。圖3.3ADC0809接線圖本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，提供給單片機處理。本系統(tǒng)中ADC0809只有一路輸入，即二氧化碳傳感器的放大信號，所以芯片

40、三條地址線選擇直截接地，即只選中INO通道。數(shù)據(jù)端接P0口，其他端口的接線如上圖所示。3.4 LCD顯示電路字符與數(shù)字顯示部分采用LCD1602液晶顯示模塊，LCD1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣圖形，這些字符有l(wèi):阿拉伯數(shù)字，英文字母的大小寫，常用的符號，足夠系統(tǒng)需求的功能要求。每個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符顯示出來。圖3.4 LCD1602接線圖LCD1602因為內(nèi)部有驅(qū)動所以可以和單片機直接相連，如圖D0到D7數(shù)據(jù)端和AT89C51單片機的P2口相連

41、，進行數(shù)據(jù)的傳輸。其中，VEE為顯示器對比度調(diào)整端，對比度過強時會產(chǎn)生鬼影，因此電路中接了10KW的可調(diào)電位器來調(diào)整對比度。BLA和BLK為背光電源的正負極，直接連接電源就可以。RS寄存器選擇端，E使能端，RW讀寫信號和單片機的P1.1，P1.2，P1.3相連。3.5 報警電路圖3.5報警電路圖如圖所示，報警電路由PNP三極管和蜂鳴器構(gòu)成。LS1是一個5v的壓電蜂鳴器，當對其兩個腳施加5v電壓時，便會鳴響。由圖可知，當P1.0輸出低電平時，三極管PNP飽和導通，蜂鳴器響；輸出高電平時，PNP截至，蜂鳴器停止鳴響。通過控制P1.0輸出低電平的時間長短控制鳴響時間的長短。3.6鍵盤電路的連接圖 3

42、.6 鍵盤接線圖如圖3個按鍵接單片機I/O口，通過單片機I/O口的電位判斷是否有鍵按下。在顯示濃度值時可以通過P3.5口按鍵切換菜單。通過P3.6，P3.7來進行濃度值的設(shè)定。在無按鍵的情況下，由于上拉電阻的作用，P3.5，P3.6，P3.7線上輸入均為高電平。當按鍵按下時，與其相連的I/O線得到低電平輸入，其他未按鍵的輸入線上，仍維持其高電平輸入，通過對I/O線的查詢即可識別出哪個按鍵按下。按鍵按下或者釋放都會產(chǎn)生機械抖動，抖動時間一般為10ms。如果不對單片機的按鍵抖動做處理直接讀取。由于單片機在抖動時間內(nèi)可能進行了多次讀取，則會把每次抖動都看作一次按鍵事件而產(chǎn)生錯誤。所以在對按鍵事件處理

43、時必須進行消抖。本系統(tǒng)采用軟件延時10到20ms，再檢測按鍵狀態(tài)，從而進行按鍵消抖。3.7本章小結(jié)本章主要介紹硬件電路的設(shè)計，包括二氧化碳傳感器的電路設(shè)計，放大電路的設(shè)計，A/D轉(zhuǎn)化器和單片機的電路連接設(shè)計，報警電路設(shè)計，鍵盤電路的設(shè)計。在設(shè)計電路時需要具體了解每個元件的每個引腳的功能，才能確定和其他元件的正確連接位置，這就需要查閱詳細的資料，不僅僅全是書本和課堂學到的知識，更多是來自課外的知識和生活常識。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 主程序流程圖設(shè)計程序主要實現(xiàn)的功能：啟動ADC0809進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，進行轉(zhuǎn)換以后將轉(zhuǎn)換的二氧化碳濃度值顯示在液晶顯示器上，當濃度超過設(shè)定值時進行報警。其流程圖如下

44、所示：開始初始化信號采集數(shù)模轉(zhuǎn)換是否完成？數(shù)據(jù)處理延時濃度是否超過設(shè)定值？發(fā)出警報顯示是是否否4.1主程序流程圖4.2 ADC0809流程圖設(shè)計ADC0809是典型的逐次比較A/D轉(zhuǎn)換器，通常都是以二進制碼輸出的，數(shù)據(jù)的輸出符合微處理器數(shù)據(jù)總線的要求?？刂艫DC0809要求按照時序進行。START為啟動轉(zhuǎn)換信號，該信號的上升沿使逐次逼近寄存器復位，從它的下降沿開始進行A/D轉(zhuǎn)換。ALE是地址鎖存信號，在ALE的上升沿，A,B,C被鎖存入地址鎖存器。OE為允許輸出信號，當OE=1時，三態(tài)輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)被送上數(shù)據(jù)總線。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC為高電平，并將結(jié)果送入三態(tài)輸

45、出鎖存器。硬件電路所有控制端口直截接普通I/O口，通過I/O口置高和置低來模擬ADC0809時序。ADC0809程序流程圖如下：主程序：ORG 0000H ；主程序入口地址LIMP MAIN ；轉(zhuǎn)主程序ORG 0013H ；中斷服務(wù)程序入口地址LJMP OVER ；中斷服務(wù)程序 MAIN: MOV R0, #40H ；數(shù)據(jù)區(qū)首址 MOV R1, #08H ；8路模擬信號MOV R2， #00H ；選擇通道IN0SETB EA ；開中斷SETB IT1 ；外中斷邊沿觸發(fā)SETB EX1 ；允許外中斷1MOVX DPTR, #OBFFH ；送0809端口地址MOV A, R2MOVX DPTR,

46、A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換SJMP $ ；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)程序：OVER: CLR EX1 ；關(guān)中斷 MOV DPTR，#0BFFFH ；送0809端口地址 MOVX A, #DPTR ；讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV R0，A ；存入數(shù)據(jù)區(qū) INC R0 ；修改數(shù)據(jù)指針 INC R2 ；修改模擬通道地址 MOV A, R2 DJNZ R1， WAIT ；8路未完繼續(xù) SJMP EDWAIT: SETB EX1 MOVX DPTR, A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換 ED: RETI開始開啟中斷選擇通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否完成？否是關(guān)中斷讀入數(shù)據(jù)結(jié)束4.2ADC0809流程圖4.3顯示流程圖設(shè)計設(shè)置初始值設(shè)置閃爍次數(shù)初始化設(shè)

47、備和顯示數(shù)據(jù)顯示完？結(jié)束是否開始取顯示數(shù)據(jù)延時1.6s顯示閃爍兩次延時1.6s圖4.3顯示流程圖MAIN: ；主程序入口地址標號 MOV SP, #60H ；設(shè)置堆棧指針初始值 MOV R4, #02H ；設(shè)置閃爍次數(shù)為2 CALL LCD_INIT ；調(diào)用LCD模塊初始化子程序LOOP: CALL LCDSETI ；調(diào)用顯示位置設(shè)定子程序1,設(shè)定第一行第一位 MOV DPTR, #CHAR1 ；第一行待顯字符串代碼地址送 DPTR CALL WRTE1 ；調(diào)用字符串送顯子程序，顯示300 MOV A, #0C0H ；顯示第二行左邊第一位的位置設(shè)置 CALL LCD_CMD ；調(diào)用命令字節(jié)發(fā)布

48、子程序 MOV DPTR, #CHAR2 ；第二行待顯示字符串代碼地址送DPTR CALL WRITE1 ；調(diào)用字串送顯子程序，顯示ppm CALL DELAY800 ；延時800ms*2=1.6s CALL DELAY800 CALL SHAN ；調(diào)用閃爍子程序，閃爍兩次 CALL LCDSET2 ；調(diào)用顯示位置設(shè)定子程序2 MOV DPTR, #CHAR3 ；顯示300 CALL WRITE1 ；調(diào)用字符串送顯子程序 MOV A, #0CFH ；調(diào)用第二行右邊第一位位置 CALL LCD_CMD ；調(diào)用命令字節(jié)發(fā)布子程序 MOV DPTR, #CHAR4 ；顯示ppm CALL WRITE

49、1 ；調(diào)用字符串送顯子程序 CALL DELAY800 ；延時800ms*2=1.6s CALL DELAY800 CALL SHAN ；調(diào)用閃爍子程序，閃爍兩次 JMP LOOP ；主循環(huán)跳轉(zhuǎn)指令假設(shè)二氧化碳的濃度為300pp4.4按鍵流程圖開始有鍵按下？置P3口為輸入口延時20ms消抖有鍵按下？按鍵識別按鍵釋放？延時20ms消抖按鍵釋放？延時20ms消抖按鍵釋放？是否否是是RETS1按下？S1處理程序S2按下？S3按下？S2處理程序S3處理程序RET是是是圖4.4按鍵流程圖SCAN_KEY: MOV P3，#OFFH ；置P3口味輸入口 MOV A, P3 ；讀按鍵狀態(tài) ANL A, #00011111B ；提取按鍵S1S3狀態(tài) XRL A, #00011111B ； JZ NO_PRESS ；判斷有無按鍵按下，若無轉(zhuǎn)NO_PRESS ACALL DL2MS ；延時消抖 MOV A, P3 ；重新讀入按鍵狀態(tài) ANL A, #00011111B XRL A, #00011111B， JZ NO_PRESS ；判斷有無按鍵按下，若無轉(zhuǎn)NO_