煤气报警器简易设计报告
煤气报警器简易设计报告
摘要
一氧化碳在各个方面对我们的生产生活的负面影响是显而易见的。在家中，一氧化碳悄无声息的夺走人的性命的事故让我们为生命安全开始担忧；在矿洞或者岩洞勘探过程中的一氧化碳中毒事件比比皆是。为了避免悲剧的发生，我们设计一煤气报警系统，用于家中的的煤气中毒的预防。
该报警系统基于传感器技术、单片机技术、模数电等知识。系统基于A T89C51单片机，选择一氧化碳传感器，经过单片机对传感器信号的处理，用LCD显示出当前空气中一氧化碳浓度，当一氧化碳浓度超标时，发出声光报警，同时开启排气扇，排出一氧化碳。
方案中介绍了该系统的必要性，可行性和实现设想的具体方案。
关键字：一氧化碳传感器单片机报警系统
目录
1 一氧化碳的危害 (3)
2 一氧化碳传感器 (3)
2.1一氧化碳传感器简介 (3)
2.2一氧化碳传感器原理 (3)
3 硬件设计 (3)
3.1硬件选择 (4)
3.1.1单片机选择 (4)
3.1.2传感器的选择与参数 (4)
3.2模数转换电路 (5)
3.2.1 ADC0832的特点 (5)
3.3液晶显示器选择 (6)
3.3.1AMPIRE128X64液晶显示模块功能 (6)
3.3.2液晶显示模块基本特性 (6)
3.4报警电路设计 (7)
3.5对排气扇的控制 (7)
4.系统测试仪的外形图 (8)
5.参考文献 (8)
1.一氧化碳的危害
一氧化碳是一种无色无味的气体，不易被人察觉。而人体血液中血红蛋白与一氧化碳的结合能力比与氧的结合能力要强200多倍。而且，血红蛋白与氧的分离速度又很慢。所以，人一旦吸入一氧化碳，氧便失去了与血红蛋白结合的机会，使组织细胞无法从血液中获得足够的氧气，导致呼吸困难，进而发生中毒。一氧化碳中毒时，病人最初感觉为头痛、头昏、恶心、呕吐、软弱无力，当他意识到中毒了，医学教|育网搜集整理会挣扎下床开门、开窗，但一般仅有少数人能打开门，大部分病人迅速发生痉挛、昏迷，两颊、前胸皮肤及口唇呈樱桃红色，如救治不及时，可很快因呼吸抑制而死亡。因此，预防一氧化碳中毒是非常重要的。
2.一氧化碳传感器
2.1一氧化碳传感器简介
一氧化碳传感器属于化学传感器。化学传感器主要由两部分组成：识别系统；传导或转换系统。识别系统把待测物的某一化学参数（常常是浓度）与传导系统连结起来。它主要具有两种功能：选择性地与待测物发生作用，把所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此，化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何把分子识别系统与合适的传导系统相连续。化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。化学一氧化碳气体传感器采用密闭结构设计，其结构是由电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线（管脚）、壳体等部分组成。
2.2一氧化碳传感器原理
当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为：CO+H2O→CO2+2H++2e-
在工作电极上发生氧化反应产生的H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为：
1/2O2+2H++2e-→H2O
因此，传感器内部就发生了氧化-还原的可逆反应。其化学反应式为：
2CO+2O2 →2CO2
这个氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化，这使得极间电位难以维持恒定，因而也限制了对一氧化碳浓度可检测的范围。
为了维持极间电位的恒定，我们加入了一个参比电极。在三电极电化学气体传感器中，其输出端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化,由于参比电极不参与氧化或还原反应，因此它可以使极间的电位维持恒定（即恒电位），此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关。当气体传感器产生输出电流时，其大小与气体的浓度成正比。通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度，并且有很宽的线性测量范围。这样，在气体传感器上外接信号采集电路和相应的转换和输出电路，就能够对一氧化碳气体实现检测和监控。
3.硬件设计
硬件设计主要包括：传感器、单片机、A/D转换器、时钟芯片、LCD、外围扩充存储器、排气扇、声光报警等。
图3.1硬件结构框图
3.1硬件选择
3.1.1单片机选择
本系统的单片机选择采用AT89C52，该型号的单片机和我们学习的89C51功能引脚几乎完全相同，但是比89C51的内存空间更大I/O端口的兼容性更好。
3.1.2传感器的选择与参数
一氧化碳传感器我们选择了CO/CF-1000型号的，其参数如下表：
表3.1 CO/CF-1000参数表
从传感器过来的电压信号，必须经过采集，滤波，放大，转换才能被单片机识别处理。由于每一路都设置放大、滤波的装置会提高成本，所以信号一般采用多路模拟通路进行选择。测量电路由CO/CF-1000一氧化碳传感器、ADC0832组成。当空气被内部采样系统接受后，产生一个与一氧化碳浓度成正比的电压信号，该电压信号经过ADC0832与AT89C52单片机相连，在显示器上显示出一氧化碳的浓度值，当超过国家规定标准时，声光报警系统开始报警。
3.2模数转换电路
3.2.1 ADC0832的特点
8位分辨率；
双通道A/D转换；
输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
一般功耗仅为15mW；
8P、14P—DIP（双列直插）、PICC 多种封装；
商用级芯片温宽为0°C to +70°C，工业级芯片温宽为?40°C to +85°C；
芯片接口说明：
CS_ 片选使能，低电平芯片使能。
CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
GND 芯片参考0 电位（地）。
DI 数据信号输入，选择通道控制。
DO 数据信号输出，转换数据输出。
CLK 芯片时钟输入。
Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。
ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
由于ADC0832的位数为8 位，所以ADC0832的精度为10ppm/256=0.039ppm。
3.3液晶显示器选择
显示器我们选择AMPIRE128X64液晶显示模块，显示器需要显示一氧化碳浓度、排气扇开关状态、系统的操作记录以及时间等。一般LCD显示器的功耗比较大，但这款液晶显示模块的功耗比较低，切可以满足系统需求，提供5v的电即可。
3.3.1AMPIRE128X64液晶显示模块功能
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
3.3.2液晶显示模块基本特性
低电源电压（VDD:+3.0--+5.5V）（2）、显示分辨率:128×64点（3）、内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选) （4）、内置128个16×8点阵字符（5）、2MHZ 时钟频率（6）、显示方式：STN、半透、正显（7）、驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）、视角方向：6点（9）、背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10 （10）、通讯方式：串行、并口可选（11）、内置DC-DC转换电路，无需外加负压（12）、无需片选信号，简化软件设计（13）、工作温度: 0℃- +55℃,存储温度: -20℃- +60℃
图3.2 液晶显示电路图
3.4报警电路设计
报警系统的目的是提醒人对突发事件采取相应的措施。这里我们采用相对简单的单频音报警，发音元件采用电压蜂鸣器，在蜂鸣器两引脚上加3-15v直流电压，就会产生3kHz左右的蜂鸣音响，需要10mA的驱动电流即可。
图3.3 声音报警电路图
3.5对排气扇的控制
排气扇是在室内安装好的装置，我们只需用单片机对其进行控制就可以了。当采集到的信号到达一定的值，单片机的输出引脚发出相应信号，从而实现排气扇的自动开关。该排气扇的电机我们采用步进电机，这样方便单片机对其的控制
图3.4 单片机驱动步进电机电路图
4.系统测试仪的外形图
图4.1 煤气报警系统外形图
5.参考文献
《一氧化碳传感器简介》
《智能仪器原理设计》——赵新民
《ADC0832简介》
《MCS-51系列单片机应用系统设计》——何立民
《单片机驱动步进电机电路及程序》
《12864LCD液晶显示屏中文资料》