1绪论
1.1课题的选题背景
在北方的冬天，因为天气非常严寒，所以人们会取暖。我们经常可以在农村地区见到用炉子的方式来取暖，炉子里燃烧的是煤，而煤的燃烧会产生一氧化碳，假如浓度过高的话，就会对人体产生危害。一氧化碳和氧气相比，可以直接和血红蛋白融合，所以会产生碳化血红蛋白，导致血红蛋白丧失结合氧气的能力，而没有了氧气的话，人体就会出现各种不适应，不能呼吸，就会使人窒息而死亡。而且就算不会窒息死亡，如果浓度过高的话，对人体的大脑皮层也会产生极大的危害。所以经过分析，设计一款能够自动检测一氧化碳浓度，并且在浓度超标的时候，可以及时的报警，同时把一氧化碳排出的控制系统是非常必要的。
本文采用51单片机技术设计了一个一氧化碳报警系统，该系统能够采集，测量一氧化碳浓度，并能通过LCD1602显示浓度信息，通过单片机的运算，能够控制室内一氧化碳浓度，不让它超标。如果浓度超过用户设定的浓度，就会控制排气扇，来降低一氧化碳浓度。在最大程序上，保护人体的生命安全问题。
1.2课题研究现状
当前CO传感器一般使用三点定电位的电化学原电池传感器。从研究方式上划分，通常是：电化学法、电气法（热导式与半导式）、色谱法（层析法）、光学吸收法（红外与紫外吸收法）等。从我国产品功能上进行分析，因为敏感元件遭受我国材料和加工技术能力的影响，所制造与生产的元件测量范畴不大，因此合格率不高、密封性不高、出现漏液、应用时间短，产品功能不如国外等问题。
当前此类CO检测仪的发展趋势一般是微小型化、集成化、智能化、多功能化、通用化与网络嵌入式互联网化。此外对系统长久运作平稳性、易修性等部分提出更加严苛的标准。伴随半导体工艺与MEMS科技的发展，红外气体分析器微型化、方便化变成潮流[2]。
1.3本论文主要研究内容
一氧化碳报警和控制系统设计的程序方面主要利用Keil4软件编写完成，Keil4软件单片机编程所必不可少的，因为它应用便利，此外使用C语言模式开展编程，所以所编撰的程序能在不同单片机间开展移植。本文硬件电路的电路原理图一般是利用Altium Designer软件制作，Altium Designer功能更全面，使用便利。在原理图的制作时期，原理图库内缺少的元件可手动制作，此外也能依照现实需求增加PCB元件，可以直接制作PCB电路板。
根据目前相关单片机的数据，仿照电子科技的资料，电路知识，与C语言编程的信息，全面严谨的研究其现实功能，调查与此部分相关的分析内容，明确撰写目标、规划、具体环节等，成本了本设计。
本系统的主要内容包括：
（1）本系统配置了按键，用户通过调节按键能够调节一氧化碳的设定浓度，设定好浓度后，通过单片机的处理，能够实现智能控制。
（2）检测器件采用MQ-7，该传感器能够得到浓度的模拟值，然后再通过模数转换，把模拟值转换为单片机可以识别的数字值。单片机接收以后，经过内部程序的转换，把实时的浓度信息显示在LCD屏幕上。当浓度达标后，再控制排气扇进行排气。
（3）在确保系统多个活动顺利运作的时候，尽量设计成电力损耗少、完成度高、费用低廉的系统。
（4）具体设计相对其他检测器较简单易懂。
2系统总体设计
2.1系统总框图
本文的核心器件包含有单片机、MQ-7一氧化碳检测器，ADC0809模数转换器、按键电路、声光报警电路、液晶显示电路和排气扇电路组成。在实际工作的时候，烟雾浓度传感器先检测一氧化碳的浓度，并把浓度信息转换为电信号。ADC0809将模拟量的电信号转变成数字信号，且传播给单片机。单片机通过内部环节的计算，将数字信号转变成浓度信号，并把浓度值显示在LCD1602液晶屏幕上。用户可以通过按键来设定浓度的标准值，当浓度超过用户设定的浓度值以后，就会控制声光报警模块进行报警，并且开启排气扇，减低一氧化碳的浓度。因此，经过这么一系列的控制，把原本零散的功能，经过单片机的智能控制，就形成了一个新的控制系统。
本设计的总体框图如图2.1所示。
图2.1系统框图
2.2系统功能设计
本系统具体研制一般涵盖下面众多部分：
(1)实时监测环境内一氧化碳具体浓度值；
(2)灯光报警作用：在一氧化碳浓度过高的时候，会出现灯光报警，此外继电器吸和，促使排气扇运作，减少一氧化碳浓度值。
（3）声光报警作用：在一氧化碳浓度过高的时候，蜂鸣器报警，此外继电器吸和，促使排气扇开启，减少浓度值。
3硬件设计
3.1单片机的选取
目前市场主流的单片机有51系列、STM32系列和MSP430系列等。其中STM32系列单片机内部资源众多，控制灵活多变，功耗很低的嵌入式开发芯片，在32位的芯片中，是一个绝佳的选择。MSP430单片机推广的时间长，因此该芯片在市场上也占有一定的份额。还有一种就是最传统的8位51系列单片机，51单片机可以兼容8031指令，而且51单片机价格便宜。51系列单片机主要由AT公司生产的单片机和STC（飞利浦）公司生产的为主，并且还有RAM单片机。
在本设计中，因为需要控制LCD液晶显示屏，还需要把键盘的输入指令一块编译，从控制要求来说并不算高，因此从控制要求和经济性来选择，51系列单片机完全可以满足控制要求，而且单片机价格便宜。因此在本设计中，选择了51系列单片机作为了控制芯片。在单片机的内部集成有中央处理器、RAM、ROM、I/O接口，以及内部中断、定时器/计数器等功能，因此单片机内部的集成度还是非常高的。
在本设计中，采用了8位的STC89C52单片机，该芯片的内部的ROM存储器是8K，随机RAM是256K，从芯片内存的容量来看，完全可以满足本设计的需要。而且器件采用了标准的51系列指令集，因此控制起来十分方便。STC89C52单片机的引脚图如图2.2所示。
参考图2.3可知其是单片机内最小系统。单片机最小系统的定义是在能够保证正常运行和工作的前提下，使用原件最少的情况。在具体设计中，一般涵盖单片机、复位电路与晶振电路等。在具体设计中可以接受来自按键的外部中断信号，再对应的输出不同的脉冲信号，进行控制电机的运转，并把运转状态显示出来。
复位电路可以在电路程序跑偏的时候，通过按下按键，来使程序重新从头开始运行，因此该电路也是最小系统不可缺省的电路。复位电路能够分为手动复位和自动复位。自动复位应用在上电的时候，可以保证在重新上电的时候，程序从0000H开始运行。等电容C3充电完成以后，RST引脚会恢复为低电平，此时单片机能顺利运作程序。在稳态运行时，能够进行手动复位，当用户按下S0的时候，电容就会被短路，单片机RST引脚为高电平，只要能够保证给单片机一个机器周期为2的高电平，单片机就会自动复位了，同理，单片机也会使输出I/O口置高。在电路图中电容C3和电阻R1构成的是一个RC延时电路。
在实际的运行电路中，一般会选用单片机内部的定时器来进行工作。不仅方便而且因为单片机内部定时器的精度也相对较高。因此在选用内部定时器的时候，需要外接一个晶振电路。其实在选择晶振电路的外部电容的时候，并没有太多于标准的要求，一般情况下只要选择20PF-30PF的电容就可以。选择晶振频率为12MHZ的晶振时，可以很容易的在T1定时器端口产生一个9600的波特率，可以把此波特率给串口使用。
3.2传感器模块
有害性气体传感器在大众日常生活中具有关键作用，利用查看有害气体浓度来告知使用者，便于使用者提前进行防范。
传感器类型众多，比如MQ与MS系列。MQ传感器工作电压不高，价格较高，电路类型简单，便于使用，但是MQ系列传感器工作电压范围大，性价比高，电路繁杂，因此本设计使用MQ-7有害气体传感器。
本文选择的传感器被普遍使用在有害性气体检测项目中，一般包含二氧化锡气敏材料，其在清洁空气的时候电导率不高，然而伴随有害气体被泄露，其电导率导通性开始增强，导致输出信号出现改变。
此类传感器主要输出方式为，第一TTL开关信号DO输出只存在0、1状态，第二是模拟信号AO输出，使用A/D转换器进行操作，依照使用者现实需求挑选。在本文中，采用了模拟量输出的形式。
一氧化碳连接电路主要分为两部分，一部分是检测电路，另外一部分是信号转换电路。如图2.4所示，左图为检测电路的原理图，右图为ADC0809模数转换电路。工作步骤是传感器检测浓度信号，并把信号转变为模拟量。检测到的值传递给ADC0809，并把信号转换为数字量，以便于单片机的识别。ADC0809与单片机进行通信的时候，数据传输采用的是并口通信，能够提高转换速度，与单片机的连接也比较容易，需要5根控制线来进行通信控制。
3.3液晶显示模块
LCD1602液晶总共能够显示32个字符，其中能够显示两行，每一行可以显示16个字符。液晶的RAM地址的映射是非常的重要的，因为当系统的工作的时候，我们需要选定在哪个位置输出什么样的信息。所以我们需要对液晶的内部构成原理有一定的了解。从参考资料中，我们可以看出来，LCD1602的内部自带有一个大小为80B的RAM缓冲区域，这个区域可以用来存储一些数字信息，其中LCD1602液晶的对应地址映射关系如图2.5所示。
总结与展望
总结
本文设计的CO气体报警器主要将STC89C51当做主芯片，在ADC0809输入电压是5 V时，输出数字量值是FFH，最高分辩率是0．0196V。出现的显示偏差，利用校正0809的基准参考电压进行处理。总而言之，此系统功能强大，具备测试-显示-排查主要作用，准确度在性价比高的前提下被较大提升，然而本文能力有限，在具体设计中也出现一定的问题。例如灵敏度较差，对水蒸气防御水平不高，上述问题都需要在此后进行处理。
展望
本人认为在分析持续深化的时候，CO检测技术的发展肯定会得到较大的成果，也会得到良好的发展，会出现更加领先的技术。目前大众也在持续分析红外检测科技，其中此检测的优势开始被大众所了解，此技术表现出众多良好的特点，主要是具备较高敏锐度、高平稳性与强大的抗干扰性。其主要工作原理是利用检测红外辐射经气体吸收前后的辐射强度变化，进而统计气体浓度，把上述技术使用到一氧化碳等类似气体浓度的测试活动中，可以促使气体检测技术尽快普及。
参考文献
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