单片机的一氧化碳浓度检测的设计与实现
摘 要本文结合了大学所学的专业知识，设计了一款以MQ-7传感器作为核心元件的一氧化碳浓度检测系统，实现了毕业设计预期所设定的各个指标，完成了大学学习生涯里的最后一门作业。本系统的主要特点是采用了模拟电路与数字电路相互配合的控制模式，通过模拟电路的高速特性以及数字电路的准确特性，将检测过程快速性以及输出结果高精度性等优点表现地淋漓尽致，另外本系统在成本、功耗以及使用稳定度上皆有很高的表现，不但如此，电路中的芯片全部采用了直插引脚封装，当出现损坏等情况时，能够快速地实现维修和更换等操作。经过了多次的实验验证以及电路改进，本系统表现出了很高的准确性和实用特点，适合推向未来的气体检测市场，能够大幅度降低目前一氧化碳检测系统的生产成本并且降低性价比大幅度提高。
目录
一、 引言 1
二、 方案选择及元器件介绍 2
（一） 主控单片机的对比与选择 2
（二） AT89C51单片机介绍 3
（三） MQ7一氧化碳传感器 4
（四） ADC0832模数转换器介绍 5
（五） LCD1602型液晶屏介绍 6
（六） 有源蜂鸣器介绍 7
三、 硬件系统设计 8
（一） 硬件结构框图设计 8
（二） 最小系统设计 9
1. 时钟电路设计 9
2. 复位电路设计 10
（三） MQ7一氧化碳传感器电路设计 11
（四） ADC0832模数转换器电路设计 12
（五） 液晶屏电路设计 13
（六） 报警电路设计 14
（七） 按键电路 15
四、 软件系统设计 16
（一） 主程序流程图设计 16
（二） ADC0832模数转换器工作流程设计 18
（三） 液晶屏显示流程设计 19
1. 写指令流程 19
2. 写数据流程 20
（四） 报警电路工作流程设计 21
五、 仿真与调试 22
（一） Proteus软件仿真 22
（二） 系统仿真 24
（三） 硬件调试 26<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
br /> 总 结 30
参考文献 31
致 谢 32
附录一 原理图 33
附录二 PCB图 34
附录三 元件列表 35
引言
本课题所指的有害气体是指生产生活中一些常见场合如工厂管道、家庭燃气的泄露气体或者待测气体，这些气体通常可以分为三个种类：可燃气体、毒性气体以及复合式气体三类，这些气体通常表现为无色无味，一旦进入有人员经过的场合非常不容易被察觉，更为严重的是当其浓度积累到一定程度后极易带来爆炸事故，这也是矿井爆炸、家庭煤气中毒事故的根本原因，过去对于这些有害气体的检测方式采用复位阀门式报警器，其工作原理为当待测空气中的有害气体浓度积累到相当大的程度时才能实现报警，并不能够起到预先报警，在使用方式上也存在很大缺陷，从其名称就可以看出它需要通过定时的复位才能够使得报警器正常工作。另外一种用于对有害气体进行集中管理的大型设备造价昂贵，它需要专门的技术人员进行看管维护，对空气成分进行分析辨别，普通群众并不能够轻易的使用它，所以不能够在中小型企业和家庭中进行推广。
随着我国西气东输以及燃气管道安置在城市的每个角落和千家万户中，对于空气中有害气体的检测仪器需求量和性能要求都在不断上升，由于监测点已成星罗棋布之势，因此对于气体检测仪器的成本提出了更高的要求，不但要以最低的成本实现检测系统，还要使得其工作性能和功能都较为完善，目前国内外大多数气体检测器大多采用性价比最高的STM32系列处理器来作为主控，尤其是其F103系列的模块高集成度特性，更是许多气体检测器生产厂家的首选，搭配上高精度的检测探头（如近些年来的MQ系列），实现一款高性价比的气体检测仪器还是较为简单的。另外对于有害气体检测器已经不单单是工厂的独特需求了，高级轿车、智能家居系统对于高性能、小体积的有害气体检测器需求也在不断增长。
本文在一氧化碳检测系统发展背景的基础上选择了一氧化碳检测系统作为研究课题，考虑到这种控制系统目前的生产成本处于一种较高的位置，使得相关产品的性价比一直上不去，这种现象的关键在于其内部主控芯片以及其他模块的造价昂贵以及开发成本高，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的一氧化碳检测系统系统，并实现以下功能指标。
1、采用C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发；
2、使用价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块；
3、采用+5V直流电压进行系统供电。
方案选择及元器件介绍
主控单片机的对比与选择
在进行系统的硬件和软件系统设计之前，首先要对系统所使用的主控单片机进行选取，在选取时主要应该对单片机的内部资源丰富度、成本高低、开发语言、使用熟练程度以及能够胜任本系统的功能指标等方面进行考核，经过三年的大学学习，我主要从以下两款单片机中进行对比和最终选取，第一是ATMEL公司生产的AT89C51单片机，第二个是德州仪器公司生产的MSP430系列单片机。
第一个方案是AT89C51单片机，该单片机是ATMEL公司在上世纪九十年代左右推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本还是内部资源上，都能够在如今低端单片机市场中独占鳌头，这主要归功于其4Kb大小的内部FLASH搭配着128字节的RAM，虽然ROM和RAM的存储容量不是很大，但是足够应用于一些中小型单片机系统中，此外AT89C51能够通过琦20根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。在成本方面，目前市面上AT89C51单片机的平均成本位3元/PCS，这非常适合我们的学生实验，不会给系统带来高昂的成本负担。
第二个方案是选用德州仪器的MSP430系列单片机，这款单片机也是我们熟悉的常用单片机，在近五年中TI公司大肆对该系列单片机进行研发和推广，其中最高性能F5系单片机搭配外部的高稳定度晶振能够轻松实现40M以上的主频速度，该处理速度是AT89C51单片机的近五倍，在做一些数字信号处理上，中高端430单片机将是不错的选择。然而考虑到其成本，首先需要说的是其程序代码烧写方式，目前大多数430单片机全部采用JTAG接口进行代码下载和程序调试仿真，虽然这种接口能够实现仿真，但是采用这种接口必须要配合专用仿真器，该仿真器的价格较为昂贵，而51单片机只需要一个USB转串口的数据线即可实现代码的烧写，由此可见如果系统采用51单片机进行控制，那么成本将大为降低。
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一、 引言 1
二、 方案选择及元器件介绍 2
（一） 主控单片机的对比与选择 2
（二） AT89C51单片机介绍 3
（三） MQ7一氧化碳传感器 4
（四） ADC0832模数转换器介绍 5
（五） LCD1602型液晶屏介绍 6
（六） 有源蜂鸣器介绍 7
三、 硬件系统设计 8
（一） 硬件结构框图设计 8
（二） 最小系统设计 9
1. 时钟电路设计 9
2. 复位电路设计 10
（三） MQ7一氧化碳传感器电路设计 11
（四） ADC0832模数转换器电路设计 12
（五） 液晶屏电路设计 13
（六） 报警电路设计 14
（七） 按键电路 15
四、 软件系统设计 16
（一） 主程序流程图设计 16
（二） ADC0832模数转换器工作流程设计 18
（三） 液晶屏显示流程设计 19
1. 写指令流程 19
2. 写数据流程 20
（四） 报警电路工作流程设计 21
五、 仿真与调试 22
（一） Proteus软件仿真 22
（二） 系统仿真 24
（三） 硬件调试 26<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
br /> 总 结 30
参考文献 31
致 谢 32
附录一 原理图 33
附录二 PCB图 34
附录三 元件列表 35
引言
本课题所指的有害气体是指生产生活中一些常见场合如工厂管道、家庭燃气的泄露气体或者待测气体，这些气体通常可以分为三个种类：可燃气体、毒性气体以及复合式气体三类，这些气体通常表现为无色无味，一旦进入有人员经过的场合非常不容易被察觉，更为严重的是当其浓度积累到一定程度后极易带来爆炸事故，这也是矿井爆炸、家庭煤气中毒事故的根本原因，过去对于这些有害气体的检测方式采用复位阀门式报警器，其工作原理为当待测空气中的有害气体浓度积累到相当大的程度时才能实现报警，并不能够起到预先报警，在使用方式上也存在很大缺陷，从其名称就可以看出它需要通过定时的复位才能够使得报警器正常工作。另外一种用于对有害气体进行集中管理的大型设备造价昂贵，它需要专门的技术人员进行看管维护，对空气成分进行分析辨别，普通群众并不能够轻易的使用它，所以不能够在中小型企业和家庭中进行推广。
随着我国西气东输以及燃气管道安置在城市的每个角落和千家万户中，对于空气中有害气体的检测仪器需求量和性能要求都在不断上升，由于监测点已成星罗棋布之势，因此对于气体检测仪器的成本提出了更高的要求，不但要以最低的成本实现检测系统，还要使得其工作性能和功能都较为完善，目前国内外大多数气体检测器大多采用性价比最高的STM32系列处理器来作为主控，尤其是其F103系列的模块高集成度特性，更是许多气体检测器生产厂家的首选，搭配上高精度的检测探头（如近些年来的MQ系列），实现一款高性价比的气体检测仪器还是较为简单的。另外对于有害气体检测器已经不单单是工厂的独特需求了，高级轿车、智能家居系统对于高性能、小体积的有害气体检测器需求也在不断增长。
本文在一氧化碳检测系统发展背景的基础上选择了一氧化碳检测系统作为研究课题，考虑到这种控制系统目前的生产成本处于一种较高的位置，使得相关产品的性价比一直上不去，这种现象的关键在于其内部主控芯片以及其他模块的造价昂贵以及开发成本高，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的一氧化碳检测系统系统，并实现以下功能指标。
1、采用C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发；
2、使用价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块；
3、采用+5V直流电压进行系统供电。
方案选择及元器件介绍
主控单片机的对比与选择
在进行系统的硬件和软件系统设计之前，首先要对系统所使用的主控单片机进行选取，在选取时主要应该对单片机的内部资源丰富度、成本高低、开发语言、使用熟练程度以及能够胜任本系统的功能指标等方面进行考核，经过三年的大学学习，我主要从以下两款单片机中进行对比和最终选取，第一是ATMEL公司生产的AT89C51单片机，第二个是德州仪器公司生产的MSP430系列单片机。
第一个方案是AT89C51单片机，该单片机是ATMEL公司在上世纪九十年代左右推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本还是内部资源上，都能够在如今低端单片机市场中独占鳌头，这主要归功于其4Kb大小的内部FLASH搭配着128字节的RAM，虽然ROM和RAM的存储容量不是很大，但是足够应用于一些中小型单片机系统中，此外AT89C51能够通过琦20根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。在成本方面，目前市面上AT89C51单片机的平均成本位3元/PCS，这非常适合我们的学生实验，不会给系统带来高昂的成本负担。
第二个方案是选用德州仪器的MSP430系列单片机，这款单片机也是我们熟悉的常用单片机，在近五年中TI公司大肆对该系列单片机进行研发和推广，其中最高性能F5系单片机搭配外部的高稳定度晶振能够轻松实现40M以上的主频速度，该处理速度是AT89C51单片机的近五倍，在做一些数字信号处理上，中高端430单片机将是不错的选择。然而考虑到其成本，首先需要说的是其程序代码烧写方式，目前大多数430单片机全部采用JTAG接口进行代码下载和程序调试仿真，虽然这种接口能够实现仿真，但是采用这种接口必须要配合专用仿真器，该仿真器的价格较为昂贵，而51单片机只需要一个USB转串口的数据线即可实现代码的烧写，由此可见如果系统采用51单片机进行控制，那么成本将大为降低。
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