李浩 儲(chǔ)珂 胡飄 陳悅 李子昂

摘要：設(shè)計(jì)了基于STC12C5A60S2單片機(jī)的一氧化碳檢測報(bào)警儀。該儀器具有一氧化碳濃度實(shí)時(shí)檢測、顯示和聲光報(bào)警等功能，采用MQ-7傳感器實(shí)時(shí)采集空氣內(nèi)的一氧化碳濃度，通過AD7887進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將所得到的數(shù)字量與單片機(jī)事先規(guī)定好的閾值進(jìn)行比對，如果超過閾值，通過LCD12864液晶模塊顯示一氧化碳濃度，并進(jìn)行聲光報(bào)警。該一氧化碳檢測報(bào)警儀具有成本低廉、識(shí)別精度高的優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足室內(nèi)一氧化碳濃度檢測的需要。

關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2;一氧化碳檢測儀;報(bào)警系統(tǒng)

0 ? ?引言

一氧化碳作為一種無色、無味的氣體，吸入后會(huì)與人體內(nèi)的血紅蛋白相結(jié)合，對人體產(chǎn)生巨大的傷害。在現(xiàn)實(shí)生活中，一氧化碳中毒事件通常都是發(fā)生在人們并不知情的情況下，因此急需一種能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測室內(nèi)一氧化碳濃度的一氧化碳檢測儀，來保證廣大人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的這一款一氧化碳檢測儀，采用電化學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)氣體傳感，通過A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)將得到的數(shù)字量與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對，如果超出預(yù)設(shè)值，則進(jìn)行相應(yīng)的液晶顯示和聲光報(bào)警，以此來提醒相關(guān)人員及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)通氣，從而有效避免事故的發(fā)生。

1 ? ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

一氧化碳檢測系統(tǒng)主要由微處理器、一氧化碳傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD液晶顯示器等硬件組成，具體檢測流程如圖1所示。該系統(tǒng)以微處理器為核心，芯片采用STC12C5A60S2，選用市場上常見的MQ-7一氧化碳傳感器進(jìn)行信號的采集，采集的信號經(jīng)過處理以后，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，所得到的數(shù)字量與單片機(jī)事先規(guī)定好的閾值進(jìn)行比對，如果未超過閾值，則自動(dòng)忽略。如果超過閾值，則進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量信號傳入LCD顯示器，通過LCD可以有效地將相應(yīng)的氣體濃度值顯示出來。整機(jī)主要實(shí)現(xiàn)了對一氧化碳濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能及時(shí)反饋監(jiān)測結(jié)果;必要時(shí)還可設(shè)計(jì)與PC機(jī)通信單元連接，將一段時(shí)間內(nèi)所測數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)起來，然后通過RS485總線上傳到PC機(jī)，供技術(shù)人員進(jìn)行查看、預(yù)測。

2 ? ?整體硬件設(shè)計(jì)

2.1 ? ?微處理器模塊設(shè)計(jì)

在我們所設(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)中采用的微處理器是STC12C5A60S2單片機(jī)，它是由宏晶公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘的單片機(jī)[2]，相比于之前的51單片機(jī)，一方面，這款單片機(jī)的指令代碼可以完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)代碼，使代碼具有更好的通用性，極大地減少了程序員的工作量;另一方面，這款單片機(jī)在傳統(tǒng)的8051單片機(jī)基礎(chǔ)上，性能得到了大幅度的提高，具有更好的適用場景與適用方向。

2.2 ? ?氣體傳感模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的MQ-7[3]氣體傳感器所依據(jù)的原理是通過高低溫循環(huán)檢測方式檢測一氧化碳的濃度，該傳感器的電導(dǎo)率隨一氧化碳濃度的增大而增大，通過設(shè)計(jì)簡單的測試電路就可以將傳感器中電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與一氧化碳?xì)怏w濃度相對應(yīng)的輸出信號進(jìn)行輸出，從而完成傳感器的信號采集任務(wù)。圖2所示為具體的MQ-7電路實(shí)驗(yàn)圖。

2.3 ? ?顯示模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的帶中文字庫的LCD12864是一種既具有8位并行、2線串行的多種接口方式，同時(shí)內(nèi)部也含有國標(biāo)一級或二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣液晶顯示模塊，該LCD顯示器顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字庫，其具有低電壓、低功耗的顯著特點(diǎn)，所以非常適用于長期顯示字體。

2.4 ? ?聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

聲音報(bào)警模塊主要選用壓電式蜂鳴器。當(dāng)系統(tǒng)所轉(zhuǎn)化的數(shù)字量與報(bào)警閾值相比較后大于所設(shè)定的閾值，會(huì)輸出相應(yīng)信號，驅(qū)動(dòng)聲音報(bào)警，如圖3所示。在圖中，P26接三極管基極輸入端，當(dāng)P26輸出高電平1時(shí)，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路導(dǎo)通，蜂鳴器通電而發(fā)音;當(dāng)P26輸出低電平0時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電路斷開，此時(shí)蜂鳴器停止發(fā)音。

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的光報(bào)警模塊主要由發(fā)光二極管及相應(yīng)電路組成，如圖4所示。當(dāng)對應(yīng)端口輸出低電平時(shí)，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)出光亮來提醒用戶及時(shí)采取預(yù)防措施。

3 ? ?整體軟件設(shè)計(jì)

3.1 ? ?軟件開發(fā)環(huán)境

STC12C5A60S2可以說是51單片機(jī)的升級版，要想進(jìn)行好的開發(fā)，選擇良好的運(yùn)行環(huán)境必不可少。于是本系統(tǒng)選用常見且上手較快的開發(fā)工具KEIL MDK進(jìn)行整體軟件的開發(fā)。

KEIL C51是美國KEIL Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與其他語言相比，C語言不僅好學(xué)易用，而且更適用于底層硬件的開發(fā)。KEIL將包括C編譯器、宏匯編器、鏈接器、庫管理器和仿真調(diào)試器等在內(nèi)的全部所需工具，最終通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境組合在一起，從而大大較少了程序員的勞動(dòng)量。

3.2 ? ?系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

整體軟件的編程采用C語言，運(yùn)行環(huán)境為KEIL μVision4。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)包括主程序模塊設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)、顯示模塊設(shè)計(jì)和聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的整體流程圖如圖5所示。首先通過系統(tǒng)中一氧化碳傳感器將信號采集過來，進(jìn)行信號增強(qiáng)等處理，通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)化，將得到的數(shù)字量與存儲(chǔ)器中的閾值進(jìn)行比較，如果大于相應(yīng)的閾值，則判定為一氧化碳超出標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的端口輸出低電平，三極管導(dǎo)通，電路連通，進(jìn)行聲光報(bào)警;反之，當(dāng)數(shù)據(jù)小于相應(yīng)的閾值，則停止報(bào)警。

3.3 ? ?A/D開發(fā)流程

在本系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的A/D內(nèi)置寄存器中的數(shù)據(jù)，通過一定的對應(yīng)關(guān)系可以進(jìn)一步計(jì)算出I/O口的電壓，再利用所得到的電壓就可以反推出傳感器所測得的氣體濃度。使用ADC內(nèi)置函數(shù)可以得到一氧化碳傳感器輸出的電壓值，繼續(xù)使用另一個(gè)ADC內(nèi)置函數(shù)即可換算出一氧化碳?xì)怏w濃度。

3.4 ? ?顯示部分和聲光報(bào)警部分開發(fā)流程

在本模塊中，字符和漢字均是以點(diǎn)陣的形式進(jìn)行存儲(chǔ)的，LCD的顯示也是用16×16的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)來確定的。具體的確定方式為由每一個(gè)二進(jìn)制位數(shù)來表示每一個(gè)點(diǎn)，在LCD上如果顯示亮點(diǎn)就表示該點(diǎn)存入的是1，顯示暗點(diǎn)就表示存入的值是0。當(dāng)需要寫入漢字時(shí)，事先進(jìn)行引腳配置，進(jìn)行數(shù)字1與0的配置之后，就可以進(jìn)行漢字的顯示。通過A/D轉(zhuǎn)換得到所需數(shù)字量之后，與內(nèi)置存儲(chǔ)器中所存值比較大小，如果高于所存值則輸出低電平，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路，之后導(dǎo)通三極管觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警，并點(diǎn)亮二極管進(jìn)行提示。

4 ? ?結(jié)語

近年來，我國衛(wèi)生、環(huán)保、建筑各部門陸續(xù)出臺(tái)了一系列有關(guān)室內(nèi)環(huán)境空氣污染控制和室內(nèi)空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定[4]。針對以上規(guī)定，本文提出了一種一氧化碳檢測報(bào)警儀，其成本低廉、使用簡單，設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)在于：（1）使用場景廣泛，這套裝置可以適用于家庭內(nèi)部、農(nóng)家大棚內(nèi)等;（2）使用簡單，使用這套裝置無需過多操作，將裝置通電放到所需場景中即可，由于低功耗，可以使用很長時(shí)間;（3）成本低廉，這套裝置所需成本低，檢測精度高，所以具有非常廣泛的使用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李瑞福.基于單片機(jī)AT89C51的一氧化碳濃度檢測儀設(shè)計(jì)[J].軟件，2015，36（9）：106-108.

[2] 涂菁，張輝，楊錠康，等.基于STC12C5A60S2的智能滅火小車的研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2020，33（5）：148-149.

[3] 張鯤，陳美伊，李壯，等.基于單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及方案的比較分析與研究[J].新型工業(yè)化，2014，4（2）：74-77.

[4] 薛嬌嬈.室內(nèi)空氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀及問題[J].綠色科技，2016（20）：59-60.

收稿日期：2020-07-07

作者簡介：李浩（1998—），男，內(nèi)蒙赤峰人，研究方向：信號處理。