課程設計報告---一氧化碳檢測儀設計

1、<p>　　題目：一氧化碳檢測儀設計</p><p>　　一氧化碳檢測儀是家庭安全計劃的一個重要組成部分。在美國，消費者產(chǎn)品安全委員會建議每一個家庭至少要有一個一氧化碳檢測儀。一氧化碳檢測儀是通過一氧化碳傳感器感應空氣中一氧化碳氣體的濃度轉變成電信號，電信號的大小跟一氧化碳的濃度有關。一氧化碳檢測儀按所使用的傳感器來分類，一般分為半導體一氧化碳檢測儀、電化學一氧化碳報警器、紅外一氧化碳檢測儀等，從測量靈

2、敏度、精度、穩(wěn)定性、抗交叉氣體干擾來說，性能最好的是紅外一氧化碳檢測儀，但比較昂貴適合實驗室使用，民用的一般為半導體和化學的一氧化碳檢測儀。</p><p>　　半導體一氧化碳檢測儀采用半導體型一氧化碳傳感器作為敏感元件，要求其敏感元件恒溫在200°C時能快速響應，因此要提供比較大的電流，當溫度、濕度、甚至風變化大時對其精確測量很不利，還有就是容易受到其他氣體的交叉干擾，如酒精、氮氧化物、氫氣、烷類等氣

3、體的干擾，容易誤報，但其價廉，一般使用壽命可達五年。</p><p>　　電化學一氧化碳檢測儀采用零功耗化學一氧化碳傳感器作為敏感元件，大都采用電化學法中的定電位電解法原理，利用定電位電解法進行氧化還原化學反應，檢測擴散電流便可得出一氧化碳氣體的濃度，并且有很好的線性測量范圍以及很高的選擇性，抗交叉氣體干擾能力也很強，價格相對比較貴。電化學一氧化碳傳感器零功耗性，無需加熱，非常適合配合低功耗的檢測電路采用電池供電

4、，做成一氧化碳濃度表、便攜式---一氧化碳報警器等。電化學一氧化碳傳感器長期暴露在氣體樣品、酒精、油漆等刺激溶液中會影響其靈敏度和壽命，甚至會失效。電化學一氧化碳傳感器在空氣中的使用一般為三年，也有五年的，更長的可達八年以上。</p><p>　　設計目標及技術要求：</p><p>　　在家庭或工業(yè)環(huán)境中，容易產(chǎn)生一氧化碳等有害氣體。本設計嘗試在一般抽風機等通風設備的基礎上，應用單片機作

5、為測控系統(tǒng)的核心，以一氧化碳等有害毒氣體的傳感器作為拓展，實現(xiàn)小型化，低成本，高性能的一氧化碳檢測、報警一體化裝置。</p><p>　　要求能同時測量兩點以上一氧化碳含量，并具有顯示、報警功能。</p><p><b>　　給定條件：</b></p><p>　　面包板一塊；傳感器2個、顯示模塊1個；單片機1個；電阻、電容和其他元器件若干。&

6、lt;/p><p><b>　　設計思路：</b></p><p>　　一氧化碳氣體質量濃度檢測控制系統(tǒng)是通過單片機編程實現(xiàn)對一氧化碳氣體濃度的采集、顯示、控制、報警等一系列功能的系統(tǒng)。</p><p>　　設計過程為：一氧化碳氣體傳感器直接與環(huán)境中的被測氣體反應，產(chǎn)生線性變化的微弱電流信號，該信號通過信號濾波放大電路后轉換為電壓信號送給單片機，經(jīng)

7、過模數(shù)轉換、模型運算等處理，直接在液晶屏上顯示出被測氣體的質量濃度。且該儀器可設置報警，當氣體質量濃度達到預置的報警值時，可發(fā)出報警信號。</p><p><b>　　具體設計過程要求：</b></p><p>　　1.確定總體測量方案</p><p>　　2.選擇合適的傳感器、單片機、開關裝置、顯示模塊等；</p><p&

8、gt;　　3.設計并搭建一氧化碳測量電路、單片機測量/顯示/報警電路；</p><p>　　4.在模擬環(huán)境下，實現(xiàn)多點一氧化碳氣體的檢測；</p><p><b>　　5.完成報告。</b></p><p>　　一、硬件選擇及介紹 </p><p>　　在接到課程設計題目后，經(jīng)過考慮和查找各方面資料最終確定了一氧化碳檢測

9、儀的具體方案。</p><p>　　硬件選擇主要包括：單片機、A/D轉換器、時鐘芯片、LCD、外圍擴展數(shù)據(jù)RAM等芯片的選擇。</p><p><b>　　主要元件介紹：</b></p><p>　　AT89S51單片機 AT89S51/LS51單片機是低功耗的、具有4KB在線課編程Flash存儲器的單片機。它與通用80C51系列單片機的指

10、令系統(tǒng)和引腳兼容。片內的Flash可允許在線重新編程，也可使用非易失性存儲器編程。他將通用CPU和在線可編程Flash集成在一個芯片上，形成了功能強大、使用靈活和具有較高性能性價比的微控制器。 </p><p>　　AT89S51/LS51具有如下特性：--片內程序存儲器含有4KB的Flash存儲器，允許在線編程，檫寫周期可達1000次；--片內數(shù)據(jù)存儲器內含128字節(jié)的RAM；--I/O口具有

11、32根可編程I/O線；--具有兩個16位I/O線；--中斷系統(tǒng)具有6個中斷源、5個終端矢量、2個中斷優(yōu)先級的中斷結構；--串行口是一個全雙工的串行通信口；--具有兩個數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1；--低功耗節(jié)電模式有節(jié)電模式和掉電模式；--包含3級程序鎖定位；--AT89S51的電源電壓為4.0-5.5V，AT89LS51的電源電壓為2.7-4.0V；-振蕩器頻率0-33MHz（AT89S51），0-1

12、6MHz(AT89LS51);--具有片內看門狗定時器；--靈活的在線片內編程模式（字節(jié)和頁編程模式）；--具有斷電標志模式POF；</p><p><b>　　引腳圖如下：</b></p><p>　　QM-N5型氣敏元：QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升

13、高。</p><p>　　特點：1）用于可燃性氣體的檢測 2）靈敏度高 3）響應速度快 4)輸出信號大 5）壽命長，工作穩(wěn)定可靠</p><p><b>　　技術指標如下：</b></p><p>　　74LS74 D觸發(fā)器電路 74LS74內含兩個獨立的D上升沿雙d觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入、置位輸入、復位輸入、時鐘輸入和數(shù)據(jù)輸出。&l

14、t;/p><p>　　74LS74功能表：</p><p>　　74LS74引腳圖：</p><p>　　2.硬件系統(tǒng)電路的設計</p><p>　　硬件系統(tǒng)的電路設計主要包括：硬件主電路設計、數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉換電路設計、液晶顯示電路設計、外圍擴充存儲器接口電路、時鐘電路、復位電路、鍵盤接口電路等功能模塊電路設計，系統(tǒng)結構框圖如圖1：</p

15、><p><b>　　圖1 系統(tǒng)結構圖</b></p><p>　　2.1 一氧化碳氣體傳感器電路的設計</p><p>　　一氧化碳氣體傳感器電路主要有一氧化碳傳感器和低電壓低功耗CMOS運放構成，其功能是將傳感器的弱電流信號放大為電壓信號，在氣體傳感器的線性輸出范圍內，電路輸出電壓隨氣體質量濃度線性變化。測量質量濃度的元件可以選擇集成一氧化碳

16、氣體傳感器MQ-5。該傳感器為電壓輸出型氣敏傳感器，電路內部已校準，并采用內部補償。其輸出電壓與質量濃度成正比，無需校準，精度很高。</p><p><b>　　具體電路圖如下：</b></p><p>　　2.2 A/D轉換基準電壓的設計</p><p>　　A/D轉換是將 模擬的電壓或電流信號與參與電壓或電流信號相比得到一個相應的過程。可設

17、置1~8個A/D轉換通道，必須通過對ADCON0和ADCON1兩個寄存器的設定來控制A/D轉換。</p><p>　　2.3 鍵盤控制電路的設計</p><p>　　鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結合的方法來設計，低電平有效。系統(tǒng)共用到四個按鍵，</p><p>　　按鍵1是系統(tǒng)復位，按鍵2是功能轉換鍵，按鍵按下時，顯示當前濃度值。按鍵3，設定質量濃度依次減1,；按鍵

18、4，設定質量濃度依次加1。</p><p>　　2.4 報警電路設計 </p><p>　　系統(tǒng)的報警電路由發(fā)光二極管和低電壓蜂鳴器構成。當控制信號FM為低電平時，三極管導通，蜂鳴器發(fā)聲報警。反之，當控制信號FM為高電平時，蜂鳴器不工作。報警電路如下圖：</p><p>　　2.5液晶顯示電路的設計</p><p><b&g

19、t;　　2.6溫度采集電路</b></p><p>　　此系統(tǒng)由于采集的是可燃氣體的濃度，從而判斷環(huán)境的安全狀態(tài)。所以環(huán)境溫度也是一個非常重要的參數(shù)。如圖8所示，本設計采用DS18B20單總線集成溫度傳感器。由于DS18B20輸出的就是數(shù)字信號，所以單片機只需要定時去讀取數(shù)值盡可以了。連接電路就只需要給DS18B20和單片機之間建立一個通信信道即可。</p><p><b

20、>　　2.7電機驅動電路</b></p><p>　　由于電機的功率為3W，單片機I/O口無法直接驅動電機工作，所以需要一個驅動電路來連接單片機和電機，且電機和單片機之間需要進行電源隔離。如圖6所示，本設計采用光耦和L298N組合使用來作為驅動電路。采取光電隔離是一種抗干擾技術，這樣既能保證單片機正常工作，又能保證電機正常運行。</p><p><b>　　二、

21、硬件電路的焊接</b></p><p>　　在元器件接入電路之前，首先要檢測各元件器件是否損壞，以避免在調試整機電路時帶來不必要的麻煩。</p><p>　　(一)整機電路的安裝</p><p><b>　　合理布局</b></p><p>　　電路在安裝前要將各級進行合理布局，一般按照電路的順序一級一級地布

22、局，在此過程中我們本著以下原則：</p><p><b>　?、倭私庠芙坦δ?lt;/b></p><p>　?、诓季€盡可能少，合理進行布線</p><p>　?、鄄季€規(guī)律有制，盡量減少交叉</p><p><b>　?、苊烙^大方</b></p><p><b>　　

23、注意事項：</b></p><p><b>　?、倥懦壿嫻收?lt;/b></p><p>　　這類故障出現(xiàn)的比較多，主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先將連接的面包板認真對照原理圖，看兩者是否一致。必要時 我們利用數(shù)字萬用表的短路測試功能，這樣可以縮短排錯時間。</p><p><b>　?、谂懦骷?lt;/b

24、></p><p>　　在保證安裝無誤后，可以通過用替換的方法排除錯誤，或者通過測試元器件相連結的元器件是否工作來排除錯誤。</p><p><b>　?、叟懦娫垂收?lt;/b></p><p><b>　?。ǘ┰骷z測</b></p><p>　　1、晶體三極管管腳、質量判別</p&

25、gt;<p>　　可以把近體三極管的結構看作是兩個背靠背的PN結，對NPN型來說基極是兩個PN結的公共陽極，對PNP型管來說基極是兩個PN結的公共陰極。</p><p><b>　?、俟苣_與基極的判別</b></p><p>　　萬用表置電阻檔，量程選1K檔，將萬用表任一表筆先接某一個電極——嘉定的公共極，另一表筆分別接其它兩個電極，當兩次測得的組織一大

26、、一小相差很多，則眼前假定的基極有錯，就更換其它電極重新進行測量。根據(jù)上述方法，可以找出公共極，該公共極就是基極B，基公共極是陽極，該管屬NPN型管，反之則是PNP型管。</p><p>　?、诎l(fā)射極與集電極的判別</p><p>　　當三極管基極B確定后，便可判別集電極C和發(fā)射極E，同時還可以大至了解穿透電流ICEO和電流放大系數(shù)β的大小為使三極管具有電流放大作用，發(fā)射結需加正偏置，集電

27、結加反偏置。以PNP型管為例，若紅表筆接集電極C，黑表筆接E極，這是萬用表指針擺動很小，它所指示的電阻值反應管子穿透電流ICEO的大小。如果在C、B間跨接一只Re=100k的電阻，此時萬用表指針將有較大幅度擺動，它指示的電阻值較小，反映了集電極電流IC=ICEO+ßIB的大小。且電阻值減小愈多表示 ß愈大。如果C、E極接反三極管處于倒置工作狀態(tài)，此時電流放大系數(shù)很小，萬用表指針擺動很小。因此，比較C-E 極兩種不

28、同電源極性接法，便可判斷C極和E極了。</p><p><b>　　心得體會：</b></p><p>　　在這學期將近期末的時候，我們做了一個課程設計，雖然到了期末大家都忙著復習，但是經(jīng)過大約一周的時間，我們還是努力完成了這個課程設計，這次的課程設計是十個人一組，我們做的是關于《一氧化碳的檢測儀設計》的設計，由于課程設計是不是單個人的任務，是依靠團體協(xié)作才能完成的事

29、情，所以我們共分為了三個組，第一組是負責程序的，一組是負責報告的，還有一組是負責硬件的。我被分在了硬件組，在硬件組的壓力很大，因為硬件組的完成是其他所有后續(xù)過程的前提，我們硬件組從老師布置任務之后就開始采購元件，其中主要的元件是AT89S51、QM-N5型氣敏元、BS18B20溫度傳感器、單片機、A/D轉換器、時鐘芯片、LCD、外圍擴展數(shù)據(jù)RAM等元件。緊接著我們有開始在網(wǎng)上進行硬件的查詢，硬件的用法，以及一些電路的接法，還有硬件的排序