課程設(shè)計(jì)報(bào)告---一氧化碳檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

1、<p>　　題目：一氧化碳檢測(cè)儀設(shè)計(jì)</p><p>　　一氧化碳檢測(cè)儀是家庭安全計(jì)劃的一個(gè)重要組成部分。在美國，消費(fèi)者產(chǎn)品安全委員會(huì)建議每一個(gè)家庭至少要有一個(gè)一氧化碳檢測(cè)儀。一氧化碳檢測(cè)儀是通過一氧化碳傳感器感應(yīng)空氣中一氧化碳?xì)怏w的濃度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)的大小跟一氧化碳的濃度有關(guān)。一氧化碳檢測(cè)儀按所使用的傳感器來分類，一般分為半導(dǎo)體一氧化碳檢測(cè)儀、電化學(xué)一氧化碳報(bào)警器、紅外一氧化碳檢測(cè)儀等，從測(cè)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(cè)儀，但比較昂貴適合實(shí)驗(yàn)室使用，民用的一般為半導(dǎo)體和化學(xué)的一氧化碳檢測(cè)儀。</p><p>　　半導(dǎo)體一氧化碳檢測(cè)儀采用半導(dǎo)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(shí)能快速響應(yīng)，因此要提供比較大的電流，當(dāng)溫度、濕度、甚至風(fēng)變化大時(shí)對(duì)其精確測(cè)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(bào)，但其價(jià)廉，一般使用壽命可達(dá)五年。</p><p>　　電化學(xué)一氧化碳檢測(cè)儀采用零功耗化學(xué)一氧化碳傳感器作為敏感元件，大都采用電化學(xué)法中的定電位電解法原理，利用定電位電解法進(jìn)行氧化還原化學(xué)反應(yīng)，檢測(cè)擴(kuò)散電流便可得出一氧化碳?xì)怏w的濃度，并且有很好的線性測(cè)量范圍以及很高的選擇性，抗交叉氣體干擾能力也很強(qiáng)，價(jià)格相對(duì)比較貴。電化學(xué)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(cè)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(bào)警器等。電化學(xué)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(huì)影響其靈敏度和壽命，甚至?xí)?。電化學(xué)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(dá)八年以上。</p><p>　　設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)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(shè)計(jì)嘗試在一般抽風(fēng)機(jī)等通風(fēng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，應(yīng)用單片機(jī)作

5、為測(cè)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(shí)現(xiàn)小型化，低成本，高性能的一氧化碳檢測(cè)、報(bào)警一體化裝置。</p><p>　　要求能同時(shí)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)以上一氧化碳含量，并具有顯示、報(bào)警功能。</p><p><b>　　給定條件：</b></p><p>　　面包板一塊；傳感器2個(gè)、顯示模塊1個(gè)；單片機(jī)1個(gè)；電阻、電容和其他元器件若干。&

6、lt;/p><p><b>　　設(shè)計(jì)思路：</b></p><p>　　一氧化碳?xì)怏w質(zhì)量濃度檢測(cè)控制系統(tǒng)是通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)一氧化碳?xì)怏w濃度的采集、顯示、控制、報(bào)警等一系列功能的系統(tǒng)。</p><p>　　設(shè)計(jì)過程為：一氧化碳?xì)怏w傳感器直接與環(huán)境中的被測(cè)氣體反應(yīng)，產(chǎn)生線性變化的微弱電流信號(hào)，該信號(hào)通過信號(hào)濾波放大電路后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送給單片機(jī)，經(jīng)

7、過模數(shù)轉(zhuǎn)換、模型運(yùn)算等處理，直接在液晶屏上顯示出被測(cè)氣體的質(zhì)量濃度。且該儀器可設(shè)置報(bào)警，當(dāng)氣體質(zhì)量濃度達(dá)到預(yù)置的報(bào)警值時(shí)，可發(fā)出報(bào)警信號(hào)。</p><p><b>　　具體設(shè)計(jì)過程要求：</b></p><p>　　1.確定總體測(cè)量方案</p><p>　　2.選擇合適的傳感器、單片機(jī)、開關(guān)裝置、顯示模塊等；</p><p&

8、gt;　　3.設(shè)計(jì)并搭建一氧化碳測(cè)量電路、單片機(jī)測(cè)量/顯示/報(bào)警電路；</p><p>　　4.在模擬環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)一氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)；</p><p><b>　　5.完成報(bào)告。</b></p><p>　　一、硬件選擇及介紹 </p><p>　　在接到課程設(shè)計(jì)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(cè)

9、儀的具體方案。</p><p>　　硬件選擇主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘芯片、LCD、外圍擴(kuò)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(jī) AT89S51/LS51單片機(jī)是低功耗的、具有4KB在線課編程Flash存儲(chǔ)器的單片機(jī)。它與通用80C51系列單片機(jī)的指

10、令系統(tǒng)和引腳兼容。片內(nèi)的Flash可允許在線重新編程，也可使用非易失性存儲(chǔ)器編程。他將通用CPU和在線可編程Flash集成在一個(gè)芯片上，形成了功能強(qiáng)大、使用靈活和具有較高性能性價(jià)比的微控制器。 </p><p>　　AT89S51/LS51具有如下特性：--片內(nèi)程序存儲(chǔ)器含有4KB的Flash存儲(chǔ)器，允許在線編程，檫寫周期可達(dá)1000次；--片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)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(gè)16位I/O線；--中斷系統(tǒng)具有6個(gè)中斷源、5個(gè)終端矢量、2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)；--串行口是一個(gè)全雙工的串行通信口；--具有兩個(gè)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(jí)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(nèi)看門狗定時(shí)器；--靈活的在線片內(nèi)編程模式（字節(jié)和頁編程模式）；--具有斷電標(biāo)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(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升

13、高。</p><p>　　特點(diǎn)：1）用于可燃性氣體的檢測(cè) 2）靈敏度高 3）響應(yīng)速度快 4)輸出信號(hào)大 5）壽命長，工作穩(wěn)定可靠</p><p><b>　　技術(shù)指標(biāo)如下：</b></p><p>　　74LS74 D觸發(fā)器電路 74LS74內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的D上升沿雙d觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入、置位輸入、復(fù)位輸入、時(shí)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(shè)計(jì)</p><p>　　硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)主要包括：硬件主電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、液晶顯示電路設(shè)計(jì)、外圍擴(kuò)充存儲(chǔ)器接口電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤接口電路等功能模塊電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1：</p

15、><p><b>　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　2.1 一氧化碳?xì)怏w傳感器電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　一氧化碳?xì)怏w傳感器電路主要有一氧化碳傳感器和低電壓低功耗CMOS運(yùn)放構(gòu)成，其功能是將傳感器的弱電流信號(hào)放大為電壓信號(hào)，在氣體傳感器的線性輸出范圍內(nèi)，電路輸出電壓隨氣體質(zhì)量濃度線性變化。測(cè)量質(zhì)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(nèi)部已校準(zhǔn)，并采用內(nèi)部補(bǔ)償。其輸出電壓與質(zhì)量濃度成正比，無需校準(zhǔn)，精度很高。</p><p><b>　　具體電路圖如下：</b></p><p>　　2.2 A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換是將 模擬的電壓或電流信號(hào)與參與電壓或電流信號(hào)相比得到一個(gè)相應(yīng)的過程?？稍O(shè)

17、置1~8個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道，必須通過對(duì)ADCON0和ADCON1兩個(gè)寄存器的設(shè)定來控制A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　2.3 鍵盤控制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計(jì)，低電平有效。系統(tǒng)共用到四個(gè)按鍵，</p><p>　　按鍵1是系統(tǒng)復(fù)位，按鍵2是功能轉(zhuǎn)換鍵，按鍵按下時(shí)，顯示當(dāng)前濃度值。按鍵3，設(shè)定質(zhì)量濃度依次減1,；按鍵

18、4，設(shè)定質(zhì)量濃度依次加1。</p><p>　　2.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì) </p><p>　　系統(tǒng)的報(bào)警電路由發(fā)光二極管和低電壓蜂鳴器構(gòu)成。當(dāng)控制信號(hào)FM為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。反之，當(dāng)控制信號(hào)FM為高電平時(shí)，蜂鳴器不工作。報(bào)警電路如下圖：</p><p>　　2.5液晶顯示電路的設(shè)計(jì)</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?xì)怏w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(gè)非常重要的參數(shù)。如圖8所示，本設(shè)計(jì)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(hào)，所以單片機(jī)只需要定時(shí)去讀取數(shù)值盡可以了。連接電路就只需要給DS18B20和單片機(jī)之間建立一個(gè)通信信道即可。</p><p><b

20、>　　2.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　由于電機(jī)的功率為3W，單片機(jī)I/O口無法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，所以需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來連接單片機(jī)和電機(jī)，且電機(jī)和單片機(jī)之間需要進(jìn)行電源隔離。如圖6所示，本設(shè)計(jì)采用光耦和L298N組合使用來作為驅(qū)動(dòng)電路。采取光電隔離是一種抗干擾技術(shù)，這樣既能保證單片機(jī)正常工作，又能保證電機(jī)正常運(yùn)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(cè)各元件器件是否損壞，以避免在調(diào)試整機(jī)電路時(shí)帶來不必要的麻煩。</p><p>　　(一)整機(jī)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(jí)進(jìn)行合理布局，一般按照電路的順序一級(jí)一級(jí)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(jìn)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(xiàng)：</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(cuò)線、開路、短路。排除的方法是首先將連接的面包板認(rèn)真對(duì)照原理圖，看兩者是否一致。必要時(shí) 我們利用數(shù)字萬用表的短路測(cè)試功能，這樣可以縮短排錯(cuò)時(shí)間。</p><p><b>　　②排除元器件失效</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(cuò)誤，或者通過測(cè)試元器件相連結(jié)的元器件是否工作來排除錯(cuò)誤。</p><p><b>　?、叟懦娫垂收?lt;/b></p><p><b>　　（二）元器件檢測(cè)</b></p><p>　　1、晶體三極管管腳、質(zhì)量判別</p&

25、gt;<p>　　可以把近體三極管的結(jié)構(gòu)看作是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，對(duì)NPN型來說基極是兩個(gè)PN結(jié)的公共陽極，對(duì)PNP型管來說基極是兩個(gè)PN結(jié)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(gè)電極——嘉定的公共極，另一表筆分別接其它兩個(gè)電極，當(dāng)兩次測(cè)得的組織一大

26、、一小相差很多，則眼前假定的基極有錯(cuò)，就更換其它電極重新進(jìn)行測(cè)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>　　②發(fā)射極與集電極的判別</p><p>　　當(dāng)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(shí)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(jié)需加正偏置，集電

27、結(jié)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(dòng)很小，它所指示的電阻值反應(yīng)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(shí)萬用表指針將有較大幅度擺動(dòng)，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(shí)電流放大系數(shù)很小，萬用表指針擺動(dòng)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(huì)：</b></p><p>　　在這學(xué)期將近期末的時(shí)候，我們做了一個(gè)課程設(shè)計(jì)，雖然到了期末大家都忙著復(fù)習(xí)，但是經(jīng)過大約一周的時(shí)間，我們還是努力完成了這個(gè)課程設(shè)計(jì)，這次的課程設(shè)計(jì)是十個(gè)人一組，我們做的是關(guān)于《一氧化碳的檢測(cè)儀設(shè)計(jì)》的設(shè)計(jì)，由于課程設(shè)計(jì)是不是單個(gè)人的任務(wù)，是依靠團(tuán)體協(xié)作才能完成的事

29、情，所以我們共分為了三個(gè)組，第一組是負(fù)責(zé)程序的，一組是負(fù)責(zé)報(bào)告的，還有一組是負(fù)責(zé)硬件的。我被分在了硬件組，在硬件組的壓力很大，因?yàn)橛布M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(wù)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(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘芯片、LCD、外圍擴(kuò)展數(shù)據(jù)RAM等元件。緊接著我們有開始在網(wǎng)上進(jìn)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