基于单片机的co2浓度检测与显示系统设计.docx

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基于单片机的co2浓度检测与显示系统设计

基于单片机的CO2浓度检测与显示系统设计

设计总说明

随着社会经济的发展，人们生活水平普遍提高，对空气品质要求也不断提高，特别是大中城市空气污染严重。

二氧化碳气体对人和人农作物的生活生长起着非常重要的作用。

所以言之CO2研究检测装置是非常必要的，对我们人的健康和农作物的生长考价值，不同植物对CO2的浓度需求也不尽相同。

本论文主要针对空气中二氧化碳浓度设计检测系统。

综合考虑系统的精度、稳定性以及经济性要求这三个方面之后，确定以AT89S52单片机为控制核心，选用性价比比较高的传感器，来实现对二氧化碳浓度的准确检测。

本设计共有三部分组成，用CO2浓度传感器TGS4160检测CO2浓度，控制单元用AT89C51单片机，显示模块用LED数码管。

整个系统具有易于操作、运行可靠、便于扩充等特点。

系统体积小，操作简单，灵活性强，针对不同环境、不同作物的不同要求，可以随时随地修改极限报警值。

该系统具有功能强成本低的特点，适合在各种环境进行检测。

关键字：

AT89C51，TGS4160，CO2浓度，LED

CO2concentrationdetectionbasedonsinglechipmicrocomputeranddisplaysystemdesign

DesignDescription

Withthedevelopmentofsocialeconomy,thegeneralimprovementofpeople'slivingstandard,theairqualityrequirementsareconstantlyimprove,especiallyinlargeandmedium-sizedcitiesairpollutionisserious.Carbondioxidegastohumancropsgrowthplaysaveryimportantroleoflife.SotheresearchofCO2detectiondeviceisverynecessary,andthegrowthofcropstothehealthofourpeopletestvalue,differentplantshavedifferentdemandsfortheconcentrationofCO2.Thispapermainlyinviewofthedesignofcarbondioxideconcentrationintheairsystem.Consideringtheprecisionofthesystem,stability,andeconomicalrequirementsafterthethreeaspects,determinetheAT89S52singlechipmicrocomputerascontrolcore,withhighcostperformancesensors,toachieveaccuratedetectionoftheconcentrationofcarbondioxide.

Thedesignofatotalofthreeparts,withCO2concentrationsensorTGS4160detectCO2concentration,thecontrolunitwithAT89C51,LEDdigitaltubedisplaymodule.Thewholesystemiseasytooperate,reliableoperation,easytoexpand,etc.Systemofsmallsize,simpleoperation,strongflexibility,accordingtodifferentenvironment,thedifferentrequirementsofdifferentcropscanbemodifiedatanytimeandplacelimitalarmvalue.Thissystemhasthecharacteristicsofstrongfunctionoflowcost,suitableforallkindsoftestingenvironment.

Keywords：

AT89C51，TGS4160，CO2Concentration，LED

1绪论

1.1研究目的和意义

随着社会经济的发展，人们生活水平普遍提高，对空气品质要求也不断提高，特别是大中城市空气污染严重。

二氧化碳气体对人和人农作物的生活生长起着非常重要的作用。

所以言之CO2研究检测装置是非常必要的，对我们人的健康和农作物的生长考价值，不同植物对CO2的浓度需求也不尽相同。

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是高效农业的一个重要组成部分。

现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。

例如：

二氧化碳浓度、空气的温度等。

在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。

由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。

本论文提出一种以AT89S52单片机为核心的检测器，主要是为了对日光温室内二氧化碳浓度、温度以及湿度进行有效、可靠地检测而设计的。

1.2国内外发展状况

1.2.1国外发展现状

西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。

20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。

随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。

特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。

80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。

目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。

温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。

计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。

1.2.2国内发展现状 

我国现代温室技术起步较晚，70年代以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。

与此同时，从1979年至1994年，从欧美、日本等国家引进了一系列现代化温室进行实验研究。

引进的温室与我国传统温室比较，其空间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，为我国温室的发展提供了借鉴作用。

但这些温室也存在着许多不足之处，主要表现在：

1.价格昂贵，国内农业生产目前难以接受。

2.缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件。

目前我国引进温室的测控系统大多投资大、运行费用过高，并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾。

3.控制方式比较简单，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。

随后在我国出现了一些国外的仿造产品，但均没有面向我国广大农村现有的1000万亩传统温室的改造工程。

所以，传统的方法，人们主要还是采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温来控制温湿度。

因此，以上产品的推广使用价值仍然不大。

总体上说，我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。

而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿度、二氧化碳浓度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。

因此，我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的仪器仪表，并在农业设施中广泛推广。

1.3课题的主要内容及研究意义 

为适应农业发展的需要,根据以上分析存在的问题，本论文设计了基于单片机的二氧化碳浓度、温湿度检测系统。

该系统在设计过程中充分考虑到性价比，选用价格低、性能稳定的元器件，可实现对大棚内二氧化碳浓度、温湿度的在线实时检测。

还设计了通信系统，单片机实时监测大棚内的二氧化碳浓度、温湿度，当二氧化碳浓度、温湿度超过设定的上、下限时，单片机通过与温室主机进行通信来打开相应的执行机构，实现对二氧化碳浓度、温湿度的调控，从而使得大棚内的参数在适合作物生长的范围内。

2系统总体方案的设计

2.1系统设计特点和设计思路

2.1.1系统设计特点

CO2浓度测量是指从CO2传感器或其它待测设备等模拟或数字被测单元中自动采电量或非电量信号输出。

目前，我国大部分地区测量CO2浓度的方式有两种，一种使用有线的控制方式，另一种使用无线控制方式。

有线接线麻烦，且接收温度点用线固定，不能随意移动，接收参数读取不易；无线成本比有线高，在设计时较容易。

本次设计采用有线方式测量温度，有线测量的终端设备可以根据测量者的需求选择位置，有线方式抗干扰能力强。

大部分CO2浓度测量系统都是采用工控机或PLC方案，价格昂贵。

在系统的设计过程中要充分考虑经济性，减少温室设计中的各种成本，这在选择方案上具有较为深远的意义，因此本设计基于STC89C52RC单片机的CO2浓度测量系统。

2.1.2设计思路

本课题设计的是一种以STC89C52单片机为主控制单元，以CO2浓度传感器的组成测量控制系统。

本设计主要针对空气中二氧化浓度的检测采用二氧化碳浓度传感器TGS4160，TGS4160检测到的二氧化碳浓度信号经过模拟变送模块后，送入A/D转化器转化为数字信号后送入单片机处理。

检测器是以单片机为核心的，整个检测器系统包括主模块、数据采集与处理模块、模数转换模块、输出控制模块和显示模块等。

数据采集与处理模块能够完成二氧化碳浓的模拟量的采集和处理，结果送数据存储器，输出控制模块主要负责显示控制。

 系统总体框图如图2-1所示。

如图2-1系统总体框图

2.2主要元器件选择

2.2.1传感器选择

TGS4160是日本FIGARO（弗加罗）公司生产的一种固态电化学型二氧化碳传感器（CO2sensor），该器件除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性外，同时还具有耐高湿和耐低温等特点。

因而可广泛用于自动通风换气系统或CO2气体的长期监测等应用场合。

1.二氧化碳传感器TGS4160概述

GS4160二氧化碳传感器是FIGARO（弗加罗）公司生产的固态电化学型气体敏感元件。

这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性可广泛用于自动通风换气系统或是CO2气体的长期监测等应用场合。

但是，由于TGS4160的预热时间较长（一般为２小时），所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。

此外，为了方便客户使用，FI-GARO公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块ＡＭ－４。

该模块采用微处理器进行控制，CO2气体浓度的输出信号电平为0.0～3.0Ｖ，相当于0～3000ppm的浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。

TGS4160传感器的主要技术参数如下：

•测量范围：

0～5000pm；

•使用寿命：

2000天；

•加热器电压：

5.0±0.2ＶＤＣ；

•加热器电流：

250ｍＡ；

•加热器功耗：

1.25Ｗ；

•内部热敏电阻（补偿用）：

100ｋΩ±5％；

•使用温度：

-10～＋50℃；

•使用湿度５～９５％ＲＨ。

2.二氧化碳传感器内部结构

TGS4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式二氧化碳敏感元件。

该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。

它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。

该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。

元件的内层采用100目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。

其外层顶盖上又罩上了一层60目的不锈钢网。

为了达到降低干扰气体影响的目的，TGS4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。

传感器的6个引脚通过0.1mm的箔导线与内部相连。

TGS4160内部等效结构图如图2-2所示。

阳极与传感器的第3脚S（+）相连，阴极与传感器的第4脚S（-）相连，Pt加热器与传感器的第1，6脚相连，内部热敏电阻与传感器的第2，5脚相连。

内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。

图2-2TGS4160等效内部结构

2.2.2单片机选择

一般情况下，控制器的选择需要遵循以下几个原则：

1．控制器的基本性能参数是否满足设计需求。

比如控制器的指令执行速度I/0口引脚数量、程序存储器（ROM、RAM）的容量及是否支持外部扩展、UART或者SPI口的数量、中断处理系统等是否满足设计要求。

2．控制器的工作电压及工作温度是否满足现场环境的要求。

3．开发成本是否相对经济性。

当基本性能参数都满足后就要综合考虑开发成本问题，开发周期的长短也对可移植性提出一定的要求，最后还需考虑到系统是否容易维护等问题。

单片机作为系统的核心部件它的选择对整个系统起着很重要的作用。

目前较为广泛应用的单片机有51系列的8位、面向大数字信号处理领域的数字信号处理器（DSP）、增强型的16位单片机机以及32位的AR芯片这几种。

ARM芯片的优点是体积小、功耗低、功能广泛和性能高的特点，它主要应用在比较简单的小型的场合。

方案一：

采用89C51，其内部有4KB的存储器，编码后以并行方式传输数据。

它的优点是方便实现，软件开销小。

方案二：

采用8051，其内部无片内程序存储器，因此，必须在片外扩展EPROM。

综合分析，采用方案一以比较方便。

2.2.3显示模块

目前主要的显示屏有LCD与LED两种，LCD与LED是指液晶电视背光技术的两个发展阶段，也是目前市场主要的两种液晶电视背光技术。

但无论哪种背光技术，液晶本身的原理都相同。

液晶本身不发光，需要用背光照亮。

这种照亮技术就分为LCD与LED。

LED的技术相比LCD更先进，整体视觉效果更好，更节能，当然价格会更高一些。

相比较而言，LED作为背光源能使显示屏更加轻薄，显色效果会更好。

另外较为重要的问题是，LCD电视采用冷阴极荧光管，因为含有水银，因此也被认为对环境有较大的损坏。

而LED液晶电视使用的使发光二极管，不存在水银的问题。

1、LED与LCD的功耗比大约为1:

10，LED更节能。

2、LED拥有更高的刷新速率，在视频方面有更好的性能表现。

3、LED提供宽达160°的视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息，可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号。

4、LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。

综上所述选择LED作为本次设计的显示屏，具有较高的显示清晰度，是使的测量结果别预计以更加容易控制。

2.3CO2浓度测量的意义

CO2浓度的测量具有重要的意义，CO2对于我们人有一定的要求，如果CO2浓度过高对我们将会是一种危害，对我们的正常生活造成影响；但是CO2浓度对于对于职务也有一定的影响，不同的植物对CO2浓度的需求也是不一样的，植物进行光合作用吸收CO2，释放氧气的过程与CO2的浓度有着密切的联系，针对不同的植物需要维持不同浓度的二氧化碳。

所以测量空气中的二氧化碳浓度有着极其重要的作用。

3.系统硬件设计

3.1电源模块设计

图3-1为系统的电源电路。

整个系统3.7V电池经过升压到5V供电，S1为电源开关，控制系统电源的通断，D1为发光二极管，利用发光二极管的特性即具有单向导通性，防止电源接反，还可以作为电源指示灯。

1K的电阻为限流电阻或者稳流电阻，保证系统正常工作。

本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。

图3-1电源电路

3.2单片机

3.2.1AT89C51单片机介绍

芯片AT89C51是Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS单片机，片内含有4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随即存取数字存储器（RAM），片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机性价比高，可灵活应用于各种领域。

AT89C51的主要性能参数如下：

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节可重擦写Flash闪速存储器

·1000次擦写周期

·全静态操作：

0Hz-24MHz

·三级加密程序存储器

·128*8字节内部RAM

·32个可编程I/O接口

·2个16位定时/计数器

·6个中断源

·可编程串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

·低工作电压5V

AT89C51单片机引脚图如图3-2所示。

图3-2单片机引脚图

3.2.2最小系统设计

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两个软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。

单片机最小系统有两种，一种是上电复位，另一种是下拉复位。

单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:

单片机、晶振电路、复位电路。

如图3-3所示。

图3-3最小系统图

1.AT89C51的时钟振荡器

AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的篇外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图3-4所示：

图3-4内部震荡电路

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外接电容虽然没有十分严格的要求，但是电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容使用30Pf，如使用陶瓷振荡器电容使用40pF。

电路也可以使用外部时钟。

采用外部时钟电路如图1.1右所示。

这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，引脚XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但是最小高电平持续时间和最大电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

2.AT89C51复位电路

复位的作用是使程序自动从0000H开始执行，因此我们只要在AT89C51单片机的RST端加上一个高电平信号，并持续10ms以上即可，RST端接有一个上电复位电路，它是由一个小的电容和一个接地的电阻组成的。

按键复位电路另外采用一个按钮来给RST端加上高电平信号。

本设计采用放电型的进行人工复位的电路，如图3-5按键复位电路，上电时C3通过R2充电，维持宽度大于10ms的正脉冲，就可以完成复位操作。

当C3结束充电后，RST端出现低电平，这是CPU将正常的工作。

在本次设计中如果需要按键进行复位，就按下按钮BUTTON3，C3通过BUTTON3和R2放电，RST端电位将会上升到高电平，从而实现人工复位，BUTTON3松开后C3重新充电，当结束充电后，CPU将会重新工作。

下图中，R2是限流电阻，阻值不可以过大，否则不能起到复位作用。

图3-5复位电路

3.3CO2检测电路设计

TGS4160在温度为20℃±2℃、湿度为65±5％RH、加热电压为5.0±0.05V、预热时间为7天或大于7天的条件下，测得传感器在浓度为350ppm中的EMF值是220～490mV，而ΔEMF在350～3500ppm的CO2浓度中的值是44～72mV，因此在实际测量应用电路中，要根据传感器的特点要求，除使用高输入阻抗（≥100GΩ）、低偏置电流（≤1pA）的运算放大器外，还要对测得的信号进行处理。

处理该信号选择使用费加罗（FIGARO）公司的FIC98646专用处理器模块,AM-4模块。

图3-6二氧化碳浓度检测电路

AM-4二氧化碳传感器模块，则可直接应用于二氧化碳气体监测。

该模块内部带有A/D转换器，并已对数据进行了采样并作了处理。

它输出的电压信号与二氧化碳浓度值呈线性关系，输出的电压信号为0～3.0V，相当于0～3000ppm的二氧化碳浓度。

AM-4模块的输出电压为0～3V，需要经过放大处理变为0～5V传送给A/D转化器，才能为单片机传送更为准确的数字信号。

如图3-6所示。

3.4报警电路设计

若CO2浓度参数超标时，则启动声光报警电路，同时单片机通过控制固态继电器来打开相应的执行机构，工作人员也可以根据此情况来查看相应的区域或者采取相应的措施。

3.4.1报警电路介绍

报警电路中光报警采用发光二极管，声报警采用蜂鸣器来设计，采用两个引脚控制。

其中，蜂鸣器电路中，9013三极管起开关作用，输出高电平时，管脚输出电压VOH=VCC-0.25V=3.05V，输出电流I=-1mA，经过2K限流电阻R分压后，到达9013基极的电压为1.05V，使得三极管发射结正偏，集电结反偏，晶体管导通，蜂鸣器上电而产生报警声。

对与发光二极管，必须采用限流电阻，否则会是二极管电流过大而烧坏。

当单片机P1.3和P1.4同时置高时，即可实现声光报警。

其硬件电路如图3-7所示。

图3-7报警电路

3.5显示模块设计

在单片机系统中，一般的数据显示终端有两大类：

一是采用LED数码管显示，二是采用LCD显示。

LED显示亮度高，但每只数码管只显示一位字符，显示的数据位数多时就需要较多的数码管。

显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写。

显示电路如图3-8所示。

图3-8LED显示电路

3.6A/D转换电路设计

AD7705是十六位分辨率的A/D转换器，两通道全差分模拟输入，使用+5V单电源,主要应