学位论文基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计论文.docx

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学位论文基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计论文

基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计

摘要

随着社会经济的发展，人们生活水平普遍提高，瓜果、蔬菜及花卉的社会需求数量和品质要求也不断提高，特别是大中城市需要周年供应新鲜蔬菜，因此农业温室得到迅速发展。

二氧化碳气体对农作物的生长起着非常重要的作用。

近些年来，我国北方农村形成了以日光温室为主导的农业产业化，因此，为二氧化碳的增施创造了有利的条件。

由于不同作物所需的二氧化碳浓度不同，在二氧化碳的增施中又难于控制对其量的排放，所以研制二氧化碳浓度检测器并用于日光温室的农业生产，对提高农业科技含量，促进农业增收，农民增收具有深远的意义。

本论文主要针对温室内二氧化碳浓度、温度以及湿度，设计了日光温室检测系统。

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、温湿度的准确检测。

针对不同的参数，可以通过键盘人为设定作物所期望的上、下限值。

当单片机检测到二氧化碳浓度、温湿度有任何一个参数越限时，则启动声光报警，这时检测人员通过主机打开相应的执行机构进行补偿。

检测器可以通过RS-232实现和温室主机的串行通讯。

本系统具有易于操作、运行可靠、便于扩充等特点。

该系统考虑到温室环境的复杂性增加传感器实现多点多目标因子的检测。

系统体积小，操作非常简单，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，人机界面友好。

该系统具有功能强成本低的特点，适合在各种温室或塑料大棚进行环境因子检测。

关键词：

日光温室，二氧化碳浓度，温湿度，单片机，测控

DesignofcarbondioxideinfrareddetectorbasedonMCU

Abstract

Asourcountryrealizesthecomparativelywell-offlevelbasically,people'slivingstandardsgenerallyimprove,especiallytheLargeandmediumcitiesneedtosupplythefreshvegetablesinanniversary,ThisneedstodevelopproductionofthegreenhouseCarbondioxideoncropgrowthandplaysaveryimportantrole.Inrecentyears,theruralnorthChinahaveformedagreenhouse-ledindustrializationofagriculture,therefore,appliedfortheincreaseofcarbondioxidecreatedfavorableconditions.Becausedifferentcropsneeddifferentcarbondioxideconcentrations,thegrowthincarbondioxideitdifficulttocontrolitsfacilitiesintheamountofemissions,socarbondioxidedetectordevelopedandusedingreenhouseagricultureproduction,raiseagriculturalscienceandtechnologytopromoteagriculturalincomeandfarmersincreaseoffar-reachingsignificance.

Thisthesispresentsthemeasuringandcontrollingsystemabouttemperature,humidityandcarbondioxide'sdensityinthegreenhouse,composedofhostPCandsecondaryMCU.Consideringtheaccuracyandeconomical,thisthesisdesignAT89S52asthecorecontrolapparatus,andchoosethesensorswithhighrationbetweenperformanceandcost.itachievedaccuratemeasurementandaccuracycontrol.Whentheparameterhasexceededthelimit,includingtemperature,humidityandcarbondioxide'sdensity,thesingle-chipmicrocomputersactivatetheaudibleandvisualalarm.Atthesametime,thesingle-chipmicrocomputerscontrolthesolidstaterelaytoactuatemechanismforcompensation.Fordifferentparameters,wecanusekeyboardtosettheanticipantrangeofthecrop.ThesecondarycomputercommunicatewiththehostcomputerthroughRS232.

Thissystemiseasytooperate,reliable,easytoexpandandsoon.Thesystemtakingintoaccounttheincreasedcomplexityofthegreenhouseenvironmenttoachievemulti-pointmulti-sensortargetofcytokines.Systemissmall,theoperationisverysimpleandflexiblefordifferentenvironments,differentrequirementsofdifferentcropscanbemodifiedatanytimelimitalarmvalue,friendlyinterface.Thesystemhaspowerfulfunctionandlowcost,suitableforgreenhouseorplastictunneltestingofenvironmentalfactors.

Keywards:

greenhouse;temperature;humidity;carbondioxide;single-chipmicrocomputer

1绪论

1.1研究目的和意义

目前，随着日光温室的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对温室的自动化程度要求也越来越高。

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，特别是日光温室已经成为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、湿度等。

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。

以日光温室为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。

温室内的二氧化碳浓度参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。

国外的温室设施已经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。

而当今大多数对温室二氧化碳浓度的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。

因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节温室内二氧化碳的浓度，使大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。

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【1】【2】。

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【3】【4】。

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【5】。

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【6】。

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【7】【8】，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【9】。

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【10】。

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，当二氧化碳浓度超过设定的上、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的调控，从而使得大棚内的参数在适合作物生长的范围内。

本论文主要研究内容包含以下几个方面：

1.二氧化碳浓度的选型及相应信号处理电路的设计；

2.实现温室内二氧化碳浓度环境因子的自动检测；

3.通过人机对话接口实现参数显示和在线参数修改；

4.当环境因子超过上下限值时启动报警功能；

5.检测器外形设计。

2系统总体方案的设计

2.1总体方案设计

为了便于管理本设计以上、下位机模型为阳光温室测控系统。

其中，上位机是温室主机（PC机），下位机是检测器。

检测器应能完成以下工作：

脱离主机独立地进行数据采集和处理，通过人机接口（键盘和显示器）实现参数设定、显示和报警等功能；连接主机时能实现通信功能。

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、输出控制模块、键盘显示模块和数据通信模块等。

数据采集与处理模块能够完成温室内二氧化碳浓度的模拟量的采集和处理，结果送数据存储器或传输给监控服务器，由监控服务器存储和管理，输出控制模块主要负责与主机相连接时温室执行机构的控制；通信模块则是基于RS-232总线，由双绞线进行远程的数据传输，实现检测器和主机的通信。

整个温室测控系统主要由温室内外环境自动测试系统，（间接）自动控制系统，人机对话接口和通讯接口四个部分组成。

1．温室内外环境自动测试系统

本设计研究的检测器主要测试温室内二氧化碳浓度环境参数。

2．温室内环境自动控制系统

根据环境自动测试系统得到的结果,控制相应执行机构的执行，为作物提供良好的生长环境。

3．人机对话接口

LED显示系统：

显示温室内的二氧化碳浓度环境参数值。

键盘：

用以人工预置各适宜环境参数值。

报警信号：

当某环境参数值超过限定界限时，发出声光报警信号，提醒农艺人员采取相应措施。

4．通讯接口

用来实现与主机的通讯，将存储的测试数据传送给主机，可以方便的实现集中式管理。

2.2详细设计

本文通过以上对阳光温室蔬菜中的参量及其相互关系的分析研究，对检测系统总体方案进行了详细设计，采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机、美国生产的红外二氧化碳传感器6004。

单片机通过A/D0832转换器把从传感器输出的模拟信号转换成数字信号。

显示部分由比较廉价的LED数码管对二氧化碳浓度进行分时显示。

当二氧化碳浓度量低于或者高于期望的范围时，系统会控制自动报警。

本设计采用的是声光报警，声光报警主要是控制蜂鸣器的发声频率和控制指示灯，使其一亮一灭，从而达到报警的目的。

具体的系统框图如图2.2所示：

图2.2二氧化碳检测器的原理图

3硬件设计

3.1微控制器概述和选用

计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。

微控制器（单片机）就是在这种情况下诞生的。

它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用【14】。

市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS96系列单片机以及Microchip公司的PIC系列单片机等。

各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/O能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。

本文选用Atmel公司生产的AT89S52作为CPU。

AT89S52是一种低功耗、低价格，高性能8位微处理器。

3.1.1AT89S52单片机的特点

AT89S52的PDIP封装管脚如图3.1所示。

图3.1AT89S52管脚图

3.1.2AT89S52单片机的主要特性

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。

AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8KBFlash片内程序存储器，256位的随机存取数据存储器，32个外部双向输入/输出口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，3个可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

3.2二氧化碳数据的采集与处理

二氧化碳是植物进行光合作用的重要原料之一，可以提高植物光合作用的强度，并有利于作物的早熟丰产，增加含糖量，改善品质。

而空气中的二氧化碳浓度一般约占空气体积的0.03%，远远不能满足作物优质高产的需要。

现代农业中，大都采用温室大棚进行作物的栽培和培育。

在作物的整个生长期，都需要提供不同浓度的二氧化碳。

适宜的二氧化碳浓度可以促使幼苗根系发达，活力增强、产量增加。

而现代农业中的温室大棚，形成了一个相对封闭的环境，使得对二氧化碳浓度的控制成为可能。

但是，空气中二氧化碳浓度的测量，是一个比较困难的问题，因为它涉及到测量方法、信号的获取和测量设备的成本。

专业的二氧化碳浓度测量仪表的价格一般都在上万元/台，在一般用户中难以普及，因此，本论文针对此问题设计一种能够应用在农业上的二氧化碳检测器。

3.2.1二氧化碳传感器的选择

气体传感器主要可以分为金属氧化物半导体式传感器、固体电解质传感器、红外式传感器等，一般的半导体传感器测量时受环境影响较大，输出线性不稳定；电解式气体传感器气体的重复性比较差；红外线吸收散射式气体传感器灵敏度高，可重复性好，响应时间快，考虑到系统的长期稳定性和经济性选择采用红外二氧化碳传感器6004。

3.2.2红外二氧化碳传感器的工作原理

本课题所选用的二氧化碳传感器是美国telaire公司生产的红外二氧化碳传感器6004，此传感器基于气体对红外光吸收的郎伯--比尔吸收定律，采用国际上最新的电调制红外光源、高灵敏度滤光传感一体化红外传感器、高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室等，实现不同浓度、气体的高精度连续检测。

其测量精度：

二氧化碳浓度相对误差<2%；检测重复性<1%；测量范围：

二氧化碳浓度0～5%。

1.红外气体测量的基本原理：

当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收作用，其吸收关系服从朗伯-比尔吸收定律。

设入射光是平行光，其强度为

，出射光的强度为

，气体介质的厚度为

．当由气体介质中的分子数

的吸收所造成的光强减弱为

时，根据朗伯-比尔吸收定律：

（3.1）

式中K为比例常数。

经积分得：

（3.2）

式中：

为吸收气体介质的分子总数；

为积分常数。

显然，有：

式中

为气体浓度。

则式（3.2）可写成：

（3.3）

式（3.1）表明：

光强在气体介质中随浓度

及厚度

按指数规律衰减。

吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数

互不相同。

对同一气体，

随入射波长而变。

若吸收介质中含

种吸收气体，则式（3.3）应改为

（3.4）

因此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。

图3.2NDIR红外气体分析示意图

图3.2为NDIR红外气体分析原理图。

分析二氧化碳气体时，红外光源发射出1～20

的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26

波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26

波长红外光的强度，以此表示二氧化碳气体的浓度。

3.3A/D转换器及其接口电路

接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。

单片机接口技术【18】是研究单片机与外部芯片之间如何交换信息的技术，外部的各种信息通过输入接口送入单片机，而单片机的各种信息通过输出接口送到外部芯片中，因此单片机需要通过信息转换器件实现信息的交流与控制。

人们把由模拟量到数字量转换器件（AnalogtoDigitalConverter）称为模拟—数字转换器，简称A/D转换器或ADC；把由数字量到模拟量转换的器件（DigitaltoAnalogConverter）称为数字—模拟转换器，简称D/A转换器或DAC。

常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，前者转换时间短，但抗干扰能力差；后者转换时间长，抗干扰能力较强。

因此在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，易采用双积分式A/D转换器。

在常用的A/D转换芯片（如ADC0809、ADC0832、ICL7109等）中，ADC0832与其余几种有所不同，ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。

因此它广泛应用在速度要求不高，而精度要求较高的各种领域中。

本文用单片机的串行方式采集ADC0832的数据【19】。

图3.7ADC0832封装以及各端子。

图3.7ADC0832封装以及各端子

3.3.1ADC0832的主要特点及管脚

ADC0832的主要特点有：

·8位分辨率；

.逐次逼近式A/D转换器

·双通道A/D转换；

·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；

·5V电源供电时输入电压在0~5V之间；

·工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；

·一般功耗仅为15mW；

·8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；

·商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为−40°Cto+85°C；

芯片接口说明：

·CS片选使能，低电平芯片使能。

·CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

·CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

·GND芯片参考0电位（地）。

·DI数据信号输入，选择通道控制。

·DO数据信号输出，转换数据输出。

·CLK芯片时钟输入。

·Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达25