精品基于气体检测的智能换气控制系统毕业论文Word下载.docx
《精品基于气体检测的智能换气控制系统毕业论文Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精品基于气体检测的智能换气控制系统毕业论文Word下载.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
图1智能换气系统原理框图
1、设计思路
智能换气系统的设计思路：
在外界信息采集上分为三个部分，首先是利用二氧化碳传感器采集环境中的模拟信号，通过单片机STC12C5628AD自带AD模块转换成数字信号，在程序控制下通过函数得出现在的二氧化碳浓度，如果超过设定的阈值。
将开启排气扇改善当下环境。
其次，利用温湿度传感器，采集当前的湿度值，通过IIC通信读取当前的湿度值，当其超过阈值，通过继电器电路开启除湿器。
最后利用粉尘传感器，时刻监测环境中的其他有害气体的浓度，一旦粉尘浓度超标，将开启报警系统。
2、系统的性能指标
1．实时检测空气中的二氧化碳浓度（1%以内），依据浓度的大小改变风扇的功率大小
2．湿度传感器监控空气的湿度（40%~50%），决定是否开启除湿器
3．监控烟尘的浓度，当浓度达到一定范围（大于1mg立方米），报警器开启
3、系统主要功能
1．实时监测二氧化碳的浓度，在二氧化碳超过指标时，依据二氧化碳的浓度大小来自动的调节排气扇的功率，直至二氧化碳的浓度恢复到正常水平。
2．温湿度传感器在采集到当前的温湿度时，通过对温度的分析，决定当前湿度下是否采用除湿器。
使当前的湿度更适于人的主观感觉。
3．粉尘浓度传感器主要是针对该环境下的烟尘和煤气浓度的检测，防止发生爆炸和窒息，一旦空气的粉尘达到阈值将开启报警器，同时开启排气扇将最大限度的加强空气的交换流量。
三．电路组成及原理
智能换气系统原理如图2所示：
图2：
系统原理图
主要模块：
1、二氧化碳浓度传感器模块
该模块是由LM393、MG811二氧化碳气体感应探头集成的，模块上有温度补偿电阻，信号放大微调旋钮，TTL信号输出灵敏度调节旋钮。
另外在的输出信号上可以选择TTL电平输出和模拟信号输出。
其主要的特点有：
（1）具有TTL电平信号输出指示，工作电压信号灯指示；
（2）双路信号输出（模拟量信号和TTL电平信号）；
（3）TTL电平输出有效信号为低电平。
（当检测气体浓度超过设定值时，输出低电平时信号红色指示灯亮，改口可直接接单片机IO）；
（4）模拟量输出电压0~2V，浓度越低输出电压越高；
（5）对二氧化碳具有很高的灵明度和良好的选择性；
（6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；
（7）快速的响应回复特性；
（8）陶瓷探头可以插拔设计，方便更换，隔热散热更好；
（9）带温度补偿输出，标称温度环境下Tcm输出为VCC2电压，当环境温度变化时，输出电压信号变化，温度变化量转换为对应电压输出变化量，从而通过程序补该温度变化量，控制探头更有效的检测。
MG811型工作原理：
本传感器采用固体电解质电池原理，由下列固体电池构成：
空气，Au|NASICON||碳酸盐|Au,空气，CO2
当传感器置于CO2气氛中时，将发生以下电极反应：
负极：
2Li++CO2+12O2+2e-=Li2CO3
正极：
2Na++12O2+2e-=Na2O
总电极反应：
Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2
传感器敏感电极与参考电极间的电势差（EMF）符合能斯特方程：
EMF=Ec-（RxT）（2F）ln（P（CO2））
上式中：
P（CO2）—CO2分压Ec—常量R—气体常量
T—绝对温度（K）F—法拉第常量
在上右图中，元件加热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，元件相当于一个电池，其两端会输出一电压信号，其值与能斯特方程符合得较好。
元件测量时放大器的阻抗须在100—1000GΩ之间，其测试电流应控制在1pA以下。
二氧化碳传感器原理图如下：
图3二氧化碳传感器原理图
二氧化碳传感器实物图如下：
图4实物图：
2、温湿度传感器
SHTxx系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专利的工业COMS过程微加工技术（CMOSens®
），确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的AD转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。
因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个SHTxx传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品提供表面贴片LCC（无铅芯片）或4针单排引脚封装。
特殊封装形式可根据用户需求而提供。
电源引脚：
SHTxx的供电电压为2.4~5.5V。
传感器上电
后，要等待11ms以越过“休眠”状态。
在此期间无
需发送任何指令。
电源引脚（VDD，GND）之间可增
加一个100nF的电容，用以去耦滤波。
串行接口：
SHTxx的串行接口，在传感器信号的读取及电源功耗方面，都做了优化处理；
但与I2C接口并不兼容。
图5温湿度传感器内部框图
串行时钟输入：
SCK用于微处理器与SHTxx之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因此不存在最小SCK频率。
串行数据：
DATA三态门用于数据的读取。
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。
为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。
需要一个外部的上拉电阻（例如：
10kΩ）将信号提拉至高电平。
上拉电阻通常已包含在微处理器的IO电路中。
发送命令：
用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。
它包括：
当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。
DATA
SCK
图6"
启动传输"
时序
后续命令包含三个地址位（目前只支持“000”），和五个命令位。
SHTxx会以下述方式表示已正确地接收到指令：
在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平（ACK位）。
在第9个SCK时钟的下降沿之后，释放DATA（恢复高电平）。
图7SHTXX命令集
应81214bit测量。
确切的时间随内部晶振速度，最多可能有-30%的变化。
SHTxx通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。
控制器在再次触发SCK时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。
检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。
接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。
uC需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。
所有的数据从MSB开始，右值有效（例如：
对于12bit数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；
而对于8bit数据，首字节则无意义）。
用CRC数据的确认位，表明通讯结束。
如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量值LSB后，通过保持确认位ack高电平，来中止通讯。
在测量和通讯结束后，SHTxx自动转入休眠模式。
警告：
为保证自身温升低于0.1℃，SHTxx的激活时间不要超过10%（例如，对应12bit精度测量，每秒最多进行2次测量）。
通讯复位时序：
如果与SHTxx通讯中断，下列信号时序可以复位
串口：
当DATA保持高电平时，触发SCK时钟9次或更多。
在下一次指令前，发送一个“传输启动”时序。
这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。
图8通讯复位时序
CRC-8校验：
数字信号的整个传输过程由8bit校验来确保。
任何错误数据将被检测到并清除。
测量分辨率：
默认的测量分辨率分别为14bit（温度）、12bit（湿度），也可以分别降至12bit和8bit。
通常高速或超低功耗的应用中采用该功能。
数字温湿度传感器实物图如下：
图9数字温湿度传感器实物图
3、粉尘浓度传感器模块
DSM501灰尘传感器是韩国SYHITECHG的专利产品，输出以PWM调制形式，采用粒子计数原理，可灵敏检测直径1微米以上的粒子。
内置加热器可实现自动吸入空气，小尺寸重量轻，且容易安装使用。
广泛应用在空气清新机、空气调节器、空气质量检测仪和通风设备上。
电气参数如下图：
图10电气参数
输出波形PWM：
图11PWM波形
低脉冲率：
RT=LTUTx100%
结构原理图：
图12结构原理图
说明：
1、输出脚Vout2：
此脚位为普通输出脚位，灵敏度已预设定，最小粒子检出能力为1μm；
2、输出脚Vout1：
此脚位为可调输出脚位，灵敏度可通过控制脚来调整，默认为Vout2的2.5倍即最小粒子检出能力为2.5μm；
3、控制脚:
通过在此脚与GND之间加一个电阻可调整Vout1的最小粒子检出水平，调整电阻值可调整Vout1的灵敏度。
4、STC12C5628AD单片机
STC12C5620AD系列单片机是STC生产的单时钟机器周期（1T）的单片机，是高速低功耗超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,4路PWM,8路高速10位AD转换,针对电机控制，强干扰场合。
1．增强型8051CPU，1T，单时钟机器周期，指令代码完全兼容传统8051；
2．工作电压：
STC12C5620AD系列工作电压：
5.5V
-
3.5V
（5V单片机）
STC12LE5620AD系列工作电压：
3.6V
2.2V
（3V单片机）
3．工作频率范围：
0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz
4．用户应用程序空间30K28K24K20K16K12K8K4K字节……
5．片上集成768字节RAM
6．通用IO
口（272315个），复位后为：
准双向口上拉（普通8051传统IO
口）
可设置成四种模式：
准双向口弱上拉，强推挽强上拉，仅为输入高阻，开漏上拉，仅为输入高阻，开漏上拉，仅为输入高阻，开漏
每个IO
口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA
7．
SP（在系统可编程）IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0P3.1）直接下载用户程序，数秒即一片
8．有EEPROM功能
9．看门狗
10．内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）可省外部复位电路））
11．时钟源：
外部高精度晶体时钟，内部RC振荡器
用户在下载用户程序时，可选择是使用内部RC振荡器还是外部晶体时钟
常温下内部RC振荡器频率为：
5.2MHz
～
6.8MHz
精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准
12．共6个16位定时器
两个与传统8051兼容的定时器计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2个PCA模块可再实现4个16位定时器
13．2个时钟输出口，可由T0的溢出在P1.0输出时钟，可由T1的溢出在P1.1输出时钟
14．外部中断9路,下降沿中断或低电平触发中断,PCA模式可分别或同时
持上升沿中断下降沿中断，Power
Down模式可由外部中断唤醒，，INT0P3.2,INT1P3.3,T0P3.4,T1P3.5,RxDP3.0,PCA0P3.7,
PCA1P3.5,PCA2P2.0,
PCA3P2.4
15．PWM
（4路）PCA（可编程计数器阵列,4路）---也可用来当4路DA使用---也可用来再实现4个定时器---也可用来再实现4个外部中断（上升沿中断下降沿中断均可分别或同时支持）
16．AD转换,10位精度ADC，共8路
17．通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现，也可再用定时器软件实现可再用定时器软件实现多串口
18．SPI同步通信口，主模式从模式同步通信口，主模式从模式
19．工作温度范围：
-40
~
+85℃（工业级）0
75℃（商业级）
6.4mm
×
6.4mm）,LQFP32SOP32有27个IO
口，SOP28SKDIP28有23个IO
口，SOP20TSSOP20PDIP20有15个IO
口，IO
口不够时，可用2到3还可用还可用AD做按键扫描来节省IO
口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
STC12C5628AD管脚图如下图：
图13管脚图
5、晶振电路
STC12C5628AD单片机芯片内部设有一个反向放大器所构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为震荡电路的输入端和输出端，时钟信号有外部或内部产生，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元器件，内部震荡电路就会产生自激振荡。
本系统采用的定时元器件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
11.0592MHZ，C12、C13的值为30pF电容的大小可起频率微调作用。
图13晶振电路
6、复位电路
单片机具有多种复位电路，本系统采用电平式开关复位与上电复位方式，具体电路如下图所示。
当上电时，C14相当于短路，给RST端输入大于24个振荡周期以上的高电平脉冲，是单片机复位，在正常工作时，按下开关是单片机复位。
图14复位电路
7、电源电路
7.1电源输入为7.2V，经LM7805稳压，得+5V电压，供STC12C5628AD及相关外设工作。
稳压电路如下图：
图15LM7805稳压电路
7.2在所用传感器模块中，二氧化碳浓度传感器模块所需要的电源为6V，所以运用LM2941稳压，稳出来6V电压，其稳压电路如下图所示：
图16LM2941稳压电路
8、控制电路
8.1在本系统中，控制电路主要是三部分：
除湿器开关电路、排气扇开关电路及报警模块电路。
其中除湿器开关电路和排气扇开关电路类似，都运用了典型的继电器控制电路，电路如下图示：
图17继电器控制电路
8.2报警模块电路运用简单的蜂鸣器电路，如下图示：
图18报警电路
9、整体电路图
图19整体电路图
四．软件设计
软件设计主要是在循环周期内对空气中的三各指标进行实时监测，一旦发生超标事件，会立即通过控制电路采取相应的措施。
软件流程图如下：
图20程序流程图
五．心得体会
本次课程设计即将画上句号，对于我们小组而言，从接触到设计再到实施我们比其他组经历了更多的困难，在实验室留下的汗水也丝毫不必其他人少，但是有幸的是我们的协调配合十分到位，对课题的理解较为深入明确，所以在课题完成进度上我们组可以说是完成的很快。
而在实践过程中大家从思考到抉择到想尽办法克服困难的历程也使我印象深刻，这也是我们初次接触电路设计最为宝贵的财富和经历，虽然时间短暂，不过这期间我们深深感受到了仪器学科这门学科的魅力，通过自己学习和探索，独立解决问题，我们对学科知识有了更加深刻的理解，也对一个系统有了自己的了解和认识，对于解决一些其他问题我们同样可以融会贯通，而在以后的学习和生活中，我想我们会有更多有创意的想法结合到实践中，而不仅仅是这短暂的近一个月课程设计，更多的应该是自己去学习和动手实施。
而在本次课程设计中我们感触最深的就是在遇到任何问题时，不要总是想到问同学，问老师，而是首先应该自己思考，查找问题根源，寻找解决方法，这应该是每个学习这类课程的学生都应该具备的素质，而在本次实践中我们也确实做到了这一点，不管是开关问题还是数码管问题，还是脉冲源和LED灯的问题我们都独立查找出来并灵活运用实验箱把问题解决好，这也是我们最大的收获和成长。
凡事自己动手自己动脑，总能得到别人得不到的知识和快乐。
在此也要感谢指导老师的指导和陪伴，谢谢老师耐心的讲解和指导，在很多问题的上和我们小组讨论，指出错误并给出意见。
真心感谢指导老师！
程序代码
#ifndef_MAIN_H
#define_MAIN_H
#defineCO21000
#defineFENCHEN100
#defineSHIDUMAX50
voiddelay（unsignedintms）;
voidADC_power_on（void）;
voidStart_I2c（）;
voidStop_I2c（）;
voidSendByte（ucharc）;
ucharRcvByte（）;
voidAck_I2c（bita）;
unsignedcharIIC_WriteData（unsignedcharbyAD,unsignedcharbyRA,
unsignedchar*pData,unsignedcharbyCount）;
unsignedcharIIC_ReadData（unsignedcharbyAD,unsignedcharbyRA,
voidDelay1us（unsignedcharbyDelay_us）;
unsignedcharBJ_Flag,CS_Flag,PQ_Flag;
循环变量
unsignedcharSM_SBUFF[3];
sbitBEEP=P3^5;
sbitSRD=P1^7;
sbitSPQ=P1^0;
sbitSCK=P2^2;
sbitDATA=P2^3;
bitack;
#endif
*********************************************************
文件名称：
仪器与系统课程设计
项目名称：
作者：
蔡柏林
版本：
V1.0_REV_2014C1
说明：
无
修改记录：
无
#include"
STC12C5620AD..（void）
{
unsignedintuc_adc_result;
unsignedcharuc_adc_status;
ADC_power_on（）;
while
（1）
{
ADC_CONTR=0xE8;
uc_adc_result=ADC_DATA;
if（uc_adc_result>
CO2）
{
SPQ=0;
PQ_Flag=1;
}
if（1==PQ_Flag）
uc_adc_result=ADC_DATA;
if（uc_adc_result>
{
SPQ=0;
}
else
SPQ=1;
PQ_Flag=0;
else
;
if（0==P0^1）
TMOD=0x01;
EA=1;
ET0=1;
g_uc_num=0;
TH0=0x4C;
TL0=0x00;
TR0=1;
BJ_Flag=1;
if（1==BJ_Flag&
&
1==P0^1）
if（g_uc_num>
200）
BEEP=0;
BEEP=1;
IIC_ReadData（WENDU,SHIWU,BYDATA,COUNT）;
if（SHIWU>
SHIDUMAX）
SRD=0;
CS_Flag=1;
if（1==CS_Flag）
IIC_ReadData（WENDU,SHIWU,BYDATA,COUNT）;
;
if（SHIWU>
SRD=0;
SRD=1;
CS_Flag=0;
}endofwhile
（1）
}
AD初始化
voidADC_power_on（void）
{
P1M0=0xFF;
P1M1=0xFF;
ADC_DATA=0;
ADC_CONTR=0xE0;
开ADC电源
delay（50）;
延时，以待电源稳定
voiddelay（unsignedintms）
{
unsignedinti,j;
定义变量
for（i=0;
i<
ms;
i++）
{
for（j=0;
j<
110;
j++）
延时循环
}endoffor（j=0;
j++）
}endoffor（i=0;
i<
}endofdelay（unsignedintms）
voidDelay1
升级会员 