目錄

1序言2

2總體方案設(shè)計3

2.1方案比較3

2.2方案比較與選擇5

3單元模塊簡介7

3.1二氧化碳傳感器7

3.2放大電路9

3.2.1放大電路的特點10

3.2.2放大電路的性能指標10

3.3STC89C51單片機11

3.3.1單片機最小系統(tǒng)14

3.4顯示電路17

3.5風扇控制模塊18

4系統(tǒng)軟件設(shè)計20

4.1系統(tǒng)程序設(shè)計20

5總結(jié)22

6道謝23

7參照文獻24

附錄一：有關(guān)程序26

1序言

空氣是人類賴以生存H勺最基本條件，不過人們常忽視所呼吸空氣的質(zhì)量，絕

大多數(shù)人85%?90%的時間在室內(nèi)度過，這使得他們很輕易遭受有這些空氣污染

引起H勺疾病。尤其是醫(yī)院病房，由于醫(yī)院病房有限，每間病房住4個、甚至6個

以上的病人，由于排出二氧化碳氣體太多、導致空氣質(zhì)量不好，尤其是冬季，不

開窗戶，空氣質(zhì)量愈加糟糕。尤其是對于心、肺、腦等疾病患者，病房內(nèi)空氣質(zhì)

量更顯重要。二氧化碳對人體具有相稱的危害，室內(nèi)空氣二氧化碳濃度在

0.07%(1400mg/m)時,人體感覺良好。二氧化碳含量為0.1%(2023mg/m3)時，

個他人有不舒適感；0.15%(3000mg/ni3)內(nèi)空氣狀況明顯惡化；濃度到達

0.3%(6000mg/m3)以上時，出現(xiàn)明顯頭痛、頭暈、心煩意亂等癥狀；

8%(160000mg/m3)以上可引起死亡。

室內(nèi)C02重要來自人體呼出氣。室內(nèi)C02水平受人均占有面積、吸煙等原

因影響。在我國北方，冬天關(guān)閉窗戶，加上通風局限性，室內(nèi)二氧化碳濃度可達

2.0%(4000mg/m3)以上。

我國公共場所衛(wèi)生原則規(guī)定二氧化碳濃度不超過0.07%-0.1b%(以場所而

定)。室內(nèi)空氣中CO2衛(wèi)生原則規(guī)定日平均最高容許濃度

0.10%(2023mg/m3)(GB/T17094-1997)<>為滿足房間內(nèi)內(nèi)空氣質(zhì)量的規(guī)定，本文

設(shè)計了一種廉價口勺房間內(nèi)的二氧化碳監(jiān)控終端，實時檢測空氣中二氧化碳口勺含量,

并根據(jù)數(shù)據(jù)反饋運用本系統(tǒng)改善空氣質(zhì)量。

傳放

感大

器電

路

框圖

系統(tǒng)

案一

1方

圖2.

筆時,

.07

超過0

含量

化碳

二氧

氣中

內(nèi)空

到室

檢測

感器

碳傳

氧化

:當二

過程

工作

轉(zhuǎn)換

過A/D

，再通

處理

放大

電路

放大

通過

信號

到的

檢測

器把

，傳感

工作

開始

電路

化碳

示二氧

，并顯

工作

風機

制引

機控

單片

，通過

片機

給單

輸送

信號

模擬

換成

器轉(zhuǎn)

。

工作

停止

風機

，引

如下

.07%

少到0

度減

碳濃

氧化

內(nèi)二

到室

度，直

日勺濃

。

所示

圖2.2

圖如

統(tǒng)框

其系

計，

鍵設(shè)

為關(guān)

以PLC

二：

方案

言

號

傳

感小

器里

莫

夬

PLC

Hl

HlM

圖2.2方案一系統(tǒng)框圖

工作過程：當系統(tǒng)工作時，傳感器將外界的空氣中的二氧化碳含量轉(zhuǎn)換為電

信號，并將信號傳播給喜好處理模塊。在信號處理模塊中，將傳感器接受到的信

號處理成PLC的輸入信號。PLC在單位時間內(nèi)對信號進行計數(shù)，再將信號數(shù)與設(shè)

定的基本值比較，并從PLC輸出端給數(shù)碼管進行濃度的顯示。若測量值不小于給

定值時，LED報警燈閃爍發(fā)出報警信號，并控制引風機工作。

2.2方案比較與選擇

由圖2.1和圖2.2可知，兩圖在系統(tǒng)框圖日勺設(shè)計上除了所使用日勺關(guān)鍵元件不

一樣樣以外，其他基本同樣。其一，經(jīng)信號處理模塊處理后的信號大小有所不

一樣，這就決定兩者放大器的所使用不相似；其二，在設(shè)計軟件上不一樣，且

以PLC為關(guān)鍵元件的程序編寫上會比較復雜；其三，從經(jīng)濟性上講采用單片機更

節(jié)省成本。值得我們注意的是，PLC成本比單片機日勺成本要高出諸多，且PLC日勺

輸出端口數(shù)越多PLC的價格就越貴；其四，從實時性上講單片機的更具優(yōu)越性,

由于PLC在使用中有很大日勺機械延時，對于一種濃度監(jiān)測系統(tǒng)來講迅速、實時性

是我們一定要重視的原因?；谝陨显蛉丈卓紤]，本次設(shè)計我們選擇方案一。

3單元模塊簡介

3.1二氧化碳傳感器

本次設(shè)計所用的二氧化碳傳感器為CDM4161,CDM4161有別于固態(tài)或者液態(tài)

電解質(zhì)氣體傳感器，半導體氣體傳感器是運用半導體材料日勺多種化學特性將空氣

中具有的特定氣體（即待測氣體）以合適的）電信號檢測或定量的器件。其長處是敏

捷度高、響應速度快、體積小、壽命長、便于集成化、智能化，能使檢測轉(zhuǎn)換一

體化。世界上最先實現(xiàn)半導體氣體傳感器商品化的是日本費加羅企業(yè)發(fā)明的TGS

系列半導體氣體傳感器。CDM4161是費加羅企業(yè)生產(chǎn)的一種C02氣體濃度測試模

塊，其內(nèi)部集成了TGS4161C02氣體傳感器以及PIC16LF88單片機,CDM4161對

空氣中C02氣體濃度日勺測量范圍為400?4000ppm,并且在空氣中對C02氣體有

高選擇性.而對一氧化碳和甲烷等氣體不敏感，CDM4161內(nèi)部集成口勺單片機可對

傳感器采集到的信號處理和自動校準，以使其輸出的電平值與C02氣體的濃度保

持良好的線性關(guān)系。CDM4161對外提供5個引腳，其引腳的功能描述如表3.1所

/Jso

表3.1CDM4161引腳功能描述

引腳序號引腳名稱引腳功能

1Vin+5V電源

2Vcone二氧化碳濃度測

試輸出

3CTRL控制信號輸出

4TRBL故障信號輸出

5GND接地端

工作時CDM4161引腳1接+5V電源，引腳2輸出電壓范圍0.4-4V。相稱

于C02氣體濃度范嗣為400-4000ppmo該模塊容許顧客通過跳線設(shè)置4檔極

限值，當監(jiān)測到的C02濃度高于設(shè)定值時。引腳3輸出高電平以驅(qū)動外部通風設(shè)

備，反之監(jiān)測到歐IC02濃度由高轉(zhuǎn)低，且低于某一門限值時，引腳3輸出電平也

由高變低關(guān)閉外圍控制設(shè)備，CDM4161板上跳線與所設(shè)定極限值以及引腳3輸出

電位的變化關(guān)系如表3.2所示。引腳4在傳感器故障時輸出低電位，可通過該引

腳連接蜂鳴器.以及時監(jiān)測CDM4161工作狀態(tài)。CDM4161模塊有3個工作狀態(tài)指

示燈，當模塊上電時CDM4161需要預熱2h,比時板上綠燈閃爍，而后進入正常

工作狀態(tài)后，綠燈常亮。當引腳3輸出高電位時，紅燈閃爍，當模塊內(nèi)部傳感器

故障時黃燈閃爍。

表3.2CDM4161跳線措施

檔級跳線插座跳線插座二氧化碳濃度引腳3電位

二P3JP4設(shè)定值/ppm變化

1斷斷800—7200低到高

高到低

2斷連1000——900低到高

高到低

3連斷1500——1350低到高

高至低

4斷斷2023—1800低到高

高到低

3.2放大電路

放大電路是增長電信號幅度或功率的電子電路。應用放大電路實現(xiàn)放大的裝

置稱為放大器。它H勺關(guān)鍵是電子有源器件，如電子管、晶體管等。為了實現(xiàn)放大，

必須給放大器提供能量。常用的能源是直流電源，但有的放大器也運用高頻電源

作為泵浦源。放大作用日勺實質(zhì)是把電源日勺能量轉(zhuǎn)移給輸出信號。輸入信號的作用

是控制這種轉(zhuǎn)移，使放大器輸出信號的變化反復或反應輸入信號的變化?，F(xiàn)代電

子系統(tǒng)中，電信號的產(chǎn)生、發(fā)送、接受、變換和處理，幾乎都以放大電路為基礎(chǔ)。

20世紀初，真空三極管日勺發(fā)明和電信號放大的實現(xiàn)，標志著電子學發(fā)展到一種

新的I階段。20世紀40年代末晶體管的|問世，尤其是60年代集成電路的問世，

加速了電子放大器以至電子系統(tǒng)小型化和微型化H勺進程。

現(xiàn)代使用最廣的是以晶體管（雙極型晶體管或場效應晶體管）放大電路為基

礎(chǔ)的集成放大器。大功率放大以及高頻、微波的低噪聲放大，常用分立晶體管放

大器。高頻和微波的大功率放大重要靠特殊類型的真空管，如功率三極管或四極

管、磁控管、速調(diào)管、行波管以及正交場放大管等。

3.2.1放大電路的特點

一、有靜態(tài)和動態(tài)兩種工作狀態(tài)，因此有時往往要畫出它日勺直流通路和交流

通路才能進行分析；

二、電路往往加有負反饋，這種反饋有時在區(qū)級內(nèi)，有時是從后級反饋到前

級，因此在分析這一級時還要能〃瞻前顧后在弄通每一級的原理之后就可以把

整個電路串通起來進行全面綜合。

3.2.2放大電路的性能指標

電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻是放大電路的三個重要性能指標，分析

這三個指標最常用的措施是微變等效電路法，這是一種在小信號放大條件下，將

非線性的三極管放大電路等效為線性放大電路。

1放大倍數(shù)

放大倍數(shù)又稱增益，它是衡量放大電路放大能力的指標。根據(jù)需要處理的輸

入和輸出量口勺不一樣，放大倍數(shù)有電壓、電流、互阻、互導和功率放大倍數(shù)等，

其中電壓放大倍數(shù)應用最多。

2輸入電阻

放大電路的輸入電阻是從輸入端向放大電路內(nèi)看進去口勺等效電阻，它等于放

大電路輸出端接實際負載電阻后，輸入電壓與輸入電流之比，即Ri=Ui/Ii0對

于信號源來說，輸入電阻就是它口勺等效負載。

輸入電阻時大小反應了放大電路對信號源日勺影響程度。輸入電阻越大，放大

電路從信號源汲取的電流（即輸入電流）就越小，信號源內(nèi)阻上的壓降就越小，其

實際輸入電壓就越靠近于信號源電壓，常稱為恒壓輸入。反之，當規(guī)定恒流輸入

時，則必須使RiORs;若規(guī)定獲得最大功率輸入，則規(guī)定Ri二Rs,常稱為阻抗匹

配。

3輸出電阻

對負載而言，放大電路的輸出端可等效為一種信號源。輸出電阻越小，輸出

電壓受負載的影響就越小，若Ro=0,則輸出電壓的大小將不受RLH勺大小影響,

稱為恒壓輸出。當RL?Ro時即可得到恒流輸出。因此，輸出電阻口勺大小反應了

放大電路帶負載能力日勺大小。

3.3STC89C51單片機

由于單片機技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應用，許多國家的集成電路

口勺生產(chǎn)廠家也都相繼推出多種類型的單片機，在眾多單片機中，MCS系列單片機

就其指令和運行速度而言，比以往的功能強大了諸多，性能、技術(shù)、可靠性和性

能價都十分的優(yōu)秀，其中，C51系列單片機日勺長處是價錢廉價、I/O口多、程序

空間大。因此測控系統(tǒng)中，使用51系列單片機是最理想H勺選擇，本設(shè)計就選擇

采用STC89C51o

TC89C51是一種低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K可編程Flash

存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳

完全兼容。片上Flash容許程序存儲器在線可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯

片上，擁有機靈的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89c51為眾多嵌入

式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效日勺處理方案。STC89c51具有如下原則功能：

8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O口線,看門狗定期器,2個數(shù)據(jù)指針,

三個16位定期器/計數(shù)器，一種6向量2級中斷構(gòu)造，全雙工串行口，片內(nèi)晶振

及時鐘電路。此外，STC89c521可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇

節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，容許RAM和定期器及串口和中斷時繼續(xù)

工作。這一模塊以單片機為中心把程序代碼燒進去然后外圍接上復位電路、振蕩

電路、鍵盤控制、LED顯示電路、報警電路等子模塊。

下面對STC89C51各引腳I肉功能進行較為詳細的簡介：

（1）電源引腳Vcc和Vsso

Vcc（40腳）：電源端為+5V。

Vss（20腳）:接地端。

（2）時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2O

XTAL2：接芯片外部晶體引線端。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，這兩個引線端接

石英晶體和電容。

XTAL1：接電容的一種端口。在芯片內(nèi)，它是振蕩電路H勺反向放大器輸入端。

當使用外部時鐘時，用于接地。

（3）控制信號腳RSTALEPSEN和EA。

RST腳：復位信號，只有高電平時才有效。在此輸入端保持兩個機器周期（24

個時鐘振蕩周期）的高電平時，就可以完畢復位操作。

ALE/PROG（30引腳）：地址鎖存容許信號端。當STC89c51上電正常工作后,

ALE引腳不停向外輸出正脈沖信號此頻率為振蕩器頻率fosc的1/6,可以做外

部時鐘或者外不定期脈沖信號。在CPU訪問片外數(shù)據(jù)存儲時，每取值一次（一種

機器周期）會丟失一種脈沖。

PSEN（29腳）；外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期

間，每個機器周期2次PSEN有效，但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這2次有效日勺

PSEN信號將不出現(xiàn)。

表3.3P3口歐J第二功能表

引腳第二功能

P3.0RXD（輸入口）

P3.1TXD（輸出口）

P3.2INTO（外部中斷0）

P3.3INT1（外部中斷1）

P3.4T0（定期器0外部中斷）

P3.5T1（定期器1外部中斷）

P3.6WR（存儲器寫選通）

P3.7