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1、基于HOLTEK的氧化碳浓监测仪 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途2010年重庆地区第三届“盛群杯"大学生单片机应用设计竞赛作品创意书(20110101）(一氧化碳浓度监测仪）（重庆文理学院)（电子电气工程学院） （廖长荣) 老师公元 2010 年 12 月 12 日作 品 创 意 书一、 摘要 随着现代社会的发展，人们接触有害气体的几率也越来越大，而一氧化碳则是人们日常生活中最常见的有毒气体之一，它无色无味，不易被人们察觉。而现代生活中大多数家庭都还使用煤气作为日常生活的能源，在我国北方的大部分地区在冬季也都采用烧煤取暖,这些都极易造成一氧化碳的泄露和在屋内的聚集,而当
2、气体浓度达到一定值后不仅会使人中毒，遇到明火或者电火花也极易产生爆炸，引起火灾,使人们的生命和财产安全受到极大的威胁,所以设计一个系统用来检测和排除危险是十分有必要的，本文介绍的就是我们设计的室内一氧化碳监测、报警及自动排除系统。二、 作品介绍本作品是以HT46F49E型单片机为核心构成的一个具备数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。具体的功能包括:实时的检测室内的一氧化碳浓度，根据室内不同的一氧化碳浓度值显示不同的提示语句。当检测到室内一氧化碳浓度处于正常范围内时，由单片机控制液晶屏显示“安全”字样，并保持对室内气体浓度的持续监测；当检测到一氧化碳浓度即将超过正常范围达到警
3、戒浓度时，单片机控制液晶屏显示“警告”的同时，控制排风扇转动，将室内的一氧化碳气体排出；如果室内的一氧化碳浓度在排风的情况下继续上升并达到国家规定的危险浓度，对人体产生危害时，则液晶屏显示“危险"字样，同时启动扬声器向用户报警，以便及时采取措施，而排风装置继续工作，以尽量减小室内有害气体浓度。本作品采取多管齐下的措施，以尽可能的达到高效率、高精度的检测，来保障用户的生命和财产安全，起到防患于未然的目的.三、 工作原理在本系统中,一氧化碳传感器相当于中枢神经，而单片机相当于系统的的大脑.由传感器负责采集数据，单片机处理数据并作出应有的反应，其具体过程为：传感器感知空气中一氧化碳的当前浓
4、度,并将气体浓度的变化转化为电压信号的变化，通过电路传到A/D转换器件，经过一系列的数据转换后将接收到的模拟信号转换为数字信号并传递给单片机进行分析处理。单片机处理好数据后作出相应的反应来控制外围的报警、显示和换气设备。因此,将整个系统分为气体检测系统、数据处理系统和外围设备部分。本作品使用HT46F49E单片机来作为主控器件，CO传感器采用Mtorola公司生产MGS1100型一氧化碳气体传感器。（一） 气体检测系统气体检测系统主要由CO传感器和温度补偿电路组成。1、MGS1100型一氧化碳传感器一氧化碳传感器属于化学传感器,化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号,并通过电极、光纤或质量敏
5、感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式,传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号,检测出样品中待测物的量。 检测系统最关键的部分在于室内一氧化碳气体浓度的检测。本作品考虑到室内一氧化碳的分布范围,并结合国家环境空气质量标准规定的一氧化碳分级的标准。我们选用Mtorola公司生产的MGS1100型一氧化碳气体传感器。它是在微型硅桥结构中嵌入的加热板上制作一层薄膜，这种结构不仅使得薄膜对一氧化碳气体在很宽的温度范围具有敏感性，而且硅膜减少了热传导的热损失，从而大大的降低了功耗。该传感器的管脚图如下图（a）所示，其中2、4端为加热器的电源接
6、线端，1、3端为传感器输出端。其工作原理是把传感器放在一氧化碳的环境中，薄膜层的电阻会随着一氧化碳的浓度变化而变化，一氧化碳的浓度越大,薄膜层的阻值越小，该传感器的引脚图如图（a）所示： 下图（b）为取得传感器输出信号的基本电路图。其中，为加热电压,传感器电阻RS与负载电阻RL串联到工作电压两端. 2、温度补偿电路由于元件的本身特性决定了其阻值会随着周围环境温度的变化产生明星的漂移，致使测量电路的输出产生零点漂移，漂移过大会造成测量的不灵敏或过灵敏，使整个系统的可靠性下降。为此，我们增加了温度补偿电路。如图C所示,其中RT为热敏电阻，RS为传感器电阻. 由图可得： 传感器阻值RS随着一氧化碳浓
7、度的增大而减小时，输出负载电压逐渐变大，所以通过测量负载电压可反应出被测对象的一氧化碳浓度。（二） 数据处理系统数据处理系统主要由运算放大、采样保持、非线性信号处理、数字滤波、A/D转换等部分,这些部分除运算放大部分外都由HT46F49E型单片机通过软件实现.1、运算放大运算放大部分采用高输入阻抗低温度漂移的OP07运算放大器实现。2、HT46F49E型单片机概述HT46F49E单片机内置EEPROM的8位FLASH型高性能精简指令集MCU，专门为需要A/D转换的产品设计,具有A/D、PWM、低功耗、高性能、灵活的输入输出和低成本，是的该单片机广泛应用于传感器信号处理、马达驱动、工业控制等功能
8、。其极限参数如下:电源供电··········Vss-0.3VVss+0.6V 储存温度············-50125端口输入电压·····Vss-0.3VVdd+0。3V 工作温度············
9、;··-4085Iol总电流···················150mA Ioh总电流················100mA总功耗·······
10、3;···············500mWHT46F49E型单片机引脚图如下： （1）PWM输出 在数据存储器中，单片机为每一个PWM 都指定了对应的寄存器。对于只有一个PWM 输出的单片机，这个寄存器为PWM。对于有两个PWM 输出的单片机,寄存器则为PWM0 和PWM1。此寄存器为8 位，表示输出波形中每个调制周期的占空比.为了提高PWM 调制频率，每一个调制周期被调制两个或四个独立的调制子区段，即分别是71 或6+2 模式。每个单片机可以
11、通过设置适当的掩膜选项来选择使用哪种模式。当选择一种掩膜选项模式后，此模式将应用于此芯片的所有PWM 输出。注意的是，当使用PWM时，只要将所需的值写入相应的PWM 寄存器内,单片机的内部硬件会自动地将波形细分为子调制周期。对所有的单片机而言,PWM 时钟源就是系统时钟fsys。将原始调制周期分成2 个或4 个子周期的方法，使产生更高的PWM 频率成为可能,这样可以提供更广泛的应用.只要产生的PWM 脉冲周期小于负载的时间常数，PWM 输出就比较合适,这是因为长时间常数负载将会平均PWM 输出的脉冲。使用者必须理解PWM 频率与PWM 调制频率的不同之处。当PWM时钟为系统时钟fSYS，而PW
12、M 值为8 位时，整个PWM 周期的频率为fSYS/256。然而工作在7+1 模式时,PWM 调制频率将会是fSYS/128，而工作在6+2 模式时，PWM 调制频率将会是fSYS/64。 （2)A/D 转换HT46F49E单片机包含4信道的9 位A/D 转换器，A/D 转换器的正确操作需要两个寄存器,一个高字节寄存器ADRH 和一个低字节寄存器ADRL.在A/D 转换完毕后，单片机可以直接读取这些寄存器以获得转换结果。对于具有2 个A/D 转换结果寄存器的单片机，要注意的是,只有高位寄存器ADRH 完全利用了8 位.而低位寄存器ADRL 只利用了8 位中的1 位，它包含的只是9 位转换值中低
13、的1 位.A/D 转换初始化内部的AD 必须经过一个特殊的方法初始化.当转换信道选择位被改变，AD转换器必须重新初始化。如果信道选择位改变后没有重新初始化，那么EOC可能会处于不确的，这样可能会导致一个错误的转换结束信号。当信道选择位改变后，寄存器ADCR 中的START 位必须在一到十个指令周期内先置位再立即清零。这样可以保证EOC 被正确的置位。内部的AD 转换器必须经过一个特殊的方法初始化。当PB 端口转换通道选择位被改变，AD 转换器必须重新初始化。如果通道选择位改变后没有重新初始化,那么EOCB 标志位可能会处于不确定的状态，这样可能会导致一个错误的转换结束信号。当通道选择位改变后，
14、寄存器ADCR 中的START 位必须在110个指令周期内先置位再立即清零。这样可以保证EOCB 被正确的置位。下面总结实现A/D 转换过程的各个步骤。步骤1：通过ACSR 寄存器中的ADCS1 和ADCS0 位，选择所需的A/D 转换时钟。步骤2:通过ADCR 寄存器中的ACS2ACS0 位,选择连接至内部A/D 转换器的通道.步骤3：通过ADCR 寄存器中的PCR2PCR0 位，选择PB 端口的A/D 输入引脚，并将它们设置为A/D 输入引脚。此步骤也可在第二步写ADCR 寄存器时完成.步骤4：如果要使用中断，则中断控制寄存器必须正确地设置，以确保A/D 功能的动作.中断控制寄存器INTC
15、 里总中断控制位EMI 必须置位为“1”，A/D 转换器的中断使能位EADI 也必须置位为“1".步骤5：通过设定ADCR 寄存器中的START 位从“0”到“1”再回到“0"，可以开始模数转换的过程.该位需初始化为“0”.步骤6：可以轮询ADCR 寄存器中的EOCB 位,检查模数转换过程是否完成。当此位成为逻辑低时，表示转换过程已经完成。转换完成后，可读取A/D 数据寄存器ADRL 和ADRH 获得转换后的值。另一种方法是，若中断使能且堆栈未满，则转换完成后，程序会进入A/D 中断服务子程序。而单片机A/D转换的时序图如下：（3)指令周期大部分的操作均只需要一个指令周期来
16、执行.分支、调用或查表则需要两个指令周期。一个指令周期相当于四个系统时钟周期,因此如果在8MHz 的系统时钟振荡器下，大部分的操作将在0.5s 中执行完成，而分支或调用操作则将在1s 中执行完成.虽然需要两个指令周期的指令通常指的是JMP、CALL、RET、RETI 和查表指令，但如果牵涉到程序计数器低字节寄存器PCL 也将多花费一个周期去加以执行.即指令改变PCL 的内容进而导致直接跳转至新地址时，需要多一个周期去执行,例如“CLR PCL”或“MOV PCL,A”指令。对于跳转指令必须注意的是，如果比较的结果牵涉到跳转动作将多花费一个周期，如果没有则需一个周期即可，单片机工作的时序图如下：
17、（4）定时/计数器定时/计数器在任何单片机中都是一个很重要的部分，提供程序设计者一种实现和时间有关功能的方法。每款单片机提供一个8 位的向上定时/计数器。每个定时/计数器有三种不同的工作模式，可以被当作普通定时器、外部事件计数器、或者脉冲宽度测量器使用.定时器里的8 级预分频器扩大了定时的范围。有两个和定时/计数器相关的寄存器,分别为TMR 和TMRC。TMR 是存储实际的计数值，赋值给此寄存器可以设定初始计数值,读取此寄存器可获得定时/计数器的内容。而TMRC 是定时/计数器的控制寄存器,此寄存器设置定时/计数器的选项,控制定时/计数器的工作模式。定时/计数器的时钟源可掩膜设置来自内部系统时
18、钟或外部引脚输入（PA4/TMR）。（三） 外围设备部分系统的外围设备部分主要包括液晶显示屏、报警装置和排风装置。这些装置都由单片机根据数据处理的不同情况进行驱动，以实现显示、报警和自动排风的功能。四、作品功能、特色该系统能实时监测室内的一氧化碳气体浓度,并根据检测的数据作出相应的反应，将监测仪器固定安装在室内,例如厨房，取暖房间这些容易产生一氧化碳的地方,并接好外围的报警电路和换气设备控制电路，供电让整个系统工作。当室内的一氧化碳在安全值范围内时，单片机控制的液晶屏显示“正常"，报警系统和换气设备的控制电路处于休眠状态。当传感器检测到当前室内的一氧化碳浓度达到警戒值后，单片机控制液
19、晶屏显示“警告”，同时单片机控制换气设备开始工作，利用换气设备排除一氧化碳降低室内一氧化碳的浓度。当换气无效或者一氧化碳大量生成、大量泄漏导致室内有害气体浓度达到超标值时，单片机立即控制报警电路发出报警声在第一时间告知主人，与此同时换气设备依旧处于工作状态尽量降低浓度，液晶屏显示“危险”，告知房屋主人当前情况紧急.该监测仪的特色在于小巧便于安装，同时该监测仪器反应迅速、高效，价格便宜一般群众都能接受，有利于大众化推广。它跟我们的生命安全和财产息息相关,使我们生活中的好帮手，所以相信会得到大家的喜爱和接受。五、 作品结构（一）硬件部分本系统中，一氧化碳气体质量浓度检测控制系统是通过单片机编程实现
20、对一氧化碳气体浓度的采集、显示、控制和报警等一系列功能的系统。具体控制过程是：一氧化碳传感器直接与环境中的被测气体反应，产生线性变化的微弱电流信号，该信号经滤波放大后转换为电压信号传给单片机。经A/D转换,模型运算等处理后，直接在液晶屏上显示当前的状态。我们设置了三个状态：正常、超标、危险。同时该系统设计了自动排除危险的功能，当被测气体浓度达到了设定的超标值后，通过单片机控制外围电路打开换气设备。例如排风扇，抽油烟机等等。如果换气不理想，被测气体的浓度继续上升,当达到设定的危险值之后，通过单片机控制外围电路发出报警声，换气设备依旧工作不停止运转。系统硬件框图如下：HOLTEK单片机CO传感器温
21、度补偿运算放大采样保持A/D转换预警装置液晶显示参数设置时钟系统定时与控制排风扇继电器光隔离接口（二）软件部分本设计的软件采用C语言编写，整个程序包括的子模块有:CO传感器采样模块、数据处理模块（包括温度补偿模块、数字滤波模块、采样保持模块、A/D转换模块）、液晶显示模块、扬声器报警模块和风扇排风控制模块等几个部分。1、CO传感器采样模块:通过传感器可实现电压参考值的设定，并送给数据处理模块进行数据处理。2、数字滤波模块：由于数据采样时会有很多干扰因素,数据会产生一些波动，故可采用软件进行数字滤波处理.先采用奇异值滤波将有明显错误的数据剔除掉，再对剩下的数据采用中值滤波算法，其主要算法为：开辟
22、n个连续存储单元，采集原始数据排成队列,每来一组新数据时，最早进入的一组数据出列，其他数据逻辑上集体向前移动一位，新数据填补到队伍最末端。对队列中的数据安从小到大排列，取中间值作为本次采样的有效值。其流程图如下： 3、采样保持与A/D转换模块：该模块由单片机内的A/D转换器实现.4、数据处理模块：此模块主要包括单片机转换后的数字信号进行判断以及对液晶屏、报警器和排风设备的驱动程序。通过HT46F49E单片机的9位AD转换模块,对采集的电压值和参考电压进行比较处理，然后根据不同情况驱动不同的设备。液晶显示控制：通过单片机的D/A转换动能驱动液晶显示频显示安全、警告、危险三个状态。风扇排风控制：通过发送脉冲控制排风设备电源的开关来实现自动排风。扬声器报警控制：通过发送脉冲控制扬声器等设备进行报警。 系统主程序如下：-13-