室内空气质量控制系统设计.doc

目录
1 前言 1
2 总体方案设计 2
2.1 方案比较 2
2.2 方案比较与选择 3
3 单元模块介绍 4
3.1 二氧化碳传感器 4
3.2 放大电路 5
3.2.1 放大电路的特点 5
3.2.2放大电路的性能指标 6
3.3 STC89C51单片机 6
3.3.1 单片机最小系统 8
3.4 显示电路 11
3.5 风扇控制模块 11
4 系统软件设计 13
4.1系统程序设计 13
5 总结 14
6 致谢 15
7参考文献 16
附录一：相关程序 17

1 前言
空气是人类赖以生存的最基本条件，但是人们常忽略所呼吸空气的质量，绝大多数人 85%~90% 的时间在室内度过，这使得他们很容易遭受有这些空气污染引起的疾病。特别是医院病房，由于医院病房有限，每间病房住 4 个、甚至 6 个以上的病人，由于排出二氧化碳气体太多、导致空气质量不好，特别是冬季，不开窗户，空气质量更加糟糕。特别是对于心、肺、脑等疾病患者，病房内空气质量更显重要。二氧化碳对人体具有相当的危害，室内空气二氧化碳浓度在0.07%(1400mg/m ) 时，人体感觉良好。二氧化碳含量为0.1%(2000 mg/m3) 时，个别人有不舒服感 ；0.15%(3000mg/m3)内空气状况明显恶化；浓度达到0.3%(6000 mg/m3) 以上时，出现明显头痛、头晕、心烦意乱等症状 ；8%(160000mg/m3) 以上可引起死亡。
室内 CO2 主要来自人体呼出气。室内 CO2 水平受人均占有面积、吸烟等因素影响。在我国北方，冬天关闭窗户，加上通风不足，室内二氧化碳浓度可达2.0%(4000mg/m3) 以上。
我国公共场所卫生标准规定二氧化碳浓度不超过0.07%-0.15% ( 以场所而定 )。室内空气中CO2卫生标准规定日平均最高允许浓度0.10%(2000mg/m3)(GB/T17094-1997)。 为满足房间内内空气质量的要求，本文设计了一个廉价的房间内的二氧化碳监控终端，实时检测空气中二氧化碳的含量，并根据数据反馈利用本系统改善空气质量。

2 总体方案设计
2.1 方案比较
方案一：以STC89C51系列单片机为核心设计，此系列单片机比较常用、价格便宜、操作简单。设计框图如图2.1.

单片机

浓度显示

A/D转换器
放大电路
传感器

引风机

状态指示灯

图2.1方案一系统框图

工作过程:当二氧化碳传感器检测到室内空气中二氧化碳含量超过0.07%时，电路开始工作，传感器把检测到的信号经过放大电路放大处理，再通过A/D转换器转换成模拟信号输送给单片机，通过单片机控制引风机工作，并显示二氧化碳的浓度，直到室内二氧化碳浓度降低到0.07%以下，引风机停止工作。

方案二：以PLC为核心设计，其系统框图如图2.2所示。

传感器
信号处理模块

PLC
浓度显示

引风机

图2.2方案二系统框图

工作过程：当系统工作时，传感器将外界的空气中的二氧化碳含量转换为电 信号，并将信号传输给喜好处理模块。在信号处理模块中，将传感器接收到的信号处理成PLC的输入信号。PLC在单位时间内对信号进行计数，再将信号数与设定的基本值比较，并从PLC输出端给数码管进行浓度的显示。若测量值大于给定值时，LED报警灯闪烁发出报警信号，并控制引风机工作。

2.2 方案比较与选择
由图2.1和图2.2可知，两图在系统框图的设计上除了所使用的核心元件不一样以外，

其他基本一样。 其一，经信号处理模块处理后的信号大小有所不同，这就决定两者放大器的 所使用不相同；其二，在设计软件上不同，且以PLC为核心元件的程序编写上会比较复杂；其三，从经济性上讲采用单片机更节约成本。值得我们注意的是，PLC成本比单片机的成本要高出很多，且PLC的输出端口数越多PLC的价格就越贵；其四，从实时性上讲单片机的更具优越性，因为PLC在使用中有很大的机械延时，对于一个浓度监测系统来讲快速、实时性是我们一定要注重的因素。基于以上因素的考虑，本次设计我们选择方案一。

3 单元模块介绍
3.1 二氧化碳传感器
本次设计所用的二氧化碳传感器为CDM4161，CDM4161有别于固态或者液态电解质气体传感器，半导体气体传感器是利用半导体材料的各种化学特性将空气中含有的特定气体(即待测气体)以适当的电信号检测或定量的器件。其优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、寿命长、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。世界上最先实现半导体气体传感器商品化的是日本费加罗公司发明的TGS系列半导体气体传感器。CDM4161是费加罗公司生产的一种CO2气体浓度测试模块，其内部集成了TGS4161 CO2气体传感器以及PICl6LF88单片机，CDM4161对空气中CO2气体浓度的测量范围为400～4000 ppm，并且在空气中对CO2气体有高选择性．而对一氧化碳和甲烷等气体不敏感，CDM4161内部集成的单片机可对传感器采集到的信号处理和自动校准，以使其输出的电平值与CO2气体的浓度保持良好的线性关系。CDM4161对外提供5个引脚，其引脚的功能描述如表3.1所示。

表3.1 CDM4161引脚功能描述
引脚序号
引脚名称
引脚功能
1
Vin
+5V电源
2
Vcone
二氧化碳浓度测试输出
3
CTRL
控制信号输出
4
TRBL
故障信号输出
5
GND
接地端

工作时CDM4161引脚l接+5 V电源，引脚2输出电压范围0．4-4 V。相当于CO2气体浓度范嗣为400～4 000 ppm。该模块允许用户通过跳线设置4档极限值，当监测到的CO2浓度高于设定值时。引脚3输出高电平以驱动外部通风设备，反之监测到的CO2浓度由高转低，且低于某一门限值时，引脚3输出电平也由高变低关闭外围控制设备，CDM4161板上跳线与所设定极限值以及引脚3输出电位的变化关系如表3.2所示。引脚4在传感器故障时输出低电位，可通过该引

脚连接蜂鸣器．以及时监测CDM4161工作状态。CDM4161模块有3个工作状态指示灯，当模块上电时CDM4161需要预热2 h，比时板上绿灯闪烁，而后进入正常工作状态后，绿灯常亮。当引脚3输出高电位时，红灯闪烁，当模块内部传感器故障时黄灯闪烁。

表3.2 CDM4161跳线方法
档级
跳线插座
JP3
跳线插座
JP4
二氧化碳浓度
设定值/ppm
引脚3电位 变化
1
断
断
800—7200
低到高
高到低
2
断
连
1000——900
低到高
高到低
3
连
断
1500——1350
低到高
高到低
4
断
断
2000——1800
低到高
高到低

3.2 放大电路
放大电路是增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称为放大器。它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等。为了实现放大，必须给放大器提供能量。常用的能源是直流电源，但有的放大器也利用高频电源作为泵浦源。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代电子系统中，电信号的产生、发送、接收、变换和处理，几乎都以放大电路为基础。20世纪初，真空三极管的发明和电信号放大的实现，标志着电子学发展到一个新的阶段。20世纪40年代末晶体管的问世，特别是60年代集成电路的问世，加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。

现代使用最广的是以晶体管(双极型晶体管或场效应晶体管)放大电路为基础的集成放大器。大功率放大以及高频、微波的低噪声放大，常用分立晶体管放大器。高频和微波的大功率放大主要靠特殊类型的真空管，如功率三极管或四极管、磁控管、速调管、行波管以及正交场放大管等。

3.2.1 放大电路的特点
一、有静态和动态两种工作状态，所以有时往往要画出它的直流通路和交流通路才能进行分析;
二、电路往往加有负反馈，这种反馈有时在本级内，有时是从后级反馈到前级，所以在分析这一级时还要能"瞻前顾后"。在弄通每一级的原理之后就可以把整个电路串通起来进行全面综合。

3.2.2放大电路的性能指标
电压放大倍数、输入电阻和输出电阻是放大电路的三个主要性能指标，分析这三个指标最常用的方法是微变等效电路法，这是一种在小信号放大条件下，将非线性的三极管放大电路等效为线性放大电路。
1放大倍数
放大倍数又称增益，它是衡量放大电路放大能力的指标。根据需要处理的输入和输出量的不同，放大倍数有电压、电流、互阻、互导和功率放大倍数等，其中电压放大倍数应用最多。
2输入电阻
放大电路的输入电阻是从输入端向放大电路内看进去的等效电阻，它等于放大电路输出端接实际负载电阻后，输入电压与输入电流之比，即Ri=Ui/Ii。对于信号源来说，输入电阻就是它的等效负载。

输入电阻的大小反映了放大电路对信号源的影响程度。输入电阻越大，放大电路从信号源汲取的电流(即输入电流)就越小，信号源内阻上的压降就越小，其实际输入电压就越接近于信号源电压，常称为恒压输入。反之，当要求恒流输入时，则必须使Ri<<Rs;若要求获得最大功率输入，则要求Ri=Rs，常称为阻抗匹配。
3输出电阻
对负载而言，放大电路的输出端可等效为一个信号源。输出电阻越小，输出电压受负载的影响就越小，若Ro=0，则输出电压的大小将不受RL的大小影响，称为恒压输出。当RL<<Ro时即可得到恒流输出。因此，输出电阻的大小反映了放大电路带负载能力的大小。

3.3 STC89C51单片机
由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，许多国家的集成电路的生产厂家也都相继推出各种类型的单片机，在众多单片机中，MCS系列单片机就其指令和运行速度而言，比以往的功能强大了很多，性能、技术、可靠性和性能价都十分的优秀，其中，C51系列单片机的优点是价钱便宜、I/O口多、程序空间大。因此测控系统中，使用51系列单片机是最理想的选择，本设计就选择采用STC89C51。
TC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C51具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C521可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM和定时器及串口和中断时继续工作。这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模块。

下面对STC89C51各引脚的功能进行较为详细的介绍：
(1)电源引脚Vcc和Vss。
Vcc(40脚)：电源端为+5V。
Vss(20脚)：接地端。
(2)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2。
XTAL2：接芯片外部晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，这两个引线端接石英晶体和电容。
XTAL1：接电容的一个端口。在芯片内，它是振荡电路的反向放大器输入端。当使用外部时钟时，用于接地。
(3)控制信号脚 RST ALE PSEN 和EA。
RST脚：复位信号，只有高电平时才有效。在此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。
ALE/PROG（30引脚）：地址锁存允许信号端。当STC89C51上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号。此频率为振荡器频率fosc的1/6，可以做外部时钟或者外不定时脉冲信号。在CPU访问片外数据存储时，每取值一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。
PSEN（29脚）；外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。

表3.3 P3口的第二功能表
引脚
第二功能
P3.0
RXD （输入口）
P3.1
TXD （输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部中断）
P3.5
T1（定时器1外部中断）
P3.6
WR（存储器写选通）
P3.7
RD（存储器读写通）

EA/VPP（31脚）：当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000H－FFFFH）不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。对于无芯片内的ROM的8031或8032，须外扩ERROM，此时必须将EA的引脚接地。如果使用有片内ROM的STC89C51，外扩ERROM也是可以的，但也要使EA接地。
(4)I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3）
P0口：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。
P1口：8位准双向I/O端口。
P2口：即可以做地址总线输出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此时为准双向口）。
P3口：双功能口，即可以做普通I/O口用（此时为准向口，也可以按每位定义实现第二功能操作）。
3.3.1 单片机最小系统
要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图3.1示。

图3.1 单片机最小系统
单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。
单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，可以根据情况选择6MHz、8MHz或12MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择20.30pF左右的瓷片电容。
单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。上电自动复位通过电容C3充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻R2与VCC接通来实现。

系统利用P1口的P1.0.P1.3设置了4个独立按键S2～S5，当键按下时，P1口相应的引脚置为低电平，且与此键相连的发光二极管点亮。
时钟电路是单片机的内脏，它掌握着单片机工作节奏，时钟电路相当于振荡电路。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us。
本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写,下载程序较为方便；STC89C51单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力。
本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图4.2所示：

图3.2 复位、时钟电路图
由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。

3.4 显示电路

图3.3数码管显示
显示采用4位共阳数码管，单片机控制数码管显示不同的四位数字，该模块主的任务就是利用数码管完成二氧化碳浓度的显示。

3.5 风扇控制模块
风扇控制电路该电路采用双向晶闸管作为交流开关驱动交流电机，并采用光隔离晶闸管驱动器MOC3063实现交流220V 单片机引脚之间电气隔离。与继电器相比，该电路没有触点，使用寿命更长。

图3.4风扇控制电路图

4 系统软件设计

4.1系统程序设计
系统的软件主要是采用C语言，对单片机编程实现各项功能。其流程图如图4.1所示。

开始

初始化

采样

读取采样值

A/D转换

采样值>整定值
引风机工作

Y
N
显示实时浓度

延时5秒

图4.1系统程序流程图

5 总结
室内空气质量控制系统的设计主要分为硬件设计和软件设计。根据设计前对该系统所要实现功能的要求，综合考虑采用AT89C51单片机为控制核心。由于所学知识的限制，本系统实现的功能不是很健全，但在设计该系统的过程中，让我学会了系统设计的方法，和养成了系统思考的思维方式。首先要了解系统所要实现的功能；其次根据功能去选择相应的硬件资源；再次将一个大的系统进行模块化划分，然后逐一去攻破。最后把所有模块进行优化整合，便得到了一个完整的系统。基于这样的思路，我完成了室内空气质量控制系统的基本设计。
系统的控制具有运行可靠、功能齐全、投资低等特点。同时，利用单片自身 的数据处理功能使整个控制系统的结构线路更为简单、控制更为方便、系统更易于维护。在系统中，我们利用光电传感器对信号进行检测，并将经过信号处理模块单元处理后的信号送入单片机P1^0端进行单位时间内的计数。再由单片机根据所检测的信号数量与二氧化碳比值关系进行数据处理和数据显示。从而实现工作是否正常运行做出了一定的监测。为系统能够安全、正常运行提供了基础。 本次设计当然还存在一些或多或少的问题，特别是与传感器的实际工作情况还有一定的差距还有很多现实性的干扰没能考虑进去。由于时间有限，所设计的东西只能在理想状态下正常工作，这是我下来之后所要对自己设计的东西进行改进的地方。

6 致谢
在本次课程设计过程中，郭老师对该设计的构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我和我的同伴最终得以顺利完成本次课程设计。在此我致上诚挚的谢意。 在设计过程中所涉猎的各种软件（如visio、protel、protuse 、keil）也使我的知识构架更为丰富。同时，通过这次做课程设计我也及时发现自己知识点上的漏洞，真正起到了查漏补缺的效果。 这次课程设计能够顺利完成，我也非常感谢在我身边默默帮助与支持的朋友。因为从他们身上我不仅学得了很多实用的专业知识，同时也学到了团队合作精神的重要性获得了更为坚实的友谊，学会了从不同的角度去思考和看待问题。 在学习中,郭老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。在此，感谢郭老师的支持和帮助，致以衷心的感谢和崇高的敬意。

7参考文献
[1] 徐科军主编.传感器与检测技术.北京：电子工业出版社，2008
[2] 谭浩强主编.C程序设计（第三版）.北京：清华大学出版社，2005
[3] 谢自美主编.电子线路设计·实验·测试.武汉：华中科技大学出版社，2006.8
[4] 张毅刚主编.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社.2009
[5] 康华光主编.电子技术基础模拟部分.北京：高等教育出版社，2006
[6] 袁鹏平主编.Protel 99电路设计实用教程.北京：化学工业出版社.2006.10
[7] 杨天怡主编.微机计算机控制技术.重庆：重庆大学出版社
[8] 刘靖编.单片机控制技术.北京：北京理工大学出版社.2008.06

附录一：相关程序

#include <AT89X52.H> //调用外函数//
#include <ctype.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h> #include <math.h>
#include <LCD.h> /**********初始化CPU************/
void init_cpu() //初始化cPu
{ EA=1;
TR0=1;

TR1=1;
TMOD=0x11;
TH1=0x3c;
TL1=0xb0;
}
/*void time1(void) interrupt 3 using 1
{
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
keyval=P1;
} * //初始化CPU结束//
void main_menu_initial() //LCD主菜单初始化.//
{
main1_menu[0].menu_count=4; //有4个菜单项.// main1_menu[0].display=measurearray; //定义一个”开始测量“数组//
main1_menu[0].subs=NULL; main1_menu[0].children_menus=measure_menu; //当前菜单子菜单 的指针 main1_menu[0].parent_menus=NULL; „„ //还有“数据存储”、“时间设置”„„//
}
void measure_menu_initial() //“开始测量”菜单设置// {
measure_menu[0].menu_count=2;
measure_menu[0].display=qr; //开始测量函数, 确认. measure_menu[0].subs=start_measure_function; //开始测量函数 measure_menu[0].children_menus=NULL; measure_menu[0].parent_menus=main1_menu; measure_menu[1].menu_count=2;

measure_menu[1].display=qx; //开始测量函数, 取 消. measure_menu[1].subs=NULL;
measure_menu[1].children_menus=NULL; measure_menu[1].parent_menus=main1_menu;
}
„„ //还有void store_menu_initial()、void time_menu_initial()// void led_menu_pro() {
max_item=menu_led->menu_count;
switch(keyval)
{
case 0: break;
case 1: //向上键.
if(user_choosen==0)
{
user_choosen=max_item;
}
shuaxin=1;
user_choosen--;
break;
}
„„ //“向上”“向下”“确认”“取消”键//

if(shuaxin) //是否需要刷新LCD标志位.
{ Clr_Scr();
shuaxin=0;
}
led_menu_show();
}
v oid led_menu_show()
{
uchar n;
max_item=menu_led->menu_count;
if (max_item>=4) //菜单项为3则表示为主菜单.
{
for(n=0;n<4;n++)
{ draw_bmp(n*2,20,96,0,menu_led[n].display);
}
select_item(user_choosen); //标记出当前菜单项.
}
else
{
switch(temp_choosen)
{ case 0:
draw_bmp(0,20,96,0,measurearray); //“开始测量”数组 //

break;
„„
default:
break;
}
for(n=0;n<max_item;n++)
{
draw_bmp((n+1)*2,20,32,0,menu_led[n].display);
}
select_item(user_choosen+1); } }
void select_item(uchar n)
{
draw_bmp(n*2,2,16,0,curflag);
}
void start_measure_function(void) //开始测量函数// {main_Menu();
}
„„
/*----------------主函数-------------------*/
main()
{
init_cpu();
Init_Clock();

init_lcd();
Disp_Img(FirstPage);
delay(2000); //延时//
ClockMsg();
Refresh();
delay(2500);
Clr_Scr();
main_Menu();
Clr_Scr();
main_menu_initial();
measure_menu_initial();
store_menu_initial();
time_menu_initial();
communication_menu_initial();
while(1)
{ keyval=get_key(); //读键.
led_menu_pro();
}
} // 适当延时防止因为不断查忙而耗费大量CUP资源 //

（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）