基于单片机的CO浓度检测与显示专业系统设计.doc
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1、基于单片机CO2浓度检测和显示系统设计设计总说明伴随社会经济发展,大家生活水平普遍提升,对空气品质要求也不停提升,尤其是大中城市空气污染严重。二氧化碳气体对人和人农作物生活生长起着很关键作用。所以言之CO2研究检测装置是很必需,对我们人健康和农作物生长考价值,不一样植物对CO2浓度需求也不尽相同。本论文关键针对空气中二氧化碳浓度设计检测系统。综合考虑系统精度、稳定性和经济性要求这三个方面以后,确定以AT89S52单片机为控制关键,选择性价比比较高传感器,来实现对二氧化碳浓度正确检测。本设计共有三部分组成,用CO2浓度传感器TGS4160检测CO2浓度,控制单元用AT89C51单片机,显示模块用
2、LED数码管。整个系统含有易于操作、运行可靠、便于扩充等特点。系统体积小,操作简单,灵活性强,针对不一样环境、不一样作物不一样要求,能够随时随地修改极限报警值。该系统含有功效强成本低特点,适合在多种环境进行检测。关键字:AT89C51,TGS4160,CO2浓度,LEDCO2 concentration detection based on single chip microcomputer and display system designDesign DescriptionWith the development of social economy, the general improve
3、ment of peoples living standard, the air quality requirements are constantly improve, especially in large and medium-sized cities air pollution is serious.Carbon dioxide gas to human crops growth plays a very important role of life.So the research of CO2 detection device is very necessary, and the g
4、rowth of crops to the health of our people test value, different plants have different demands for the concentration of CO2.This paper mainly in view of the design of carbon dioxide concentration in the air system.Considering the precision of the system, stability, and economical requirements after
5、the three aspects, determine the AT89S52 single chip microcomputer as control core, with high cost performance sensors, to achieve accurate detection of the concentration of carbon dioxide.The design of a total of three parts, with CO2 concentration sensor TGS4160 detect CO2 concentration, the contr
6、ol unit with AT89C51, LED digital tube display module.The whole system is easy to operate, reliable operation, easy to expand, etc.System of small size, simple operation, strong flexibility, according to different environment, the different requirements of different crops can be modified at any time
7、 and place limit alarm value.This system has the characteristics of strong function of low cost, suitable for all kinds of testing environment.Keywords :AT89C51,TGS4160,CO2 Concentration,LED目录1绪论11.1研究目标和意义11.2中国外发展情况11.2.1国外发展现实状况11.2.2中国发展现实状况21.3课题关键内容及研究意义32系统总体方案设计42.1系统设计特点和设计思绪42.1.1系统设计特点42.
8、1.2设计思绪42.2关键元器件选择52.2.1传感器选择52.2.2单片机选择62.2.3显示模块72.3 CO2浓度测量意义83.系统硬件设计93.1电源模块设计93.2单片机93.2.1 AT89C51单片机介绍93.2.2最小系统设计103.3 CO2检测电路设计123.4报警电路设计133.4.1报警电路介绍133.5显示模块设计143.6 A/D转换电路设计143.6.1 AD7705 介绍153.6.2 A/D转换电路164.系统软件设计184.1系统总步骤图184.2 A/D转换步骤图184.3测CO2子程序步骤图195.总结21致谢22参考文件23附录241绪论1.1研究目标
9、和意义伴随社会经济发展,大家生活水平普遍提升,对空气品质要求也不停提升,尤其是大中城市空气污染严重。二氧化碳气体对人和人农作物生活生长起着很关键作用。所以言之CO2研究检测装置是很必需,对我们人健康和农作物生长考价值,不一样植物对CO2浓度需求也不尽相同。中国农业发展必需走现代化农业这条道路,伴随国民经济快速增加,农业研究和应用技术越来越受到重视,尤其是高效农业一个关键组成部分。现代化农业生产中关键一环就是对农业生产环境部分关键参数进行检测和控制。比如:二氧化碳浓度、空气温度等。在农业种植问题中,温室环境和生物生长、发育、能量交换亲密相关,进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化基础确保,
10、经过对监测数据分析,结合作物生长发育规律,控制环境条件,使作物达成优质、高产、高效栽培目标。因为单片机及多种电子器件性价比快速提升,使得这种要求变为可能。本论文提出一个以AT89S52单片机为关键检测器,关键是为了对日光温室内二氧化碳浓度、温度和湿度进行有效、可靠地检测而设计。1.2中国外发展情况1.2.1国外发展现实状况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。伴随计算机技术进步和智能控制理论发
11、展,近百年来,温室大棚作为设施农业关键组成部分,其自动控制和管理技术不停得以提升,在世界各地全部得到了长足发展。尤其是二十世纪70年代电子技术迅猛发展和微型计算机出现,更使温室大棚环境控制技术产生了革命性改变。80年代,伴随微型计算机日新月异进步和价格大幅度下降,和对温室控制要求提升,以微机为关键温室综合环境控制系统,在欧美得到了长足发展,并迈入了网络化,智能化阶段。现在,国外现代化温室内部设施己经发展到比较完备程度,并形成了一定标准。温室内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,如温室内外温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等,由传感器检测基础上能够实现对各个实施机构自
12、动控制,如无级调整天窗通风系统,湿帘和风扇配套降温系统,由热水锅炉或热风机组成加温系统,可定时喷灌或滴灌浇灌系统,二氧化碳施肥系统,和适适用于温室作业农业机械等。计算机对这些系统控制己经不是简单、独立、静态直接数字控制,而是基于环境模型上监督控制,和基于教授系统上人工智能控制,部分国家在实现自动化基础上正在向着完全自动化、无人化方向发展。1.2.2中国发展现实状况中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、节能日光温室为主设施农业,促进了农村经济发展和缓解了蔬菜季节性短缺矛盾。和此同时,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试验研究。引进温室
13、和中国传统温室比较,其空间大,便于进行机械作业,生产率和资源利用率比较高,为中国温室发展提供了借鉴作用。但这些温室也存在着很多不足之处,关键表现在:1.价格昂贵,中国农业生产现在难以接收。2.缺乏和中国气候特点相适应温室测控软件。现在中国引进温室测控系统大多投资大、运行费用过高,而且测控系统中所侧重考虑环境参数和中国气候特点存在矛盾。3.控制方法比较简单,软件实现模式固定,不能进行功效扩展。随即在中国出现了部分国外仿造产品,但均没有面向中国广大农村现有1000万亩传统温室改造工程。所以,传统方法,大家关键还是采取温度计、湿度计来采集温度值和湿度值,经过人工操作加热、加湿、通风和降温来控制温湿度
14、。所以,以上产品推广使用价值仍然不大。总体上说,中国自行开发温室测控系统其技术水平和调控能力和发达国家还有一定差距。而中国综合环境测控技术研究刚刚起步,现在仍然停留在研究单个或少许环境因子调控技术阶段,而实际上,温室内光照度、温度、湿度、二氧化碳浓度等环境原因,全部是在相互影响、相互制约状态中对作物生长产生影响,环境要素空间改变、时间改变全部很复杂。所以,我们应该依据中国国情研制出适合中国农业发展仪器仪表,并在农业设施中广泛推广。1.3课题关键内容及研究意义为适应农业发展需要,依据以上分析存在问题,本论文设计了基于单片机二氧化碳浓度、温湿度检测系统。该系统在设计过程中充足考虑到性价比,选择价格
15、低、性能稳定元器件,可实现对大棚内二氧化碳浓度、温湿度在线实时检测。还设计了通信系统,单片机实时监测大棚内二氧化碳浓度、温湿度,当二氧化碳浓度、温湿度超出设定上、下限时,单片机经过和温室主机进行通信来打开对应实施机构,实现对二氧化碳浓度、温湿度调控,从而使得大棚内参数在适合作物生长范围内。2系统总体方案设计2.1系统设计特点和设计思绪2.1.1系统设计特点CO2浓度测量是指从CO2传感器或其它待测设备等模拟或数字被测单元中自动采电量或非电量信号输出。现在,中国大部分地域测量CO2浓度方法有两种,一个使用有线控制方法,另一个使用无线控制方法。有线接线麻烦,且接收温度点用线固定,不能随意移动,接收
16、参数读取不易;无线成本比有线高,在设计时较轻易。此次设计采取有线方法测量温度,有线测量终端设备能够依据测量者需求选择位置,有线方法抗干扰能力强。大部分CO2浓度测量系统全部是采取工控机或PLC方案,价格昂贵。在系统设计过程中要充足考虑经济性,降低温室设计中多种成本,这在选择方案上含有较为深远意义,所以本设计基于STC89C52RC单片机CO2浓度测量系统。2.1.2设计思绪本课题设计是一个以STC89C52单片机为主控制单元,以CO2浓度传感器组成测量控制系统。本设计关键针对空气中二氧化浓度检测采取二氧化碳浓度传感器TGS4160,TGS4160检测到二氧化碳浓度信号经过模拟变送模块后,送入A
17、/D转化器转化为数字信号后送入单片机处理。检测器是以单片机为关键,整个检测器系统包含主模块、数据采集和处理模块、模数转换模块、输出控制模块和显示模块等。数据采集和处理模块能够完成二氧化碳浓模拟量采集和处理,结果送数据存放器,输出控制模块关键负责显示控制。系统总体框图图2-1所表示。图2-1系统总体框图2.2关键元器件选择2.2.1传感器选择TGS4160是日本FIGARO(弗加罗)企业生产一个固态电化学型二氧化碳传感器(CO2 sensor),该器件除含有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特征外,同时还含有耐高湿和耐低温等特点。所以可广泛用于自动通风换气系统或CO2气体长久监测等应用场所。1.
18、 二氧化碳传感器TGS4160概述GS4160二氧化碳传感器是FIGARO(弗加罗)企业生产固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除含有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外,同时还含有耐高湿低温特征可广泛用于自动通风换气系统或是CO2气体长久监测等应用场所。不过,因为TGS4160预热时间较长(通常为小时),所以,该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。另外,为了方便用户使用,FI-GARO企业还专门设计了带温度赔偿传感器处理模块。该模块采取微处理器进行控制,CO2气体浓度输出信号电平为0.03.0,相当于03000ppm浓度,并有中继转接控制口,可输出高、低两种门限信号以供外接
19、控制使用。TGS4160传感器关键技术参数以下:测量范围:05000pm;使用寿命:天;加热器电压:5.00.2;加热器电流:250;加热器功耗:1.25;内部热敏电阻(赔偿用):1005;使用温度:-1050;使用湿度。2. 二氧化碳传感器内部结构TGS4160二氧化碳传感器是一个内含热敏电阻混合式二氧化碳敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成,而阳极只是镀金材料。该敏感元件基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固,然后采取不锈钢网做圆柱型封装。元件内层采取100目双层不锈钢网套在镀镍铜环上,并用高强度树脂粘合剂和基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一
20、层60目标不锈钢网。为了达成降低干扰气体影响目标,TGS4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料(沸石)。传感器6个引脚经过0.1mm箔导线和内部相连。TGS4160内部等效结构图图2-2所表示。阳极和传感器第3脚S(+)相连,阴极和传感器第4脚S(-)相连,Pt加热器和传感器第1,6脚相连,内部热敏电阻和传感器第2,5脚相连。内部热敏电阻作用是经过该电阻探测环境温度,方便对该传感器进行温度赔偿,从而使校正后测量值愈加正确。图2-2 TGS4160等效内部结构2.2.2单片机选择通常情况下,控制器选择需要遵照以下多个标准:1控制器基础性能参数是否满足设计需求。比如控制器指令实施速度I/0
21、口引脚数量、程序存放器(ROM、RAM)容量及是否支持外部扩展、UART或SPI口数量、中止处理系统等是否满足设计要求。2控制器工作电压及工作温度是否满足现场环境要求。3开发成本是否相对经济性。当基础性能参数全部满足后就要综合考虑开发成本问题,开发周期长短也对可移植性提出一定要求,最终还需考虑到系统是否轻易维护等问题。单片机作为系统关键部件它选择对整个系统起着很关键作用。现在较为广泛应用单片机有51系列8位、面向大数字信号处理领域数字信号处理器(DSP)、增强型16位单片机机和32位AR芯片这多个。ARM芯片优点是体积小、功耗低、功效广泛和性能高特点,它关键应用在比较简单小型场所。方案一:采取
22、89C51,其内部有4KB存放器,编码后以并行方法传输数据。它优点是方便实现,软件开销小。方案二:采取8051,其内部无片内程序存放器,所以,必需在片外扩展EPROM。综合分析,采取方案一以比较方便。2.2.3显示模块现在关键显示器有LCD和LED两种,LCD和LED是指液晶电视背光技术两个发展阶段,也是现在市场关键两种液晶电视背光技术。但不管哪种背光技术,液晶本身原理全部相同。液晶本身不发光,需要用背光照亮。这种照亮技术就分为LCD和LED。LED技术相比LCD更优异,整体视觉效果愈加好,更节能,当然价格会更高部分。相比较而言,LED作为背光源能使显示器愈加轻薄,显色效果会愈加好。另外较为关
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