基于51单片机的家庭有害气体报警器的设计和实现

Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．５，２０１７　文章编号：１００７—７５７Ｘ（２０１７）０５—００３５—０４　基金项目　微型电脑应用２０１７年第３３卷第５期　基于５１单片机的家庭有害气体报警器的设计和实现　孙瑾　（宝鸡文理学院计算机学院，宝鸡７２１０１６）　摘　要：当今日常生活中，室外空气污染严重，导致室内的空气也不健康，而人们在室内的时间则多于室外，因而室内更容易　发生有害气体危害Ａ．ｉｔ１健康的事故。设计一个室内有害气体检测报警器，可在室内ＰＭ２．５超标时报警提示。该系统以单片　机最小系统为核心，结合粉尘检测模块、按键模块、报警模块、温湿度检测模块和显示电路模块等有害气体检测报警器的开发　过程进行设计，实现室内气体实时监测并把数据显示在１６０２液晶显示器上，在超过警戒值时会通过蜂鸣器进行报警，以提醒　人们可以通过净化设备来提高家中空气质量确保健康的生活环境。　关键词：单片机；报警器；Ｋｅｉ１；程序设计　中图分类号：ＴＰ３１ｌ　文献标志码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｏｍｅ　Ｈａｒｍｆｕｌ　Ｇａｓ　Ａｌａｒｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　５　１　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｈｉｐ　Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｕｎ　Ｊｉｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｂａｏｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｔｓ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂａｏｊｉ　７２１０１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ａｉｒ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｄａｉｌｙ　ｌｉｆｅ，ｉｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎ　ｉｎｄｏｏｒ　ａｉｒ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｈｅａｌｔｈｙ．Ｐｅｏｐｌｅ　ｓｔａｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｏｏｍ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　ｏｕｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｏｍ，ＳＯ　ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ　ｈａｒｍｆｕｌ　ｇａｓ　ｉｓ　ｅａｓｉｅｒ　ｔＯ　ｏｃｃｕｒ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｏｆ　ｈａｒｍｉｎｇ　ｐｅｏｐｌｅ＇ｓ　ｈｅａｌｔｈ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｎ　ｉｎ—　ｄｏｏｒ　ｈａｒｍｆｕｌ　ｇａｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｌａｒｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｉｔ　ｃａｎ　ｒｅｍｉｎｄ　ｐｅｏｐｌｅ　ｗｈｅｎ　ＰＭ　２．５　ｅｘｃｅｅｄｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ，ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｕｓｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ，ｋｅｙ　ｍｏｄｕｌｅ，ａｌａｒｍ　ｍｏｄｕｌｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，ａｎｄ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ｈａｒｍｆｕｌ　ｇａｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｌａｒｍ．Ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ　ｇａｓ　ｉｓ　ｍｏｎｉ—　ｔｏｒｅｄ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｒｅ　ｄｉｓｐｌａｙｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　１６０２　ＬＣＤ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ａｌａｒｍ　ｆｏｒ　ｐｅｏｐｌｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｖａｌｕｅ　ｗｉｌｌ　ｅｘｃｅｅｄ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｖａｌｕｅ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｉｔ　ｒｅｍｉｎｄｓ　ｐｅｏｐｌｅ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｉｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｔＯ　ｅｎｓｕｒｅ　ａ　ｈｅａｌｔｈｙ　ｌｉｖｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；Ａｌａｒｍ；Ｋｅｉ１；Ｐｒｏｇｒａｍ　ｄｅｓｉｇｎ　０　引言　室内环境是人们日常生活和工作的空间，是为了生活需　要而建立的室内环境，包括办公室、家庭居室、酒店、图书馆、　模块、ＧＰ２Ｙ１０１０ＡＵ粉尘传感器、ＤＨＴ１１温湿度检测模块、　ＡＤＣ０８３２模数转换器模块、电源模块、蜂呜器报警模块和按　键模块组成。单片机实时通过ＡＤＣ０８３２转换芯片采集　ＧＰ２Ｙ１Ｏ１ＯＡｕ粉尘传感器的粉尘的浓度，通过单片机的数　据转换处理后在液晶屏上显示空气中的质量，当测量空间中　的粉尘浓度大于设置粉尘浓度时ｌ４］，蜂鸣器和发光二极管发　商场、教室等公共场所及内部空间，而室内的光、热、空气品　质都对人的生活、工作、健康产生着直接影响。而现代城市　的快节奏是人们处于室内的时间逐渐延长，为此室内的空气　出声光报警。粉尘的浓度报警值可以通过按键进行设置。　同时也可以自动检测当前的温度与湿度，经单片机处理后显　示到液晶屏幕上。该系统功能结构，如图１所示。　质量对于人们的健康来说至关重要　］。　由于我国社会改革的步伐逐渐加快，空气质量的问题也　日益突出。室内环境变成人们主要的活动场所，良好的空气　质量有利于提高人们的工作效率，然而室内空气环境的污染　已经十分的严重，对人们的健康工作与生活带来了极大的危　害。所以室内有害气体的检测的设计与实现　。］具有重要的　现实意义。　Ｈ　机Ｊ片邑Ｓ　匝　匝　Ｔ　８９　Ｃ　２　ＤＨＴｌｌ温湿度传感器　・　５　ｌ　系统整体结构设计　该系统采用ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机最小系统、ＬＣＤ１６０２液晶　基金项目：２Ｏ１２年校级重点项目（ＺＫ１２１２０）　图１系统功能结构图　作者简介：孙瑾（１９８２一），男，山东省曹县人，工程硕士，工程师，研究方向：数据库、计算机应用。　・　３５　・　Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖｏｉ．３３，Ｎｏ．５，２０１７　基金项目　微型电脑应用２０１７年第３３卷第５期　２系统硬件设计　２．１主控制模块的设计　单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路３部　用。传感器的第一脚接了一个２２０ｕＦ的电解电容和１５０欧　姆的电阻。第二脚接到单片机的Ｐ３２外部中断０　Ｅｌ，第五脚　是粉尘浓度的模拟量输出脚，接在模数转换器ＡＤＣ０８３２的　通道１上。粉尘模块电路，如图６所示。　ＶＣＣ　分组成。复位电路　是通过判断初始的单片机工作状态；　完成启动状态，是确定单片机的工作起始状态，当单片机系　统在运行中，受到外部环境干扰时，可以通过复位键，让内部　程序重新启动，一般情况下，有上电自动复位和手动按键复　位两种方式，该系统采用外部手动按键复位方式，通过连接　０Ｚ０　ｕｕ＞　０　蛊　≥醴　０∞０　Ｉ＿∞０　上拉电阻升高输出电平来实现复位。单片机主控电路，如图　２所示。　Ｖ　Ｃ　ｉ——　　上　：ＬＫ　２　Ｐ１Ｕ０　ｌ　ＳＴＣ８９Ｃ５Ｖ２Ｃ　Ｃ　３９　ＤＢ０　１Ｒ　１　Ｌｓ　ＩＮ　图４ｚＥＥ主　Ｐｌ１２ｌ　５　Ｐｌ３　Ｌ　Ｐ１４　ＲＳＴ　Ｐ００１　３　８　ＤＢ１　２３　Ｐ０２　３６　ＤＲ　４　Ｐ０３　３５　Ｐ０４　３４　∞０　ｎ∞０　寸∞０　∞０　ＧＮＤ　∞０　卜∞０　蜂鸣器工作原理图　Ｕ０之０∞　０ＺｎＩ／。∞　Ｉ】Ｈ４　ＤＢ５　５　６　７　ＰＩ５，ＭＯＳＩ　茁Ｙｒ——ｇ＿　ＰＩ６ⅡＳＯ　匝　——　Ｐｌ７，ｓＣＫ　Ｐ３Ｏ，ＲＸＤ　Ｐ０５　３３　ＤＢ６　Ｐ０６　３２　Ｐ０７　ＥＡ　ＤＢ７　７　Ｒ　：Ｍ　ＩＩ伍】Ｚ　Ｐ３ｌ门＇ｘＤ　ＡＬＥ　氆　Ｐ３２３４／厂ＩｒＮＯＴ　Ｐ０１　　ＰＳＰＥ２Ｎ７６　盥　Ｐ３５６７　／　ＰＴｌ　Ｐ２５４３　Ｘ１　１９　Ｘ２　Ｐ２２　乜！Ｍ　１８　ｐＦ　２Ｑ　Ｘ１　ＧＮＤ　Ｐ２１　Ｐ００　图２单片机主控电路　图５按键模块电路图　ＶＣＣ　２．２显示模块的设计　显示模块采用ＬＣＤ１６０２液晶显示器，能够清晰的在液　晶上显示字符和数字。液晶的命令操作脚是ＲＳ、ＲＷ、ＥＮ，　接在单片机的Ｐ３　５、Ｐ３　６、Ｐ３‘７脚，数据脚ＤＯ～Ｄ７分别接单　片机的Ｐ１口。其驱动电路，如图３所示。　Ｉ　ＣＤ１　Ｉｆｆ＿ｎ１６０２　从ＶＯ　上　Ｆ　上Ｌ１　ＧＮＤ　ＶＣＣ　ＶＣＣ　图６粉尘模块电路　２．６电源部分的设计　温湿度测量控制系统采用ＵＳＢ电源做电源，经过实验　ＧＮＤ…　Ｊ　Ｊ－　图３驱动电路　验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足　系统的要求。其中ＤＣ５Ｖ为电池接口，ＳＷｌ为电源开关，Ｒ６　为二极管的限流电阻，ＰＯＷＥＲ为电源指示灯，Ｃ５和Ｃ６为　电源的滤波电容。电源接口电路，如图７所示。　２．Ｓ报警模块的设计　该系统中声光报警电路＿７　采用ＮＰＮ型￥８５５０三极管驱　动，当单片机的Ｐ１—３口输出为低电平时，三极管的ＶＥ＞ＶＢ　＞ＶＣ＞Ｏ。三极管的发射结正偏，集电结反偏，３个饱和导　通，此时发光二极管和蜂鸣器发出声光报警，当单片机的Ｐ１　３口输出高电平时，三极管截止，声光报警停止工作。蜂鸣器　工作原理，如图４所示。　２．４按键模块的设计　空气质量检测系统的灰尘参数可以通过按键进行设置。　一ＧＮＤ　图７电源接口电路　个是参数加键，一个是参数减键。通过这两个按键进行设　置。按键模块电路，如图５所示。　２．５粉尘模块电路设计　对非常细的颗粒，如烟草烟雾的检测中光学灰尘传感器　３　系统软件的设计　该系统中的软件采用Ｋｅｉｌ编译系统进行编写，此系统是　由ＫＥＩＬ公司开发。有较强的可读性的模块化思想的系统　软件设计，能够方便软件后续的修改。　（ＧＰ２Ｙ１０１０ＡＵＯＦ）【８］，是特别有效的，并在空气净化系统常　・　３６　・　Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖｏｉ．３３，Ｎｏ．５，２０１７　应用单片机时不仅需要进行硬件的设计还需要软件来　实现相关的功能，相互结合才能使单片机运作。利用Ｃ语言　基金项目　微型电脑应用２０１７年第３３卷第５期　发一次信号采集。只有当接收到了开始信号，才会去采集温　湿度的数据，假若未收到主机的开始信号，传感器就不会主　动进行温湿度采集。数据通信过程，如图１１所示。　编译软件时，Ｋｅｉｌ　Ｃ５１可以加以运用在任何５１系列单片机，　同时具有完美的编译环境和背景，Ｋｅｉｌ　Ｃ５１软件的优点也显　而易见，所以采用Ｋｅｉｌ　Ｃ５１来实现室内有害气体检测报警器　的软件开发编译环境。　对于该系统最重要的功能就是要实时进行监测和显示，　即不断的采集和检测数据，然后刷新数据进行显示，让用户　能够观测到室内的空气质量情况，所以软件部分分为两部　分：数据的分析处理模块和用于人机交互的显示模块。主要　功能有检测气体和温湿度数据，然后对数据进行处理，最后　将信号转换为气体浓度进行显示。其中系统软件部分功能，　如图８所示。　图８系统软件部分功能图　图９系统流程图　图８中数据处理模块包括：ＡＤ采集程序、数据处理程　序、温度传感器程序等等。用于人机交互的显示模块程序主　要有：串口通信程序、ＬＣＤ显示程序，该模块主要用来实现　友好的人机交互功能，使用户能够使用显示屏更加的方便快　捷观察数据。　３．１编译环境的初始化　先给系统上电，然后对系统进行初始化，设定一些标志　位和定时器，然后初始化各个外设如温度传感器、时钟、串　口、ＬＣＤ液晶屏等。系统初始化之后显示读取到各项气体的　参数值，系统初始化流程，如图９所示。　３．２数据采集与处理模块程序设计　此模块由数据处理子程序、温湿度传感器程序、ＡＤ采集　程序等部分组成。数据采集分析和处理模块决定了系统的　转换速度和转换精度，是系统十分重要的模块。　图１Ｏ数据处理流程图　３．３数据处理子程序　因为在空气中暴露一段时间后，气体传感器会出现老　化，造成一定程度的零点漂移和其他问题，都会影响传感器　的标定，所以在软件中为确保转换结果的正确，会进行相应　的设置来进行补偿。数据处理子程序使测量结果正确显示　和存储，它能够连接ＡＤ转换结果和传感器得到的实际测量　结果，数据处理流程，如图１Ｏ所示。　图１１温湿度传感器通信过程　待　３．４温度传感器子程序　温湿度传感器收到单片机所发的一次开始信号以后，便　由低功耗转为高速模式，然后等待，直到主机的开始信号结　束，传感器发送响应信号，把测试数据的４Ｏ位送出去，再触　３．５数据显示报警模块　显示模块采用ＬＣＤ１６０２液晶显示器，显示屏内可以看　到当前室内温度、湿度、以及ＰＭ２．５的数值，当ＰＭ２．５的浓　・　３７　・　Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖｏ１．３３．Ｎｏ．５，２０Ｉ７　珐金』贝ｆ１　微型电脑应用２１｝１７年第３３卷第５期　悭超过预没仇ｆ｛１『．就会ｆ　Ｊｌ起报警．用ｒ】采取卡¨心净化设施的　措施降低浓　，｛｝｛臀停Ｉ卜　４　系统的实现　４．１　嵌装步骤　一‘允．柃　各　ｆｔ郁　，¨｛＿ｌ叮以运＂Ｉｆ，ｔ．按　弹『纠的　１　１　环境般时的系统表现　化　放女，符死件．坪注意安装疗…．…易到ｍ　依次焊接。焊　接ｆｉ１ｆｆ乇　１（）ｓ　九　发　接完成后　体．如　】２所，Ｊｊ。　审内ＰＭ２．５大于３　０００　ｌｚｇ／ｎ１　时．系统　爪红灯．表　永帑内夺　环境饭　，Ｊ　动蜂呜器．进行报警。如　１　５所　，Ｊ　。　体检测撤警器　体　１．２　系统的州　ｉＪｌＩｌＪ　过程ｔＩＩ．　丸要检测艘件电路没汁的合理性、文现　力‘法的呵　等等；祭体检彘完成后，采川分块测试的方法．　，Ｊ；是甭』ｌ：　帛’．符　ｌ！常．然后依　５　总结　该系统使Ｈｊ单片机最小系统Ｓ＇Ｉ、（、８９（’５２为控制　．实观　ｒ一个【¨『以　彳ｆ效检测Ｉ　Ｍ２．５浓度，＂¨．　超　警成　ｆ’ｊ‘丸烧人液『ｉＩ１Ｉ　，Ｊ　序．愉　次对（’Ｉ】２Ｙ１０ｌ０Ａｔ　Ｆ光　灰　传感器、Ｉ）Ｈ．ｒＩ１濉　度传感　器．　制电蹄以及・　片机的　制电路进行　行．对每个模块　池同时进，于报臀，　叫还Ｉ＝ｉ丁检测拳内的温　Ｊ　能检测的多样化．这将对人们　的脱　价值　度，Ｈｎ实则　Ｊ　泛推广　进仃渊试的过程一ｆｔ采川ｒＪ　部刮螫体测试方法，Ｊ１・将符个模　块整合成・个骼体。ｌ　仆测试，厂法，如　１所，Ｊ　走ｌ　系统捌试　内１　作的环境具钉醺　大的现实意义．Ｉ斫Ｊｌ陔系统文观的成水较低，　参考文献　『１］　程丈红．基于ｓＴ（、８【）（、５２天燃气气体泄露报警器的设　计　）　．大庆：东北石油大学，２（）】４．　［：２］　焦琪，樊泽明．便携式危险气体报警器的研究与设计　［Ｊ］．计算机测量与控制，２Ｏ１　１．１　）（５）：１　１　ｌ　１　４４．　测试过程　ｆ，“｛窄＿Ｊ、Ｊ　Ｉ　Ｍ２．　的　城１１、ｊ　７　ｆ　ｇ／ｍ。。时，系　［３］　郭波，张征，许思思．有毒有害气体报警器智能检定装　置的研制［Ｊ］．中国测试，２ｏ】５．　１１（５）：７５　７８．　＿Ｉ］　段晓霞．梁冬柳．陈晓东，等．基于单片机的煤气报警　统　爪绿灯．代文环境良　。　¨时ＩＸ＇１）　爪　会ｈ　，Ｊ　ｎ【１　１：｛所爪　ｌｊｉ』的濉发．　忮．Ｉ’Ｍ２．５浓俊．　、‘　系统［＿Ｉ］．自动化技术与应用，２（）１　４，３　（１　２）：８１　８３．　［５］　莫洪．室内有害气体检测系统设计研究［¨．中国新技　术新产品．２（）ｌ　６（１　２）：ｌ　２７　ｌ　２８．　ｒ６］　周宇辉．家庭安全报警器设计［＿『＿．教育教学论坛，２（）　（　＇）：２７２　２７３．　［７］　李百明．汽车追尾预警系统设计［¨．机电技术．２０１　５　（６）：ｌ　２６—１　２８．　［８］　贾蕴发．刘杨。李超。等．基于多传感器的汽车防碰撞及　冬１　Ｉ　｛环境良＆　的系统裘现　行人保护预警设计ｒ门．农业装备与车辆工程．２（）】５．５３　（１　２）：５６　５［ｊ．　１　内Ｉ　Ｍ２．５处＿ｊ　７５　１　０５０　ｌｚｇ／ｎ１　时，系统｛ｉ＝ｉｊ－爪黄　１　１所尔。　（收稿日期：２ｏ　．１　２．２７）　・　３８　・