1、西華大學課程設計說明書 目錄1 前言12 總體方案設計22.1 方案比較22.2 方案比較與選擇33 單元模塊介紹43.1 二氧化碳傳感器43.2 放大電路53.2.1 放大電路的特點53.2.2放大電路的性能指標63.3 STC89C51單片機63.3.1 單片機最小系統83.4 顯示電路113.5 風扇控制模塊114 系統軟件設計 134.1系統程序設計135 總結146 致謝157參考文獻16附錄一：相關程序1701 前言空氣是人類賴以生存的最基本條件，但是人們常忽略所呼吸空氣的質量，絕大多數人 85%90% 的時間在室內度過，這使得他們很容易遭受有這些空氣污染引起的疾病。特別是醫(yī)院病房

2、，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、導致空氣質量不好，特別是冬季，不開窗戶，空氣質量更加糟糕。特別是對于心、肺、腦等疾病患者，病房內空氣質量更顯重要。二氧化碳對人體具有相當的危害，室內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%(2000 mg/m3) 時，個別人有不舒服感 ；0.15%(3000mg/m3)內空氣狀況明顯惡化；濃度達到0.3%(6000 mg/m3) 以上時，出現明顯頭痛、頭暈、心煩意亂等癥狀 ；8%(160000mg/m3) 以上可引起死亡。 室內 CO2 主要來自人體呼出

3、氣。室內 CO2 水平受人均占有面積、吸煙等因素影響。在我國北方，冬天關閉窗戶，加上通風不足，室內二氧化碳濃度可達2.0%(4000mg/m3) 以上。 我國公共場所衛(wèi)生標準規(guī)定二氧化碳濃度不超過0.07%-0.15% ( 以場所而定 )。室內空氣中CO2衛(wèi)生標準規(guī)定日平均最高允許濃度0.10%(2000mg/m3)(GB/T17094-1997)。 為滿足房間內內空氣質量的要求，本文設計了一個廉價的房間內的二氧化碳監(jiān)控終端，實時檢測空氣中二氧化碳的含量，并根據數據反饋利用本系統改善空氣質量。2 總體方案設計2.1 方案比較方案一：以STC89C51系列單片機為核心設計，此系列單片機比較常用、

4、價格便宜、操作簡單。設計框圖如圖2.1. 單片機 濃度顯示 A/D轉換器 放大電路 傳感器 引風機 狀態(tài)指示燈圖2.1方案一系統框圖 工作過程:當二氧化碳傳感器檢測到室內空氣中二氧化碳含量超過0.07%時，電路開始工作，傳感器把檢測到的信號經過放大電路放大處理，再通過A/D轉換器轉換成模擬信號輸送給單片機，通過單片機控制引風機工作，并顯示二氧化碳的濃度，直到室內二氧化碳濃度降低到0.07%以下，引風機停止工作。方案二：以PLC為核心設計，其系統框圖如圖2.2所示。 傳感器 信號處理模塊 PLC濃度顯示 引風機圖2.2方案二系統框圖 工作過程：當系統工作時，傳感器將外界的空氣中的二氧化碳含量轉換

5、為電 信號，并將信號傳輸給喜好處理模塊。在信號處理模塊中，將傳感器接收到的信號處理成PLC的輸入信號。PLC在單位時間內對信號進行計數，再將信號數與設定的基本值比較，并從PLC輸出端給數碼管進行濃度的顯示。若測量值大于給定值時，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，兩圖在系統框圖的設計上除了所使用的核心元件不一樣以外，其他基本一樣。 其一，經信號處理模塊處理后的信號大小有所不同，這就決定兩者放大器的 所使用不相同；其二，在設計軟件上不同，且以PLC為核心元件的程序編寫上會比較復雜；其三，從經濟性上講采用單片機更節(jié)約成本。值得我們注意的是

6、，PLC成本比單片機的成本要高出很多，且PLC的輸出端口數越多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，因為PLC在使用中有很大的機械延時，對于一個濃度監(jiān)測系統來講快速、實時性是我們一定要注重的因素?；谝陨弦蛩氐目紤]，本次設計我們選擇方案一。3 單元模塊介紹3.1 二氧化碳傳感器 本次設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)電解質氣體傳感器，半導體氣體傳感器是利用半導體材料的各種化學特性將空氣中含有的特定氣體(即待測氣體)以適當的電信號檢測或定量的器件。其優(yōu)點是靈敏度高、響應速度快、體積小、壽命長、便于集成化、智能化，能使檢測轉換一體化。世界

7、上最先實現半導體氣體傳感器商品化的是日本費加羅公司發(fā)明的TGS系列半導體氣體傳感器。CDM4161是費加羅公司生產的一種CO2氣體濃度測試模塊，其內部集成了TGS4161 CO2氣體傳感器以及PICl6LF88單片機，CDM4161對空氣中CO2氣體濃度的測量范圍為4004000 ppm，并且在空氣中對CO2氣體有高選擇性而對一氧化碳和甲烷等氣體不敏感，CDM4161內部集成的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CO2氣體的濃度保持良好的線性關系。CDM4161對外提供5個引腳，其引腳的功能描述如表3.1所示。表3.1 CDM4161引腳功能描述引腳序號引腳名稱引腳

8、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l接+5 V電源，引腳2輸出電壓范圍04-4 V。相當于CO2氣體濃度范嗣為4004 000 ppm。該模塊允許用戶通過跳線設置4檔極限值，當監(jiān)測到的CO2濃度高于設定值時。引腳3輸出高電平以驅動外部通風設備，反之監(jiān)測到的CO2濃度由高轉低，且低于某一門限值時，引腳3輸出電平也由高變低關閉外圍控制設備，CDM4161板上跳線與所設定極限值以及引腳3輸出電位的變化關系如表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

9、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2 h，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，當模塊內部傳感器故障時黃燈閃爍。表3.2 CDM4161跳線方法檔級跳線插座JP3跳線插座JP4二氧化碳濃度設定值/ppm引腳3電位 變化1斷斷8007200低到高高到低2斷連1000900低到高高到低3連斷15001350低到高高到低4斷斷20001800低到高高到低3.2 放大電路 放大電路是增加電信號幅度或功率的電子電路。應用放大電路實現放大的裝置稱為放大器。它的核心是電子有源器件，如電子管、晶體管等。為了實現放大

10、，必須給放大器提供能量。常用的能源是直流電源，但有的放大器也利用高頻電源作為泵浦源。放大作用的實質是把電源的能量轉移給輸出信號。輸入信號的作用是控制這種轉移，使放大器輸出信號的變化重復或反映輸入信號的變化?，F代電子系統中，電信號的產生、發(fā)送、接收、變換和處理，幾乎都以放大電路為基礎。20世紀初，真空三極管的發(fā)明和電信號放大的實現，標志著電子學發(fā)展到一個新的階段。20世紀40年代末晶體管的問世，特別是60年代集成電路的問世，加速了電子放大器以至電子系統小型化和微型化的進程。 現代使用最廣的是以晶體管(雙極型晶體管或場效應晶體管)放大電路為基礎的集成放大器。大功率放大以及高頻、微波的低噪聲放大，常

11、用分立晶體管放大器。高頻和微波的大功率放大主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)，所以有時往往要畫出它的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，這種反饋有時在本級內，有時是從后級反饋到前級，所以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、輸入電阻和輸出電阻是放大電路的三個主要性能指標，分析這三個指標最常用的方法是微變等效電路法，這是一種在小信號放大條件下，將非線性的

12、三極管放大電路等效為線性放大電路。1放大倍數放大倍數又稱增益，它是衡量放大電路放大能力的指標。根據需要處理的輸入和輸出量的不同，放大倍數有電壓、電流、互阻、互導和功率放大倍數等，其中電壓放大倍數應用最多。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看進去的等效電阻，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/Ii。對于信號源來說，輸入電阻就是它的等效負載。輸入電阻的大小反映了放大電路對信號源的影響程度。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，信號源內阻上的壓降就越小，其實際輸入電壓就越接近于信號源電壓，常稱為恒壓輸入。反之，當要求恒

13、流輸入時，則必須使Ri<<Rs;若要求獲得最大功率輸入，則要求Ri=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個信號源。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RL的大小影響，稱為恒壓輸出。當RL<<Ro時即可得到恒流輸出。因此，輸出電阻的大小反映了放大電路帶負載能力的大小。3.3 STC89C51單片機 由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，許多國家的集成電路的生產廠家也都相繼推出各種類型的單片機，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很多，性能、技術、可靠性

14、和性能價都十分的優(yōu)秀，其中，C51系列單片機的優(yōu)點是價錢便宜、I/O口多、程序空間大。因此測控系統中，使用51系列單片機是最理想的選擇，本設計就選擇采用STC89C51。TC89C51是一種低功耗、高性能CMOS8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制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允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，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C51為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C51具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，

15、32 位I/O 口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，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?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM和定時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各引腳的功能進行較為詳細的介紹：(1)電源引腳Vcc和Vss。Vcc(40腳)：電源端為+5V。Vss(20腳)：接地端。(2)時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2。XTAL2：接芯

16、片外部晶體引線端。當使用芯片內部時鐘時，這兩個引線端接石英晶體和電容。XTAL1：接電容的一個端口。在芯片內，它是振蕩電路的反向放大器輸入端。當使用外部時鐘時，用于接地。 (3)控制信號腳 RST ALE PSEN 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，就可以完成復位操作。ALE/PROG（30引腳）：地址鎖存允許信號端。當STC89C51上電正常工作后，ALE引腳不斷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時脈沖信號。在CPU訪問片外數據存儲時，每取值一次（一個機器周期）會丟失一個脈

17、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，但在訪問外部數據存儲器時，這2次有效的PSEN信號將不出現。表3.3 P3口的第二功能表引腳第二功能P3.0RXD （輸入口）P3.1TXD （輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時器0外部中斷）P3.5T1（定時器1外部中斷）P3.6WR（存儲器寫選通）P3.7RD（存儲器讀寫通）EA/VPP（31腳）：當EA保持低電平時，外部程序存儲器地址為（0000HFFFFH）不管是否有內部程序存儲器。FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程

18、電源（VPP）。對于無芯片內的ROM的8031或8032，須外擴ERROM，此時必須將EA的引腳接地。如果使用有片內ROM的STC89C51，外擴ERROM也是可以的，但也要使EA接地。(4)I/O（輸入/輸出端口，P0，P1，P2，P3）P0口：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O端口。P1口：8位準雙向I/O端口。P2口：即可以做地址總線輸出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此時為準雙向口）。P3口：雙功能口，即可以做普通I/O口用（此時為準向口，也可以按每位定義實現第二功能操作）。3.3.1 單片機最小系統要使單片機工作起來最基本的電路構成為單片機最小系統如圖3.1示。圖3.1 單片

19、機最小系統單片機最小系統包括單片機、復位電路、時鐘電路構成。 單片機內部具有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器。通常在引腳XTALl和XTAL2跨接石英晶體和兩個補償電容構成自激振蕩器，可以根據情況選擇6MHz、8MHz或12MHz等頻率的石英晶體，補償電容通常選擇20.30pF左右的瓷片電容。 單片機小系統采用上電自動復位和手動按鍵復位兩種方式實現系統的復位操作。上電復位要求接通電源后，自動實現復位操作。手動復位要求在電源接通的條件下，在單片機運行期間，用按鈕開關操作使單片機復位。上電自動復位通過電容C3充電來實現。手動按鍵復位是通過按鍵將電阻R2與VCC接通來實現。系統利用P1口的P1.

20、0.P1.3設置了4個獨立按鍵S2S5，當鍵按下時，P1口相應的引腳置為低電平，且與此鍵相連的發(fā)光二極管點亮。 時鐘電路是單片機的內臟，它掌握著單片機工作節(jié)奏，時鐘電路相當于振蕩電路。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內振蕩器。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us。 本系統采用STC系統列單片機，相比其他系列單片機具有很多優(yōu)點。一般STC單片機資源比其他單片機要多，而且執(zhí)行速

21、度快；STC系列單片機使用串口對單片機進行燒寫,下載程序較為方便；STC89C51單片機內部集成了看門狗電路；且具有很強抗干擾能力。 本系統采用內部方式的時鐘電路和加電自復位的復位電路，如下圖4.2所示：圖3.2 復位、時鐘電路圖 由于單片機P0口內部不含上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時必須外接上拉電阻。3.4 顯示電路圖3.3數碼管顯示 顯示采用4位共陽數碼管，單片機控制數碼管顯示不同的四位數字，該模塊主的任務就是利用數碼管完成二氧化碳濃度的顯示。3.5 風扇控制模塊 風扇控制電路該電路采用雙向晶閘管作為交流開關驅動交流電機，并采用光隔離晶閘管驅動器MO

22、C3063實現交流220V 單片機引腳之間電氣隔離。與繼電器相比，該電路沒有觸點，使用壽命更長。圖3.4風扇控制電路圖4 系統軟件設計 4.1系統程序設計系統的軟件主要是采用C語言，對單片機編程實現各項功能。其流程圖如圖4.1所示。 開始 初始化 采樣 讀取采樣值 A/D轉換采樣值>整定值引風機工作YN顯示實時濃度 延時5秒圖4.1系統程序流程圖5 總結室內空氣質量控制系統的設計主要分為硬件設計和軟件設計。根據設計前對該系統所要實現功能的要求，綜合考慮采用AT89C51單片機為控制核心。由于所學知識的限制，本系統實現的功能不是很健全，但在設計該系統的過程中，讓我學會了系統設計的方法，和養(yǎng)

23、成了系統思考的思維方式。首先要了解系統所要實現的功能；其次根據功能去選擇相應的硬件資源；再次將一個大的系統進行模塊化劃分，然后逐一去攻破。最后把所有模塊進行優(yōu)化整合，便得到了一個完整的系統?；谶@樣的思路，我完成了室內空氣質量控制系統的基本設計。系統的控制具有運行可靠、功能齊全、投資低等特點。同時，利用單片自身 的數據處理功能使整個控制系統的結構線路更為簡單、控制更為方便、系統更易于維護。在系統中，我們利用光電傳感器對信號進行檢測，并將經過信號處理模塊單元處理后的信號送入單片機P10端進行單位時間內的計數。再由單片機根據所檢測的信號數量與二氧化碳比值關系進行數據處理和數據顯示。從而實現工作是否

24、正常運行做出了一定的監(jiān)測。為系統能夠安全、正常運行提供了基礎。 本次設計當然還存在一些或多或少的問題，特別是與傳感器的實際工作情況還有一定的差距還有很多現實性的干擾沒能考慮進去。由于時間有限，所設計的東西只能在理想狀態(tài)下正常工作，這是我下來之后所要對自己設計的東西進行改進的地方。 6 致謝 在本次課程設計過程中，郭老師對該設計的構思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細心指引與教導，使我和我的同伴最終得以順利完成本次課程設計。在此我致上誠摯的謝意。 在設計過程中所涉獵的各種軟件（如visio、protel、protuse 、keil）也使我的知識構架更為豐富。同時，通過這次做課程設計我也及時發(fā)現自己知識點

25、上的漏洞，真正起到了查漏補缺的效果。 這次課程設計能夠順利完成，我也非常感謝在我身邊默默幫助與支持的朋友。因為從他們身上我不僅學得了很多實用的專業(yè)知識，同時也學到了團隊合作精神的重要性獲得了更為堅實的友誼，學會了從不同的角度去思考和看待問題。 在學習中,郭老師嚴謹的治學態(tài)度、豐富淵博的知識、敏銳的學術思維、精益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風范是我終生學習的楷模，導師的高深精湛的造詣與嚴謹求實的治學精神，將永遠激勵著我。在此，感謝郭老師的支持和幫助，致以衷心的感謝和崇高的敬意。7參考文獻1 徐科軍主編.傳感器與檢測技術.北京：電子工業(yè)出版社，2008 2 譚浩強主編.C程序設計（第三版）.北

26、京：清華大學出版社，2005 3 謝自美主編.電子線路設計·實驗·測試.武漢：華中科技大學出版社，2006.8 4 張毅剛主編.單片機原理及應用.北京：高等教育出版社.2009 5 康華光主編.電子技術基礎模擬部分.北京：高等教育出版社，2006 6 袁鵬平主編.Protel 99電路設計實用教程.北京：化學工業(yè)出版社.2006.10 7 楊天怡主編.微機計算機控制技術.重慶：重慶大學出版社 8 劉靖編.單片機控制技術.北京：北京理工大學出版社.2008.06附錄一：相關程序#include <AT89X52.H> /調用外函數/ #include <ct

27、ype.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)%

28、256; keyval=P1; * /初始化CPU結束/ void main_menu_initial() /LCD主菜單初始化./ main1_menu0.menu_count=4; /有4個菜單項./ main1_menu0.display=measurearray; /定義一個”開始測量“數組/main1_menu0.subs=NULL; main1_menu0.children_menus=measure_menu; /當前菜單子菜單 的指針 main1_menu0.parent_menus=NULL; /還有“數據存儲”、“時間設置”/ void measure_menu_initi

29、al() /“開始測量”菜單設置/ measure_menu0.menu_count=2; measure_menu0.display=qr; /開始測量函數, 確認. measure_menu0.subs=start_measure_function; /開始測量函數 measure_menu0.children_menus=NULL; measure_menu0.parent_menus=main1_menu; measure_menu1.menu_count=2; measure_menu1.display=qx; /開始測量函數, 取 消. measure_menu1.subs=NULL; measure_menu1.children_menus=NULL; measure_menu1.parent_menus=main1_menu; /還有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: /向上鍵. if(user_choosen=0) user_choosen=max