室內二氧化碳濃度監測報警器設計

賀 媛,李 昕,馬 健,紀永成

(吉林大學 電子科學與工程學院,長春 130012)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展,人民生活水平得到了極大提高,工作和住房條件明顯改善,并且人們對健康和環保意識也在逐漸提高,而在關心環保問題的同時也高度關注室內空氣質量問題[1-4]。目前在各種室內空氣質量(IAQ:Indoor Air Quality)評價體系中,二氧化碳濃度是一項非常重要的評價指標。室內二氧化碳濃度的大小對人體的健康有極大影響[5-6]。當室內CO2體積百分比達4%時,處于室內生活的人群會產生呼吸加深、頭暈、頭痛、耳鳴、眼花、血壓上升等癥狀,嚴重影響人們的工作和學習效率。當室內CO2體積百分比達到8%～10%時,處于室內生活的人群會產生呼吸困難,全身無力,神志逐漸喪失。當室內CO2體積百分比達到30%時,處于室內生活的人群甚至可能出現死亡現象。因此,對室內二氧化碳濃度的實時監測有著非常重要的實際意義。

氣體傳感器是指能迅速測量各種被測氣體的化學類型、成分以及濃度,處理轉換為與其成一定關系的電信號并輸出該信號的檢測設備裝置和元件[7]。氣體傳感器的應用極其廣泛,比如日常生活中的環境監測和易燃氣體檢測,醫療檢測和食品工業等領域[8-11]。氣體傳感器可作為氣體信息的檢測裝置,在信息獲取中起到十分重要作用[12-13]。

筆者設計了一種以STC89C52單片機為核心的基于氣體傳感器的二氧化碳報警器。當空氣中CO2的濃度超出預設值時,該報警器可以實現聲光報警功能,同時可實時顯示室內CO2濃度值?；诂F有研究結果,0.5%被認為是人體對CO2長期耐受濃度的極限,而1.5%是CO2毒性的起始濃度,故本設計中空氣中CO2濃度的預設值為1.5%[14]。

1 報警器系統總體設計

基于氣體傳感器的室內二氧化碳濃度監測報警器系統如圖1所示。報警器系統的硬件主要由傳感器信號采集、信號調理、模數轉換、微控制和聲光報警單元組成。

圖1 報警器系統總體設計圖

傳感器信號采集單元主要包括二氧化碳氣體傳感器和傳感器加熱驅動電路。二氧化碳氣體傳感器是報警系統中信號傳輸的第1站,其主要作用是感知待測氣體濃度,并將采集到的包含待測氣體信息的非電量信號轉換為電信號輸出。

信號調理單元起到信號調理作用,它將根據實際需要,將前一級氣體傳感器輸出信號進行放大或濾波等操作,再傳遞給后一級模數(A/D:Analog/Digital)轉換單元。

A/D轉換單元具有模數轉換功能,其作用是將來自氣體傳感器的模擬信號轉換為數字信號并發送給微控制器,以便系統方便進行數據處理。

微控制單元(MCU:Microcontroller Unit)是報警系統的核心部件,起到總指揮作用。微控制單元發出各種指令,控制數據的收發,將外部設備組織協調在一起,實現一定的邏輯功能。它將A/D模塊輸出的數字信號做進一步處理,并進行報警邏輯判斷。如果判斷邏輯為真,則控制聲光單元發出報警提示。

聲光報警單元包括蜂鳴器、發光二極管和數碼管。數碼管顯示CO2濃度,蜂鳴器和LED(Light Emitting Diode)燈在室內氣體濃度超標時起到聲光同時報警作用。

2 硬件電路設計

信號采集單元中選用的氣體傳感器為MG812型二氧化碳氣體傳感器。該傳感器具有體積小、功耗低、靈敏度高、選擇性較好、重復性較好、受溫度濕度環境影響較小等特點。MG812型二氧化碳氣體傳感器的實物圖、引腳分布圖及其內部加熱驅動電路如圖2所示。

圖2 氣體傳感器實物圖、引腳分布圖及內部加熱驅動電路

引腳分布如圖3所示,其中引腳1、3為加熱電極,一般器件工作時需提供5 V工作電壓。2、4為信號電極,連接下一級信號調理單元電路。

圖3 芯片引腳分布圖及部分電路圖

信號調理單元和模數(A/D)轉換單元選用16位A/D芯片AD7705。該芯片兼并信號調理功能和模數(A/D)轉換功能,內含前級緩沖器、可編程增益放大器、基于Σ-Δ調制原理的模數轉換電路、數字濾波器、控制寄存器及串行接口。AD7705主要應用于低頻測量的模擬前端,可直接輸入前級傳感器的低電平模擬信號,然后輸出16位串行數字信號。AD7705還包括自校準和系統校準功能,用以消除部件或系統中的增益偏移誤差。該器件為CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)結構,具有極低功耗,其中掉電模式可降低功耗至20 μW典型值。

微控制單元(MCU)選用STC89C52芯片。該芯片是一種低功耗、高性能的8位微控制器,使用經典的MCS-51內核,但進行很多改進使芯片具有增強型功能。該芯片的最小系統包括電源、晶振和復位3部分,芯片引腳圖和部分電路如圖3所示。該芯片的工作電壓范圍為3.3～5.5 V。為了有效濾除高頻噪聲,可在電源正極和負極之間加入10 μF和 0.1 μF并聯的濾波電容增加電源的穩定性。晶振為單片機提供基本的時鐘信號,該設計采用12 MHz的晶振。在芯片的XTAL1和XTAL2兩個引腳上外接一個12 MHz的晶振和兩個30 pF電容。晶體和電容組成并聯諧振電路,作為反饋元件,構成一個自激振蕩器,通過XTAL1和XTAL2兩個引腳向內部時鐘提供一定頻率的時鐘源信號。器件在上電時需要進行復位操作,使系統處于確定的初始狀態。當程序出錯或跑飛時也需要復位操作,讓程序能從頭開始運行。STC89C52的復位信號從RST(Reset)引腳輸入,RST引腳上保持24個振蕩周期以上的高電平即可實現復位。復位有上電自動、手動和看門狗復位3種方式。通常采用多種方式組合的設計。

聲光報警單元由蜂鳴器、LED燈和數碼管3部分組成。數碼管顯示二氧化碳的濃度,蜂鳴器和LED燈起報警作用。當室內二氧化碳濃度超標時,蜂鳴器發聲,LED燈閃爍,實現報警功能。

3 軟件設計

該報警器的設計使用keil uVision4軟件完成程序編譯,程序設計采用C語言。報警器程序主要包括數據采集、數據處理和報警單元3個模塊。其中數據采集模塊包括氣體濃度信息采集和模數轉換。數據處理模塊包括信息轉換和報警邏輯,報警單元模塊包括聲光報警和數碼顯示。程序流程如圖4所示。報警器開始工作后,系統首先初始化,完成初始化后進行氣體濃度信息采集。對采集到的氣體濃度信息進行模數轉換,系統對接收到的信息進行數據處理后提交報警邏輯判斷。當報警邏輯判斷結果為True時,聲光報警單元啟動,數碼管同時顯示氣體濃度值。當報警邏輯判斷結果為False時,聲光報警器關閉,結束一個工作程序。

圖4 程序流程圖

報警器部分代碼程序如下所示。

AD7705的初始化程序:

void ad7705_initiate ()

{

ad7705_write8bit(0x20);/*配置通信寄存器。選擇通道AIN1,下個操作對時鐘寄存器寫*/

ad7705_write8bit(0x08);/*寫時鐘寄存器。選擇2.46 MHz的主時鐘頻率,20 Hz的輸出更新率*/

ad7705_write8bit(0x10);/*設置通信寄存器。選擇通道AIN1,下個操作對設置寄存器寫*/

ad7705_write8bit(0x60);/*寫設置寄存器。設置增益為16,雙極性輸入模式,開始自校準*/

}

數據處理函數的程序:

intdataprocess(intaddata)elseif(addata>1219×16) s=2000;{elses=3000;ints;if(s>=1500){led=0;beep=0;}if(addata>1506×6) s=100;if(s>=3000)elseif(addata>1428×16) s=200;{for(i=0;i<60;i++)elseif(addata>1375×16) s=500;{beep=～beep;delay(2000);}}elseif(addata>1336×16) s=800;return(s);elseif(addata>1311×16) s=1000;}elseif(addata>1271×16) s=1500;

4 結 語

針對室內二氧化碳濃度監測,筆者設計了一種低功耗、小體積、低成本的二氧化碳報警器。該報警器設置報警閾值為1.5%。當室內CO2濃度大于1.5%時,報警器啟動,蜂鳴器發聲,LED燈亮。數據每10 s更新一次。若監測到室內CO2濃度超過報警閾值,報警器會持續響應1 min,之后再次采集數據,重新檢測?；緦崿F了預期功能。