基于51單片機的家庭有害氣體報警器的設計和實現

孫瑾

(寶雞文理學院 計算機學院， 寶雞 721016)

基于51單片機的家庭有害氣體報警器的設計和實現

孫瑾

(寶雞文理學院 計算機學院， 寶雞 721016)

當今日常生活中，室外空氣污染嚴重，導致室內的空氣也不健康，而人們在室內的時間則多于室外，因而室內更容易發生有害氣體危害人們健康的事故。設計一個室內有害氣體檢測報警器，可在室內PM2.5超標時報警提示。該系統以單片機最小系統為核心，結合粉塵檢測模塊、按鍵模塊、報警模塊、溫濕度檢測模塊和顯示電路模塊等有害氣體檢測報警器的開發過程進行設計，實現室內氣體實時監測并把數據顯示在1602液晶顯示器上，在超過警戒值時會通過蜂鳴器進行報警,以提醒人們可以通過凈化設備來提高家中空氣質量確保健康的生活環境。

單片機； 報警器； Keil； 程序設計

0 引言

室內環境是人們日常生活和工作的空間，是為了生活需要而建立的室內環境，包括辦公室、家庭居室、酒店、圖書館、商場、教室等公共場所及內部空間，而室內的光、熱、空氣品質都對人的生活、工作、健康產生著直接影響。而現代城市的快節奏是人們處于室內的時間逐漸延長，為此室內的空氣質量對于人們的健康來說至關重要[1]。

由于我國社會改革的步伐逐漸加快，空氣質量的問題也日益突出。室內環境變成人們主要的活動場所，良好的空氣質量有利于提高人們的工作效率，然而室內空氣環境的污染已經十分的嚴重，對人們的健康工作與生活帶來了極大的危害。所以室內有害氣體的檢測的設計與實現[2,3]具有重要的現實意義。

1 系統整體結構設計

該系統采用STC89C52單片機最小系統、LCD1602液晶模塊、GP2Y1010AU粉塵傳感器、DHT11溫濕度檢測模塊、ADC0832模數轉換器模塊、電源模塊、蜂鳴器報警模塊和按鍵模塊組成。單片機實時通過ADC0832轉換芯片采集GP2Y1010AU粉塵傳感器的粉塵的濃度，通過單片機的數據轉換處理后在液晶屏上顯示空氣中的質量，當測量空間中的粉塵濃度大于設置粉塵濃度時[4]，蜂鳴器和發光二極管發出聲光報警。粉塵的濃度報警值可以通過按鍵進行設置。同時也可以自動檢測當前的溫度與濕度，經單片機處理后顯示到液晶屏幕上。該系統功能結構，如圖1所示。

圖1 系統功能結構圖

2 系統硬件設計

2.1 主控制模塊的設計

單片機最小系統是由單片機、復位電路、時鐘電路3部分組成。復位電路[5,6]是通過判斷初始的單片機工作狀態；完成啟動狀態，是確定單片機的工作起始狀態，當單片機系統在運行中，受到外部環境干擾時，可以通過復位鍵，讓內部程序重新啟動，一般情況下，有上電自動復位和手動按鍵復位兩種方式，該系統采用外部手動按鍵復位方式，通過連接上拉電阻升高輸出電平來實現復位。單片機主控電路，如圖2所示。

圖2 單片機主控電路

2.2 顯示模塊的設計

顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器，能夠清晰的在液晶上顯示字符和數字。液晶的命令操作腳是RS、RW、EN，接在單片機的P3^5、P3^6、P3^7腳,數據腳D0～D7分別接單片機的P1口。其驅動電路，如圖3所示。

圖3 驅動電路

2.3 報警模塊的設計

該系統中聲光報警電路[7]采用NPN型S8550三極管驅動，當單片機的P1^3口輸出為低電平時，三極管的VE>VB>VC>0。三極管的發射結正偏，集電結反偏，3個飽和導通，此時發光二極管和蜂鳴器發出聲光報警，當單片機的P1^3口輸出高電平時，三極管截止，聲光報警停止工作。蜂鳴器工作原理，如圖4所示。

2.4 按鍵模塊的設計

空氣質量檢測系統的灰塵參數可以通過按鍵進行設置。一個是參數加鍵，一個是參數減鍵。通過這兩個按鍵進行設置。按鍵模塊電路，如圖5所示。

2.5 粉塵模塊電路設計

對非常細的顆粒，如煙草煙霧的檢測中光學灰塵傳感器(GP2Y1010AU0F)[8]，是特別有效的，并在空氣凈化系統常用。傳感器的第一腳接了一個220uF的電解電容和150歐姆的電阻。第二腳接到單片機的P32外部中斷0口，第五腳是粉塵濃度的模擬量輸出腳，接在模數轉換器ADC0832的通道1上。粉塵模塊電路，如圖6所示。

圖4 蜂鳴器工作原理圖

圖5 按鍵模塊電路圖

圖6 粉塵模塊電路

2.6 電源部分的設計

溫濕度測量控制系統采用USB電源做電源，經過實驗驗證系統工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩定能夠滿足系統的要求。其中DC5V為電池接口，SW1為電源開關，R6為二極管的限流電阻，POWER為電源指示燈，C5和C6為電源的濾波電容。電源接口電路，如圖7所示。

圖7 電源接口電路

3 系統軟件的設計

該系統中的軟件采用Keil編譯系統進行編寫，此系統是由 KEIL公司開發。有較強的可讀性的模塊化思想的系統軟件設計，能夠方便軟件后續的修改。

應用單片機時不僅需要進行硬件的設計還需要軟件來實現相關的功能，相互結合才能使單片機運作。利用C語言編譯軟件時，Keil C51可以加以運用在任何51系列單片機，同時具有完美的編譯環境和背景，Keil C51軟件的優點也顯而易見，所以采用Keil C51來實現室內有害氣體檢測報警器的軟件開發編譯環境。

對于該系統最重要的功能就是要實時進行監測和顯示，即不斷的采集和檢測數據，然后刷新數據進行顯示，讓用戶能夠觀測到室內的空氣質量情況，所以軟件部分分為兩部分：數據的分析處理模塊和用于人機交互的顯示模塊。主要功能有檢測氣體和溫濕度數據，然后對數據進行處理，最后將信號轉換為氣體濃度進行顯示。其中系統軟件部分功能，如圖8所示。

圖8 系統軟件部分功能圖

圖8中數據處理模塊包括：AD采集程序、數據處理程序、溫度傳感器程序等等。用于人機交互的顯示模塊程序主要有: 串口通信程序、LCD顯示程序，該模塊主要用來實現友好的人機交互功能，使用戶能夠使用顯示屏更加的方便快捷觀察數據。

3.1 編譯環境的初始化

先給系統上電，然后對系統進行初始化，設定一些標志位和定時器，然后初始化各個外設如溫度傳感器、時鐘、串口、LCD 液晶屏等。系統初始化之后顯示讀取到各項氣體的參數值，系統初始化流程，如圖9所示。

3.2 數據采集與處理模塊程序設計

此模塊由數據處理子程序、溫濕度傳感器程序、AD采集程序等部分組成。數據采集分析和處理模塊決定了系統的轉換速度和轉換精度，是系統十分重要的模塊。

3.3 數據處理子程序

因為在空氣中暴露一段時間后，氣體傳感器會出現老化，造成一定程度的零點漂移和其他問題，都會影響傳感器的標定，所以在軟件中為確保轉換結果的正確，會進行相應的設置來進行補償。數據處理子程序使測量結果正確顯示和存儲，它能夠連接AD轉換結果和傳感器得到的實際測量結果，數據處理流程，如圖10所示。

3.4 溫度傳感器子程序

溫濕度傳感器收到單片機所發的一次開始信號以后，便由低功耗轉為高速模式，然后等待，直到主機的開始信號結束，傳感器發送響應信號，把測試數據的40位送出去，再觸發一次信號采集。只有當接收到了開始信號，才會去采集溫濕度的數據，假若未收到主機的開始信號，傳感器就不會主動進行溫濕度采集。數據通信過程，如圖11所示。

圖9 系統流程圖

圖10 數據處理流程圖

圖11 溫濕度傳感器通信過程

3.5 數據顯示報警模塊

顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器，顯示屏內可以看到當前室內溫度、濕度、以及PM2.5的數值，當PM2.5的濃度超過預設值時，就會引起報警，用戶采取相應凈化設施的措施降低濃度后，報警停止。

4 系統的實現

4.1 安裝步驟

首先，檢查各元件都完好并且可以運行時，按原理圖的位置放好各元件，并注意安裝方向，由易到難，依次焊接。焊接時長在10s左右。安裝焊接完成后整體，如圖12所示。

圖12 氣體檢測報警器實體圖

4.2 系統的調試

調試過程中，首先要檢測硬件電路設計的合理性、實現方法的可行性等等；整體檢查完成后，采用分塊調試的方法，首先燒入液晶顯示程序，檢查顯示是否正常，若正常，然后依次對GP2Y1010AU0F光學灰塵傳感器、DHT11溫濕度傳感器，控制電路以及單片機的控制電路進行查看，對每個模塊進行調試的過程中采用了局部到整體測試方法，并將各個模塊整合成一個整體。具體調試方法，如表1所示。

表1 系統調試

測試過程中當室內PM2.5的含量小于75 μg/m3時，系統顯示綠燈，代表環境良好。同時LCD顯示器會顯示出當前的溫度，濕度，PM2.5濃度，如圖13所示。

圖13 環境良好時的系統表現

當室內PM2.5處于75—1 050 μg/m3時，系統顯示黃燈，如圖14所示。

圖14 環境一般時的系統表現

當室內PM2.5大于3 000 μg/m3時，系統顯示紅燈，表示室內空氣環境極差，并啟動蜂鳴器，進行報警。如圖15所示。

圖15 環境極差時系統實現

5 總結

該系統使用單片機最小系統STC89C52為控制器，實現了一個可以在室內有效檢測PM2.5濃度，并且在超出警戒范圍時進行報警，同時還可檢測室內的溫度與濕度，即實現了智能檢測的多樣化，這將對人們在室內工作的環境具有重大的現實意義，而且該系統實現的成本較低，具有廣泛推廣的現實價值。

[1] 程文紅.基于STC89C52天燃氣氣體泄露報警器的設計[D].大慶：東北石油大學，2014.

[2] 焦琪，樊澤明.便攜式危險氣體報警器的研究與設計[J].計算機測量與控制，2011,19(5):1139-1144.

[3] 郭波,張征,許思思.有毒有害氣體報警器智能檢定裝置的研制[J].中國測試，2015,41(5):75-78.

[4] 段曉霞,梁冬柳,陳曉東,等. 基于單片機的煤氣報警系統 [J].自動化技術與應用，2014,33(12):81-83.

[5] 莫洪.室內有害氣體檢測系統設計研究[J].中國新技術新產品，2016(12):127-128.

[6] 周宇輝. 家庭安全報警器設計[J].教育教學論壇，2016(9):272-273.

[7] 李百明.汽車追尾預警系統設計[J].機電技術，2015(6):126-128.

[8] 賈蘊發,劉楊,李超,等.基于多傳感器的汽車防碰撞及行人保護預警設計[J].農業裝備與車輛工程，2015，53(12)：56-59.

Design and Implementation of Home Harmful Gas Alarm Based on 51 Single Chip Microcomputer

Sun Jin

(College of Computer, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721016, China)

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 indoor 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 monitored 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.

Single chip microcomputer; Alarm; Keil; Program design

2012年校級重點項目(ZK12120)

孫 瑾(1982-)，男，山東省曹縣人，工程碩士，工程師，研究方向：數據庫、計算機應用。

1007-757X(2017)05-0035-04

TP311

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2016.12.27)