二氧化碳检测装置的设计与实现--正文.doc

二氧化碳检测装置的设计与实现
摘要
正是因为现在二氧化碳对我们的生活环境影响真的越来越大.二氧化碳给温室效应起到的加剧作用也是二氧化碳危害的主要方面,就是因为过高的二氧化碳浓度是会影响到我们的身体健康。所以就想通过设计一个二氧化碳的检测装置来实现对二氧化碳的报警与控制。本设计采用单片机来完成二氧化碳检测装置的控制部分设计。利用单片机编程的便利性，还有单片机控制下的二氧化碳检测装置的准确性和稳定性,来给检测装置的运行和使用提供保证.本文就整个二氧化碳检测装置的硬件设计部分,软件设计部分做出了相应的探讨.从整个设计当下的设计背景入手，详细介绍了设计的二氧化碳检测装置的特点,设计要点,设计的思想还有装置测试中的数据,和出现的问题都做了探讨研究。
关键词:单片机;二氧化碳浓度;声光报警
绪论
设计的背景情况简析:我们全世界科学技术的发展，我们国家科学技术的发展，都为我们的生活条件改善带来了许许多多的好处。但是正是在这样高速发展的情况下我们的工业发展就就成了一个双刃剑，推动了我们社会的进步的同时又的破坏环境，造成大量的二氧化碳排放。并且现在越来越高的二氧化碳浓度已经逐渐的在影响我们人类还有其他动物的生存环境.所以现在二氧化碳已经成为了空气中的主要污染物，也是诸多的人员密集场所必须要检测的数据之一。一旦二氧化碳浓度过高就会引起人身体的不良反应,所以就必须要进行二氧化碳浓度的实时检测
还有就是当下的农业发展，植物的生长有是需要二氧化碳的。因为一定浓度的二氧化碳对植物的生长起到极大的促进的作用。所以说在现代农业生产中对二氧化碳浓度控制检测的需求同样是越来越大。因为国外先进成熟的二氧化碳检测系统价格昂贵，不便于大量的推广使用，于是就真的需要一种成本低，性价比高,便于推广使用的二氧化碳的检测装置。正是基于这样的背景下我们就想要通过单片机这样低成本的控制设备来设计一个二氧化碳的检测报警装置，为二氧化碳浓度的检测提供新的思路.还有就是这样低成本的二氧化碳检测装置也是利于推广，便于大面积使用的。
二氧化碳检测装置所想要达到的目的:主要的设备就是二氧化碳的一些传感器,气体传感器，还有浓度传感器。然后利用单片机来进行相应的控制，作为一个中央处理器来处理数据，分析数据。可以人为地设置二氧化碳的最低和最高浓度报警限度，组成一个检测报警装置。在加入LED灯的显示,通过蜂鸣器来实现报警，在设置人为干预的报警关闭开关。整个装置的设计原理并不复杂,就是通过一系列低成本设备的组合完成二氧化碳检测装置的浓度检测和报警一体化。
1、二氧化碳检测装置硬件部分设计
硬件作为整个二氧化碳检测装置的基础应该作为最重要的部分来进行设计，因为硬件作为设备使用的基础.硬件系统的设计也是关乎设计的成败，影响最终的使用效果。
1。1硬件设计部分的总体思路和框图
硬件部分设计框图:
思路介绍：这样的一个硬件设计的主题思路就是，非为主要的四个部分。其中最主要的就是单片，作为装置和系统的核心，来负责处理传感器的信息，又把信息处理分析后输出到报警器,或者显示屏幕上。然后就是传感器的部分,通过二氧化碳浓度传感器把信息传到AD信号转换放大器上.然后把供电的电路就设计到传感器这个部分接进来.信号传感器和信号转换器都需要电源，然后单片机的电源也就和他们的电路设计到一起，最后通过单片机给其他的部分供电就可以了.然后就是报警显示部分,也就是输出的部分.于是就可以通过单片机处理器处理了二氧化碳浓度传感器收集到的信息.如果数值超过报警的限制值就会自动的接通报警装置,通过蜂鸣器和LED灯来进行报警。还有就是需要一个可以人为控制的按键输入部分，通过人为控制来选择报警的浓度.
1。2装置各个部分功能的概述
1。2。1数据采集部分
首先就是通过二氧化碳浓度传感器把二氧化碳浓度这样的一个非电学量，转化成电信号，然后把微弱的电信号传输到AD信号放大器上。然后就可以通过转换器来解决信号转换的问题，最后来进行数字化运算.
1。2。2系统处理部分
本设计主要就是使用单片机,然后通过单片机作为处理器。通过数据采集部分收集来的数据进行处理。然后根据设定的报警限度来判断有没有达到报警的条件。然后根据数据的计算，最后自动的启动报警。也可以通过人为来关闭报警
1。2。3报警显示部分
主要就是通过数据采集部分传输的信号通过两次转换（二氧化碳浓度非电学量转化为电信号，信号转换放大器又把电信号转化为数字信号)，然后通过单片机的信号，进行声光报警，不断地报警。需要能够通过LCD屏幕实时显示二氧化碳浓度值.
1。3硬件部分的系统设计方案简析
硬件部分的系统设计方案,主要就是硬件系统设计时遵循的步骤，也实际按照这样的一个步骤来完成二氧化碳浓度检测装置的实际设计：首先就是确定了我们需要的一些主要的设备,单片机，二氧化碳浓度传感器，AD信号转换放大器，还有一些质量过关的发光二极管，小型LCD屏幕等等.然后根据不同的功能做好分类准备。然后就是要做好单片机的选择,分配好单片机的各个接口，然后把接口和相应的元器件联系起来，做好准备标记。接下来就是利用软件来完成硬件仿真图和PCB版图。其中硬件模拟仿真图使用proteus软件，而pcb板图使用AltiumDesigner设计软件.最后设计总的原理图。
1.4硬件部分的系统原理
系统原理图：
系统整个包括单片机的整个系统，处理模块。然后就是报警器，一个声光报警器，其中包含蜂鸣器还有LED灯。让后就是一个LCD显示屏幕，能够进行二氧化碳浓度的实时监测显示。按键包括对二氧化碳浓度值限定值的增大减小的设置,然后有一个手动取消报警的按钮。主要的传输设备就是传感器和信号转换器。就这样就可以成为一个二氧化碳检测装置.
1。5硬件部分的设备选择
在进行了整个硬件系统的讨论之后，需要进行设备的选择了，因为设备的不同也是会影响设备的使用效果的.所以要从实用，性价等方面考虑设备的选择。
设计使用的设备主要就是这样几个:
1。5。1硬件部分的传感器的选择
在这样三个传感器中:TGS4160二氧化碳传感器、NDIR红外气体传感器MH-410V/D,和MG811二氧化碳传感器.最后选择了MG811二氧化碳传感器，因为它比起其它两个传感器，有体积更小，使用效果更好的优点.主要是稳定性好，不会受到温度湿度的影响，受外界干扰影响比较小。还有就是两百元左右的售价也是设计能够接受的价格范围。整个MG811二氧化传感器的灵敏度，和精度都是满足设计要求的。
MG811灵敏度曲线图：
这就说明这个MG811二氧化碳传感器的灵敏度比较好，在常规条件下的表现能够满足设计的要求。
MG811响应恢复曲线图：
这也同样说明MG811二氧化碳传感器的相应恢复特性良好，能够满足设计的要求。
1。5。2硬件部分显示器的选择
设计的过程中放弃了采用数码管显示，虽然成本低但是相对液晶显示屏LCD显示，还有很多的不足之处。LCD显示的话虽然成本相应增加但是,显示的效果更好，而且还能够显示简单的图形等等。所以说虽然LCD显示同样有一些不足，但是就是因为它能够显示双行16字符，这样也才能够满足设计的要求。
1。6proteus仿真图和 PCB板图
1.6.1 proteus仿真图:
暂时使用AT89C51代替STC89C52.整个系统的仿真效果总体良好符合设计的要求。
1。6.2 PCB板图：
这次的设计当中所有的部分主要还是要通过人工焊接的方式进行。所以PCB图就必须要在焊接时使用，要按照PCB图严格的进行焊接.
2、二氧化碳检测装置软件部分设计
2。1软件实现的基本功能
因为整个二氧化碳的检测装置所有功能的实现是需要编写一个程序来操纵单片机，进行所有设备的控制.所以最后使用C语言编程,来编写一个程序进行控制这个设备。主要就是要能够分析二氧化碳浓度传感器传输过来的数据,然后进行分析,根据按键部分做出的控制,来判断浓度是否超标如果超标,最终控制报警装置进行报警;如果没有任何的超标就需要把实时的二氧化碳浓度能够传输到显示屏幕上。
2。2软件部分的设计方案
软件部分的系统设计方案,主要就是软件系统设计时遵循的步骤,也实际按照这样的一个步骤来完成二氧化碳浓度检测装置的软件实际设计：首先就是确定各个部分需要的功能，然后就需要就需要根据不同的功能需求来编写程序。主要还是Keil软件来编写C语言程序，因为Keil对单片机的兼容性是很好，所以选择他为平台比较方便。最后设计电路图然后根据电路图来链接设备.最后就是把程序输入到单片机中，进行系统的硬件软件调试，出现问题进行调整.
2。3程序设计思路
程序的设计思路经过自己的的思考过后分为三个阶段。
2。3.1数据获取阶段
首先就是数据的输入阶段，也就是二氧化碳浓度的检测阶段，开机，然后设定二氧化碳浓度的最大最小报警值，然后进行实测根据实际的测试效果来看设备有没有正常的运行.
2。3。2数据的处理阶段
通过编写程序，把获得到的数据进行判断,然后就需要根据设定的值进行计算选择，输出到显示屏幕上,实时监测,实时判断。
2。3.3报警的程序
根据设定的值,在获得单片机传输过来的指令后进行报警相应,蜂鸣器启动，警示灯也要相应启动。并且在受到人为关闭按键指令的时候能够及时的关闭。
2。3。4程序的流程图
2。4实际使用测试数据效果
用高纯氮作稀释气体对1％的标准CO：气体稀释得到6组不同浓度的CO:气体．分别用气相色谱仪和本装置对配置的6组气体进行测量比较，结果得到了。
这说明装置的实际使用效果还是能够达到设计的要求的.能够完成初期的预计。
3、整体设计过程中出现的问题及解决办法
3。1系统调试
在进行系统调试的时候就发现软件并不能识别一些元器件,所以我们就只能自己设计，但是自己设计的一些元器件并不能完成元器件应该有的特性，所以只有找一些相似的元器件来代替。然后通过重新编写的方式来解决问题.最后发现在所有的模块都能够正常的运行，然后设备也就能够完成应该有的一些功能。保证了整个二氧化碳检测装置能够实现运行。
3。2 焊接问题
焊接的过程中也出现了因为经验不足导致的虚焊，还有没有焊接正确的问题,后来重新检查，按照电路图一步一步检查发现焊接错误的地方,找到左右虚焊的部位，重新进行焊接，焊接牢固后,运行设备，发现设备能够正常运行，问题相应的得到了解决。
3。3 误差数据总结及结果分析
才进行系统调试的时候发现，数据总是不太对,并不能符合要求.通过反复的实验就发现，设备开启需要一定的时间，要进行预热才能够正常的运行。这样就让开机使用就出现数据错误的的问题得到了解决.
总结
大学四年的学习就在毕业设计完成的同时也接近了尾声，因为这样的一个毕业设计也就运用四年生活中学习到的主要知识，并且对这些知识进行了一个系统的整合.在这样的一段时间以来自己也仔细的思考了为什么要进行这样的一个毕业设计,要写这样的一篇毕业论文,其实真的不是为了那么一点点知识的简单总结,更多地还是在所学知识的基础上，综合运用来检验自己的学习成果，锻炼自己的学习能力，然后用这样的一个过渡，完成自己从学校到社会的一个转变。也正是有了这样的总结才可以更好的在以后的工作用运用自己所学习的知识。也才能更好的适应以后进入到工作单位的一些培训学习。在毕业设计的制作过程中发现，其实自己所学到的知识是一种表面的知识,而真正的知识是一种运用。是一种知识和工作的交融状态。也知道一个人的综合能力是很重要的,自主学习的重要性时时刻刻都在体现着。学习还将是一个长期的过程。
在制作毕业设计的过程中也才发现自己不知道的东西还很多，还有很多前人的经验没有去了解,自己的只是世界还是很浅薄的。并且去说到自己的专业知识上我们所学习到的也只是一些基础知识。通过这个二氧化碳检测装置的设计,才发现看似很小的一个检测装置也同样是有很多的学问。我们通过利用单片机，控制整个检测系统.然后通过利用二氧化碳浓度传感器，再通过使用C语言编程设计一个简单的程序.就这样来实现整个二氧化碳检测装置的检测，控制报警的全程自动化，其实也只是一个简单的小设计。虽然达到了初期设计的基本要求，但其中我们使用的单片机确实处理能力还不强，使用的传感器也还没有达到绝对的精确，还有自己所学知识的不足，这就导致所设计的这个装置的实际检测精确度还达不到要求,还是有一些缺陷的。暂时这样的一个二氧化碳检测装置也还是处于一个初期理论实验，检验的阶段。真的要能够在以后的发展中大量的推广使用，还需要不断地改进，还可以加入一些其它的控制设备,与其他设备的联合运用性能上还有一些问题。没有联网报警的功能也还是一大欠缺.都是需要我们不断地学期,才能去改进提高的。
可以看到二氧化碳检测装置在未来的使用空间还是很大的，现在我们的人口还在不断增加，对于农作物的需求还在增加，所以通过现代化的二氧化碳养殖来大量提高农作物的产量还是有一定的发展空间，这也就给二氧化碳检测装置的改进和发展提供了巨大的空间。还有就是现在城市污染问题的加剧，二氧化碳在空气里含量的不断增加,虽然很多的企业已经积极地来改变现状，但是实际的作用还是不明显的。想要彻底的治理和减小二氧化碳的污染，首席那要做的就是能够很仔细很准确的检测二氧化碳浓度，也就需要大量的小型二氧化碳检测设备.这样一来本设计中这样的二氧化碳检测装置在环境二氧化碳治理的工作中使用前景也是巨大的.
通过这样的毕业设计,通过大量资料的查询，也通过老师的指导,真的让自己对所学的知识有了新的认识，也对终身学习的理念有了全新的认识.所以设计还有许多的缺陷,所学的知识也还有很多的欠缺,但是已经有了对以后新生活工作的准备，准备通过自己的努力去不断地充实自己。这样的一个毕业设计对自己的影响也一定将是长远的.
致谢
通过几个月以来进行的毕业设计，通过这个二氧化碳检测装置的设计制作，让我的动手能力，自主学习能力都得到了比较大的提升，培养了我的自学能力。通过这样的毕业设计，通过大量资料的查询,也通过老师的指导，真的让自己对所学的知识有了新的认识，也对终身学习的理念有了全新的认识.所以设计还有许多的缺陷,所学的知识也还有很多的欠缺,但是已经有了对以后新生活工作的准备,准备通过自己的努力去不断地充实自己.这样的一个毕业设计对自己的影响也一定将是长远的.由衷的感谢所有老师对我的指导，以及周围同学给我提供的帮助,正是大家的共同努力才能够帮助我完成我自己的毕业设计。