基于STC12C5A60S2单片机的家庭CO 气体报警器的设计

谷金清

摘要：设计了一种以单片机STC12C5A60S2为核心的室内CO浓度的实时检测和报警系统。设计主要由半导体一氧化碳传感器，STC12C5A60S2单片机，液晶显示电路和报警电路组成，可以实现室内一氧化碳浓度的实时采集显示，并能调整报警值以及当浓度超过报警值时自动进行声光报警。实验证明，该系统性能可靠，灵敏度高。

关键词：单片机； 气体传感器； 声光报警

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）08-1806-03

CO（一氧化碳）是常见的室内主要污染物之一，当一氧化碳进入人体后会和人体血液中的血红蛋白结合，进而阻止血红蛋白与氧气的结合，从而引起机体组织缺氧，严重时导致人体窒息死亡，这就是一氧化碳中毒。由于一氧化碳是一种无色、无臭、无味的气体，故容易被忽略而引起中毒[1]。家庭CO中毒多见于液化灶具泄漏或煤气管道泄漏，北方的冬天用煤炉取暖，排烟不畅时也时常发生，近几年使用燃气热水器造成CO中毒也经常出现报道。因此，研究和设计一氧化碳检测和报警电路的是非常重要和迫切的。现有一氧化碳检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，该文设计了一款经济实用的适用于家庭的CO检测和报警器。

1 系统设计

本系统包括CO气体传感器，信号调理电路，STC12C5A60S2微处理器，液晶显示电路，声光报警电路和按键电路组成，系统的总体设计框图见图1。

该设计以单片机为核心，控制模数转换，显示和声光报警。系统首先通过CO气体传感器测量室内的CO浓度，将CO浓度信息转换成电压信号，电压信号经信号调理电路完成对信号的处理和A/D转换，将模拟电信号转换为数字信号后送到微处理器进行处理，微处理器对收到的信号进行计算处理，一方面控制液晶模块显示出当前的浓度值，另一方面将当前测得的浓度值与预设的报警值进行比较，如果测得的浓度值大于预设的报警值则启动声光报警。

2 硬件设计

2.1 CO气体传感器

目前市场上常见的CO传感器主要有电化学气体传感器、催化型可燃气体传感器、固态传感器、红外吸收气体传感器几种类型[1]，由于此次设计是针对家庭使用，考虑到使用环境和成本等因素，选择了固态半导体传感器MQ-7气敏传感器。MQ-7传感器的气敏材料是在清洁空气中电导率低的电解质二氧化锡（SnO2），二氧化锡是目前应用最多的一种气敏材料，具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单等特点。测量CO气体浓度时二氧化锡需要工作在2000C-3000C的工作温度上，所以传感器内部除了气敏元件，还要有加热器，使得二氧化锡保持在最佳工作温度上。MQ-7传感器的测试电路见图2，测量时需加两个电压：测试电压和加热电压。

图2中，VH为加热电压，VC为测试电压，其中 VC需要用直流电源，在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路，实际测量时VC和VH都接了+5V电源。MQ-7使用时需要预热一段时间，以保证测量的稳定性，测量时空气中的CO吸附在气敏元件二氧化锡的表面，导致传感器的电导率增大，并且随着空气中一氧化碳的浓度增加时，传感器的电导率也相应增加，两者具有一定比例关系。通过外加负载RL将电导率值转换成输出电压值VL。传感器表面电阻RS与输出电压信号VL的关系为：

MQ-7传感器测量CO的浓度范围为10-1000ppm，具有良好的灵敏度，正常使用时使用寿命可达到5年。

2.2信号处理电路

信号处理电路核心采用LM393，LM393是一款简单使用的电压比较集成电路，具有工作电压范围宽、消耗电流小（0.4mA）、输入失调电压小（±2mV）、共模输入电压范围宽等特点。其工作时单电源、双电源均可工作，单电源： 2V～ 36V， 双电源：±1.0V～±18V，MQ-7的信号处理电路见图3[3]。

图3中，当空气中CO的浓度很低时，传感器呈较高电阻，电压比较器LM393输出高电平，当CO浓度达到一定值时，传感器电阻变小， LM393输出低电平，控制外电路的工作，例如启动排风扇开始排风，同时发光二极管发光。RP为灵敏度调节电阻，用于调整气敏信号的最低值。

2.3信号调理及单片机电路

信号调理电路主要是对将传感器输出的电信号转换成适合于单片机处理的数字信号，图3中传感器输出了一个0-5V的模拟电压信号，所以信号不需要进行放大，直接接A/D转换电路就可以将传感器输出的模拟电压信号转换成适合于单片机的数字信号。

本设计选择了STC12C5A60S2单片机，它是宏晶科技生产的高速/低功耗/超抗干扰的新一代单片机，它的工作电压为 5.5V - 3.3V（5V 单片机），之所以选择这款单片机，主要原因如下：

1）它是增强型 8051 CPU，1T，单时钟/ 机器周期，指令代码兼容传统的8051单片机，编程方便；

2）自带A/D转换，10位精度，共8路，转换速度可达250K/S，不用外接A/D，减小了系统成本；

分辨率 R=[12n=1210=0.098%]

3）工作频率范围：0～35MHz，相当于普通8051的 0～420MHz；

4）片上集成1280字节 RAM，有EEPROM功能；

5）共4 个16位定时器。

由于STC12C5A60S2单片机自带模数转换功能，所以本设计的信号调理部分直接采用的是单片机的模数转换功能，使用时将传感器输出的模拟信号直接输出到单片机的P1.1脚，当检测到信号时，单片机首先启动模数转换电路将测量的模拟电压信号转换成数字信号，然后再对数字信号进行计算处理。

3 软件设计

软件设计部分主要包括数据的采集处理、按键部分、LCD显示部分、报警部分。其中按键功能采用扫描查询方式实现，在整个程序执行的每个周期中对按键状态扫描一次，对数据也进行一次采集。主程序流程如图4。

根據国家2003年3月1日起实施的《室内空气质量标准》，规定了室内1小时的CO均值不超过100ppm，所以本系统的预设报警值设定为了100ppm，当室内的CO浓度超过100ppm启动声光报警，当浓度值低于报警值时，声光报警电路停止供电，以减少系统的功耗，系统设置了按键部分，用户可以根据自己的需要适当的调整报警值，为了防止MQ-7气敏传感器工作不稳定时引起误报警，当浓度值超过报警值后延长一段时间后重新采集数据，如果两次采集的数据都超过报警值，就进行声光报警。为了保证测量的精度，通过对标准浓度气体的测量，对系统进行标定。

4 结束语

本设计将CO气体浓度的检测处理和报警电路通过单片机结合起来，实现了CO浓度高低的直观动态显示以及声光报警功能，具有灵敏度和报警浓度可调、工作稳定、使用寿命长等特点，系统采用了自带A/D转换的低功耗单片机，同时对声光报警电路分时供电，整体电路实现了低功耗。实验证明，该设计性能稳定可靠，在温度变化不大的情况下可以精确的测量室内的CO浓度。由于MQ-7传感器对温湿度有一定敏感性，在环境比较恶劣的情况下需要做温度补偿，这可以通过外加温度测量电路实现。

参考文献：

[1] 张志伟.基于MSP430单片机的便携式CO检测仪的设计[J].绿色质量观察，2010（9）：30-32.

[2] 关中辉，贺玉凯，刘中奇.煤矿井下一氧化碳气体检测发展与研究[J].矿山机械，2006（5）：21-24.

[3] 张平川，薛宏甫.基于单片机的轿车内一氧化碳气体测控系统设计[J].电子设计工程，2013（4）：140-145.