車載便攜式一氧化碳檢測儀的設(shè)計

摘?要：本設(shè)計主要針對家用轎車設(shè)計了一款基于STM32F103C8T6單片機的一氧化碳檢測儀，通過MQ-7一氧化碳傳感器能夠檢測車內(nèi)一氧化碳濃度，并將其通過OLED屏幕顯示出來，若一氧化碳濃度超出設(shè)定的危險閾值，檢測儀啟動聲光兩重報警，提示車主及時做出應(yīng)對措施。該檢測儀電路簡單，而且體積小、成本低、使用方便，具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：單片機;聲光報警;MQ-7一氧化碳傳感器

一氧化碳（Carbon?Monoxide）是無色、無味、無刺激性的氣體，人體在短時間內(nèi)吸收較高濃度的CO時會造成急性中毒，甚至死亡[1]。由于發(fā)生一氧化碳中毒事件的隱蔽性和普遍性，迫切需要一種監(jiān)控室內(nèi)一氧化碳濃度的檢測儀，當(dāng)一氧化碳濃度過高時及時報警，保護人們的生命財產(chǎn)安全[2]。尤其是在密閉環(huán)境中，比如汽車，由于天氣較熱，大部分車主選擇關(guān)閉車窗開啟空調(diào)，造成空氣不流通，導(dǎo)致一氧化碳事故時有發(fā)生。因此，做好對一氧化碳的監(jiān)測，能極大減少事故的發(fā)生。基于此目的，我們設(shè)計一款簡單實用、價格實惠的便攜式一氧化碳檢測系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)硬件概述

一氧化碳檢測系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機作為主控芯片，結(jié)合一氧化碳濃度采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、聲光報警模塊等模塊。一氧化碳濃度采集模塊用于采集環(huán)境中的一氧化碳濃度，A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集到的一氧化碳濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字信號，單片機將收集的信號進行處理，然后通過OLED屏幕顯示檢測到的數(shù)據(jù)，并判斷收集到的數(shù)據(jù)是否超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值，若超出設(shè)定值，則能通過蜂鳴器發(fā)出的鳴叫聲提醒用戶。其整體框圖如圖1所示。

圖1?系統(tǒng)框圖

STM32F103C8T6單片機是意法半導(dǎo)體較早推向市場的基于Cortex-M內(nèi)核的微處理器系列產(chǎn)品，這是一款功能強大的單片機，相較于C51單片機在性能方面更有優(yōu)勢，而且新系列產(chǎn)品整合先進的面向連接的外設(shè)，使開發(fā)人員可以在設(shè)備上整合更多的功能。

一氧化碳濃度采集模塊則采用了MQ-7氣體傳感器，屬于半導(dǎo)體電阻式傳感器，它所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫，當(dāng)所處的環(huán)境中存在目標(biāo)氣體時，傳感器的電導(dǎo)隨空氣中目標(biāo)氣體濃度的增大而增大，可將電導(dǎo)的變化量轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的輸出信號[3]。采用高低溫循環(huán)檢測方式，低溫（1.5V加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增加，高溫（5.0V加熱）清晰低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)化為與一氧化碳濃度相對應(yīng)的輸出信號。盡管MQ-7氣體傳感器探測的范圍不是很廣泛，但對于一氧化碳濃度靈敏度卻很高。

顯示模塊則采用了OLED（Organic?Light-Emitting?Diode，有機發(fā)光二極管）。OLED被稱為第三代顯示技術(shù)，不僅更輕薄、能耗低、亮度高、發(fā)光率高，并且可以做到彎曲。與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，當(dāng)有電流通過時，這些有機材料就會發(fā)光。

報警模塊包含聲、光雙重報警兩部分。光報警部分采用LED（Light?Emitting?Diode，發(fā)光二極管）。LED是一種常用的發(fā)光元器件，在電路中及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。在現(xiàn)代社會，應(yīng)用很廣泛，如平板顯示、交通信號燈、醫(yī)療等。聲音報警部分則采用的傳統(tǒng)的蜂鳴器。常見的蜂鳴器有無源蜂鳴器和有源蜂鳴器。本模塊采用的是價格較便宜的無源蜂鳴器。蜂鳴器的電路工作原理圖如圖2所示。

圖2?蜂鳴器原理圖

蜂鳴器報警模塊為高電平驅(qū)動，通過I/O口來驅(qū)動該模塊，當(dāng)P口接收的信號為高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器有電流，蜂鳴器便會發(fā)出聲音，Vcc的電壓值不要超過蜂鳴器的極限，否則電路不能正常工作。當(dāng)P口接收的信號為低電平時，三極管截止，蜂鳴器無電流，蜂鳴器不發(fā)出聲音。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序的流程圖如下圖圖3所示。需要實現(xiàn)的功能有：（1）經(jīng)單片機處理后的信號轉(zhuǎn)成需要顯示的數(shù)據(jù)并將在OLED屏幕上顯示出來。（2）MQ-7一氧化碳傳感器的故障檢測，如果是傳感器發(fā)生故障，則在此時綠燈熄滅，黃燈閃亮，提醒車主該系統(tǒng)有傳感器發(fā)生故障，不能正常工作，需要檢修或進行更換。（3）當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，若車內(nèi)一氧化碳濃度正常時，LED綠燈亮起;若車內(nèi)一氧化碳的濃度超出閾值，警示燈LED紅燈亮起，同時啟動蜂鳴器，提醒車主盡快做出相應(yīng)的防范措施。

圖3?主程序流程圖

檢測部分程序如下：

if（co>50）

{LED1_OFF;

LED3_ON;}//一氧化碳濃度超過50時，綠燈滅，紅燈亮，蜂鳴器響起

else?if（co<50&&cnt<18&&temp<30）

{LED1_ON;

LED2_OFF;

LED3_OFF;}?//正常情況下綠燈亮。

三、電路測試

（一）硬件測試

（1）MQ-7一氧化碳傳感器測試。傳感器先預(yù)熱20秒左右，然后接近含較高濃度一氧化碳被測氣體，燈亮;將傳感器遠離被測氣體，燈滅，說明傳感器能正常工作。在實際的操作中，需要指示燈來顯示其處于連接的狀態(tài)，因此，當(dāng)電路接通的時候，傳感器的指示燈是常亮狀態(tài)的。通過測試，本模塊能正常工作。

（2）蜂鳴器的測試。在本系統(tǒng)中，蜂鳴器要求在車內(nèi)一氧化碳濃度超過設(shè)定值時能及時的報警。在調(diào)試的過程中，拿打火機靠近一氧化碳傳感器時，當(dāng)一氧化碳的濃度超過閾值時，蜂鳴器發(fā)出聲音提醒，所以，本模塊調(diào)試成功。

（3）OLED顯示屏測試。要使OLED上面能顯示出傳感器檢測到的各類數(shù)據(jù)，必須要經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后才傳輸?shù)絆LED模塊進行顯示，在整個過程中需要軟件調(diào)試來輔助進行。通過調(diào)試最終順利將所需的信息顯示在OLED顯示屏上。圖4即為OLED正常工作時的顯示屏幕內(nèi)容。

圖4?OLED顯示屏測試

（二）系統(tǒng)軟件測試

系統(tǒng)軟件測試是通過軟件開發(fā)工具來將編寫好的代碼運行測試。在本系統(tǒng)軟件，使用的是Keil5軟件編寫，程序語言為C語言。打開Keil5軟件，創(chuàng)建新的工程項目，選擇好對應(yīng)的單片機型號，在相應(yīng)的界面下開始著手程序的編寫，通過keil5的運行功能可以檢查出程序是否存在語序或邏輯的錯誤，根據(jù)運行后的提示進行修改，完善程序代碼。

當(dāng)程序編譯通過后，可使用軟件生成hex文件，并通過ISP下載方法將其下載到芯片中，至此程序部分測試完成一半。再通過硬件的各功能模塊測試系統(tǒng)的功能指標(biāo)是否達到。在這個過程當(dāng)中，遇到的往往都是一些細(xì)微的差別，如要求led綠燈亮，但硬件模塊展現(xiàn)的卻是黃燈在閃，這明顯是功能搞反了，一開始認(rèn)為是兩個燈的引腳接錯了，但在換了之后卻還是沒有改變情況，排查了許久，最終還是在代碼那里發(fā)現(xiàn)了問題。代碼的邏輯沒問題，也能正常的運行，但卻將燈閃與滅對換了。

四、結(jié)語

轎車已經(jīng)進入千家萬戶，但每年由一氧化碳中毒引發(fā)的事故時有發(fā)生，本文所設(shè)計的一氧化碳檢測儀，電路簡單，成本低廉，能夠準(zhǔn)確檢測密閉車內(nèi)的一氧化碳濃度，并能夠發(fā)出聲光兩重報警以提醒車主，除了可用于車內(nèi)，還可以廣泛應(yīng)用于其他可能產(chǎn)生一氧化碳的密閉空間，實用價值較高。

參考文獻：

[1]段閃閃，李元帥，萬超.溫室大棚用CO報警器設(shè)計[J].計算機產(chǎn)品與流通，2018（4）：131.

[2]李瑞福.基于單片機AT89C51的一氧化碳濃度檢測儀設(shè)計[J].軟件，2015，36（9）：106-108.

[3]郭全民，馬旋坤，王健.室內(nèi)空氣質(zhì)量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J].國外電子測量技術(shù)，2015，34（1）：52-55.

作者簡介：曹燦云（1981-），女，湖南衡陽人，碩士研究生，講師，廣東石油化工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，主要從事電工與電子技術(shù)教學(xué)與研究。