一款室內一氧化碳濃度監測通風系統設計

華北理工大學人工智能學院 王睿錚

華北理工大學電氣工程學院 曹文軍

華北理工大學人工智能學院 李 鵬

為了提高冬季自主燃煤取暖的安全性，減少一氧化碳中毒事故的發生，本文設計了一款室內一氧化碳濃度監測通風系統，系統采用傳統的STC89C52單片機作為控制單元，通過對室內一氧化碳濃度信號的采集、分析和處理，控制加熱通風裝置工作，將室外新鮮空氣加熱后送入室內，保證室內一氧化碳濃度在安全范圍內，保障人身安全。

燃煤取暖是我國北方農村冬季室內取暖的主要方式，由于冬季寒冷，為了室內保溫，人們通常將門窗關閉密封，煤炭不完全燃燒產生的一氧化碳氣體在室內逐漸聚集，當一氧化碳超過安全濃度，吸入人體后就會發生中毒反應，嚴重者造成死亡。為了減少一氧化碳中毒事故的發生，設計了一款室內一氧化碳濃度監測和通風系統。

1 系統設計

一氧化碳濃度監測通風系統組成，該系統由單片機作為控制單元，一氧化碳濃度傳感器將采集的模擬信號經ADC芯片轉換成數字信號傳給單片機，單片機將采集到的一氧化碳濃度信號與設定允許最大值進行分析和判斷，對通風加熱控制模塊發出控制指令，保證室內一氧化碳濃度在安全范圍內。手動輸入模塊用于一氧化碳濃度允許上下限值設置、時鐘校準、報警數據查詢。LCD液晶顯示模塊用于顯示一氧化碳濃度數值、實時時鐘、系統運行狀態。聲光報警模塊用于一氧化碳濃度超限報警。該系統主要實現以下功能：

（1）能自動檢測室內一氧化碳濃度值，若濃度大于設定上限值，則啟動空氣加熱和通風裝置，將室外經預熱的新鮮空氣送入室內，降低室內一氧化碳濃度，當濃度小于下限值時，自動關閉加熱通風裝置。

（2）按照用戶要求，可通過按鍵設置一氧化碳濃度允許上下限值，能夠校準實時時鐘。

（3）能夠自動存儲一氧化碳濃度超過上限的數值、發生時刻和持續時間，并可手動查詢。

（4）當一氧化碳濃度超過最大值時，能實現自動聲光報警。

2 系統硬件設計

2.1 單片機控制模塊

系統控制單元使用宏晶公司生產的8位STC89C52單片機，單片機內部包含8k字節的存儲器用于程序存儲，內置4KB EEPROM用于存儲報警數據，有4×8個I/O口，能夠滿足使用要求。

2.2 一氧化碳濃度傳感器與AD轉換模塊

選用MQ-7型半導體氣敏傳感器，該傳感器使用的氣敏材料是SnO2，在清潔空氣中SnO2的電導率較低，其電導率與一氧化碳濃度接近于線性關系，工作電壓為DC +5V，模擬量輸出為0～+5V。

選用ADC0804集成轉換芯片，該芯片共20個引腳，工作電壓為DC +5V，模擬轉換電壓范圍為0～+5V，分辨率為8位，兩個模擬信號輸入端，可以接收單極性、雙極性和差模輸入信號，電路圖如圖1所示。

2.3 實時時鐘模塊

該模塊選用DS1302時鐘芯片，該模塊為系統提供日期和實時時鐘。芯片管腳SCLK、I/O、RST分別與單片機P3.1/、P3.6、P3.7腳連接。

2.4 液晶顯示模塊

該模塊選用LCD1602液晶顯示器，使用并行操作方式，可同時顯示2×16個英文字符，該模塊顯示內容為日期（年月日）、時鐘（時分秒）、一氧化碳濃度數值和單位、系統工作狀態。

圖1 一氧化碳濃度傳感器與AD轉換模塊

2.5 聲光報警模塊

電路圖如圖2所示，當室內一氧化碳濃度正常時，單片機P1.7腳輸出低電平，P1.6腳輸出高電平，此時綠色LED1點亮，紅色LED2、蜂鳴器和通風加熱模塊不工作。當室內一氧化碳濃度超過設定最大值時，單片機P1.6腳輸出低電平，P1.7腳輸出高電平，此時紅色LED2點亮，蜂鳴器報警，通風加熱模塊工作，綠色LED1熄滅，同時單片機將報警發生的時間、持續時間和一氧化碳濃度值存入單片機內部的EEPROM中，以便日后查詢。

圖2 聲光報警模塊

圖3 通風加熱模塊

圖4 系統主程序流程框圖

2.6 通風加熱模塊

由三極管8550、SSR10DA單相固態繼電器、交流加熱通風機組成。單相固態繼電器帶有光耦隔離電路，可以防止交流電路對單片機的干擾，其輸入電壓DC3～32V，啟動電流5mA，控制電流<25mA，負載電壓AC48～480V，負載電流10A。當室內一氧化碳濃度大于設定最大值時，單片機P3.2端口輸出低電平，三極管Q2導通，單相固態繼電器觸點導通，加熱通風裝置開始工作，當室內一氧化碳濃度小于設定最小值時，單片機P3.2端口輸出高電平電平，三極管Q2截止，單相固態繼電器觸點斷開，加熱通風裝置停止工作。電路如圖3所示。

2.7 手動輸入查詢模塊

手動輸入查詢模塊用于功能切換、時鐘校準、一氧化碳濃度上下限值設置、報警查詢。該模塊由3個獨立按鍵K1、K2、K3組成，3個按鍵一端共地，另一端分別與單片機的P3.3，P3.4，P3.5引腳連接，K1是功能切換鍵，可實現時間、一氧化碳濃度和報警查詢的切換，K2是加1鍵，K3是減1鍵。

3 系統軟件設計

系統軟件由主程序、一氧化碳濃度讀取子程序、報警存儲和讀取子程序、時鐘校準和讀取子程序、鍵盤控制子程序、LCD顯示子程序組成。系統主程序流程圖如圖4所示。

結束語：本文闡述了單片機一氧化碳濃度監測通風系統的硬件和軟件構成，實驗證明該系統能夠有效保證室內一氧化碳濃度處于正常安全水平，減少了冬季取暖煤氣中毒事故的發生，系統制作簡單，成本低廉，在北方農村有廣闊的應用前景。