基于单片机的二氧化碳浓度检测器设计

基于单片机的二氧化碳浓度检测器设计内容摘要：

图 二氧化碳、温湿度检测器的原理图 XX 大学 毕业设计 7 3 硬件设计 计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。 微控制器（单片机）就是在这种情况下诞生的。 它是把中央处理器（ CPU）、随机存取存储器（ RAM）、只读存储器（ ROM）、输入 /输出端口（ I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用 【 14】。 市场上比较 流行的单片机种类主要有 Intel 公司、 Atmel 公司和 Philip 公司的8051 系列单片机， Motorola 公司的 M6800 系列单片机， Intel 公司的 MCS96 系列单片机以及 Microchip 公司的 PIC 系列单片机等。 各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、 I/O 能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。 本文选用 Atmel 公司生产的 AT89S52 作为 CPU。 AT89S52 是一种低功耗、低价格，高性能 8 位微处理器。 AT89S52 单片机的特点 AT89S52 的 PDIP 封装管脚如图 所示。 图 AT89S52管脚图 XX 大学 毕业设计 8 AT89S52 单片机的主要特性 AT89S52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8KBISP 的可反复擦写1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 Atmel 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元。 AT89S52 具有如下特点： 40 个引脚， 8KB Flash 片内程序存储器， 256 位的随机存 取数据存储器， 32 个外部双向输入 /输出口， 5 个中断优先级， 2 层中断嵌套中断，3 个可编程定时计数器， 2 个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。 此外， AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下， CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 二氧化碳是植物进行光合作用的重要原料之一，可以提高植物光合作用的强度，并有利于作物的早熟丰产 ，增加含糖量，改善品质。 而空气中的二氧化碳浓度一般约占空气体积的 %，远远不能满足作物优质高产的需要。 现代农业中，大都采用温室大棚进行作物的栽培和培育。 在作物的整个生长期，都需要提供不同浓度的二氧化碳。 适宜的二氧化碳浓度可以促使幼苗根系发达，活力增强、产量增加。 而现代农业中的温室大棚，形成了一个相对封闭的环境，使得对二氧化碳浓度的控制成为可能。 但是，空气中二氧化碳浓度的测量，是一个比较困难的问题，因为它涉及到测量方法、信号的获取和测量设备的成本。 专业的二氧化碳浓度测量仪表的价格一般都在上万元/台，在一 般用户中难以普及，因此，本论文针对此问题设计一种能够应用在农业上的二氧化碳检测器。 二氧化碳传感器的选择 气体传感器主要可以分为金属氧化物半导体式传感器、固体电解质传感器、红外式传感器等，一般的半导体传感器测量时受环境影响较大，输出线性不稳定；电解式XX 大学 毕业设计 9 气体传感器气体的重复性比较差；红外线吸收散射式气体传感器灵敏度高，可重复性好，响应时间快，考虑到系统的长期稳定性和经济性选择采用红外二氧化碳传感器6004。 红外二氧化碳传感器的工作原理 本课题所选用的二氧化碳传感器是美国 telaire公司生产的红外二氧化碳传感器6004，此传感器基于气体对红外光吸收的郎伯 比尔吸收定律，采用国际上最新的电调制红外光源、高灵敏度滤光传感一体化红外传感器、高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室等，实现不同浓度、气体的高精度连续检测。 其测量精度：二氧化碳浓度相对误差 2%；检测重复性 1%；测量范围：二氧化碳浓度 0～ 5%。 ： 当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收作用，其吸收关系服从朗伯 比尔吸收定律。 设入射光是平行光，其强度为 错误 !未找到引用源。 ，出 射光的强度为 错误 !未找到引用源。 ，气体介质的厚度为 错误 !未找到引用源。 ．当由气体介质中的分子数 错误 !未找到引用源。 的吸收所造成的光强减弱为 错误 !未找到引用源。 时，根据朗伯 比尔吸收定律： 错误 ! 未找到引用源。 （ ） 式中 K 为比例常数。 经积分得： 错误 ! 未找到引用源。 （ ） 式中： 错误 !未找到引用源。 为吸收气体介质的分子总数； 错误 !未找到引用源。 为积分常数。 显然，有： 错误 !未找到引用源。 式中 错误 !未找到引用源。 为气体浓度。 则式（ ）可写成： 错误 !未找到引用源。 （ ） 式（ ）表明：光强在气体介质中随浓度 错误 !未找到 引用源。 及厚度 错误 !未XX 大学 毕业设计 10 找到引用源。 按指数规律衰减。 吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数 错误 !未找到引用源。 互不相同。 对同一气体， 错误 !未找到引用源。 随入射波长而变。 若吸收介质中含 错误 !未找到引用源。 种吸收气体，则式（ ）应改为 错误 !未找到引用源。 （ ） 因此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。 图 NDIR红外气体分析示意图 图 为 NDIR 红外气体分析原理图。 分析 二氧化碳气体时，红外光源发射出 1～20 错误 !未找到引用源。 的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个 错误 !未找到引用源。 波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过 !未找到引用源。 波长红外光的强度，以此表示二氧化碳气体的浓度。 温度是表征物体或系统冷热程度的物理量。 温度是一个很重要的物理量，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。 由于温度是非电量，因此，对温度的检测与控制需使用传感器或温度敏感元件。 温度的检测方法 【 15】 ，一般 采用热电偶、热敏电阻以及集成温度传感器等测温元件。 热电偶和热敏电阻的测量精度都比较高，成本比较低，而且测量的范围也比较宽，但XX 大学 毕业设计 11 是它容易受到测量场所以及环境的限制，高温或长期使用时由于环境的影响会使其性能下降，需要定期检查与更换，给实际应用带来了很大不便。 而由 AD 公司生产的 AD590集成温度传感器，它具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便、价格比较低，并且具有长期稳定性等优点，得到广泛应用。 所以，决定采用 AD 公司生产的AD590 集成温度传感器。 温度传感器 AD590 简介 AD590 是美国 模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。 是利用 PN 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。 AD590 具有线性好、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小，抗干扰能力强、可远距离测温并且使用方便等优点。 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 be 结压降的不饱和值 错误 !未找到引用源。 与热力学温度 错误 !未找到引用源。 和通过发射极电流 错误 !未找到引用源。 的下述关系实现对温度的检测： 错误 !未找到引用源。 ,错误 !未找到引用源。 — 波尔兹常数； 错误 !未找到引用源。 — 电子电荷绝对值 （ ） 集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。 电压输出型的灵敏度一般为 10 错误 !未找到引用源。 ，温度 0 错误 !未找到引用源。 时输出为 0，温度 25错误 !未找到引用源。 时输出 错误 !未找到引用源。 ；电流输出型的灵敏度一般为 1u 错误 !未找到引用源。 ， 本文选用的是电流输出型温度传感器。 AD590 的主要特性如下： ①流过器件的电流（ 错误 !未找到引用源。 ）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即 :错误 !未找到引用源。 ② AD590 的测温范围为 55～ +150 错误 !未找到引用源。 ③ AD590 的保存温度为 65～ +175 错误 !未找到引用源。 ④ AD590 的电源电压范围为 4 错误 !未找到引用源。 ～ 30 错误 !未找到引用源。 ⑤输出电阻为 710 错误 !未找到引用源。 ⑥响应时间仅为 20 错误 !未找到引用源。 ⑦精度高。 AD590 共有 错误 !未找到引用源。 五档，其中 错误 !未找到引用源。 档精度最高，在 55 错误 !未找到引用源。 ～ +150错误 !未找到引用源。 范围内 ，非线性误差XX 大学 毕业设计 12 为177。 错误 !未找到引用源。 温度测量电路 基本应用电路 图 (a）是 AD590 的封装形式，图 （ b）是 AD590 用于测量热力学温度的基本应用电路。 因为流过 AD590 的电流与热力学温度成正比，当电阻 错误 !未找到引用源。 和电位器 错误 !未找到引用源。 的电阻之和为 1错误 !未找到引用源。 时，输出电压 错误 !未找到引用源。 随温度的变化为 1 错误 !未找到引用源。 (a) 封装形式 (b) 基本应用电路 图 AD590 的封装形式及基本应用电路 温度测量电路 本文设计具有独立调节功能的测温电路，具体如图 所示。 AD590 的输出电流错误 !未找到引用源。 （ 错误 !未找到引用源。 为摄氏温度），因此测得电压 错误 !未找到引用源。 XX 大学 毕业设计 13 图 34 温度测量电路 目前，一般采用湿敏元件检测湿度，湿敏元件分为湿敏电阻和湿敏电容两种情况。 常用的有高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度传感器等。 国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见。 电容式湿度传感器的动态范围大，动态 响应快，几乎没有零漂，结构简单，适应性强。 基于以上原因，本设计选用电容式湿度传感器 HS1101。 湿度传感器 错误 !未找到引用源。 简介 电容式湿度传感器 HS1101【 16】 ，它是基于独特工艺设计的电容元件，固态聚合物结构，精度高。