【正文】 引言 我們的地球被一層大氣包圍著，其中氧氣占 21％， 78％是氮氣， 1％是其它氣體。這 1％氣體當中，就有只有一小部分為二氧化碳氣體，約為 300ppm（百萬分之一，即 ％）。雖然含量較少，但是二氧化碳的作用缺越來越受到高度的重視。大氣二氧化碳持續(xù)增加，從而對整個地球的氣候產(chǎn)生重大影響，讓人們對二氧化碳這一微量氣體有了新的認識。另一方面，做為植物光和作用的原料氣體，二氧化碳的應(yīng)用技術(shù)水平對農(nóng)業(yè)大國來說也是至關(guān)重要。 在辦公室的公共場合，二氧化碳測量也十分必須。二氧化碳在空氣中的含量越高，對人體的影響就越大 ，當二氧化碳含量高出 ％時，人體就會感到不舒服，當二氧化碳含量超過 10％時，人體就會出現(xiàn)昏迷和死亡。達到 20％，人就會在幾秒內(nèi)死亡。因此在人群比較密集的地方，二氧化碳含量是一個非常重要的參數(shù)，直接關(guān)系到人體舒適度和安全。 當代電子技術(shù)飛速發(fā)展，大規(guī)模集成電路不斷普及應(yīng)用，給人們的生活帶來巨大的變化。同時人們對于自己的生活質(zhì)量要求也不斷提高。如何根據(jù)實際需求設(shè)計二氧化碳濃度測量系統(tǒng)就成為一個具有現(xiàn)實意義的課題。 傳感技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，同時對其的要求也越來越高，需求越來越迫切。二氧化碳傳感器的技術(shù)研究 也越來越成熟，產(chǎn)品的性能也越來越高。同時，語音芯片應(yīng)用不斷普及，語音芯片產(chǎn)品的發(fā)展也十分迅速，新型號的語音芯片的功能更加強大。這使得設(shè)計一個二氧化碳濃度測量系統(tǒng)在技術(shù)層面上的難度逐漸降低。 本文中設(shè)計的系統(tǒng)，正是針對人群密集公共場所對二氧化碳濃度測量需求而設(shè)計。該系統(tǒng)能夠?qū)矆龊系亩趸紳舛冗M行測量，并且能將測得濃度顯示和語音播報，當濃度過高時還可以向辦公室等公共場所的人員進行報警提示，使得能及時提醒人員通風以降低二氧化碳濃度。公共場所二氧化碳濃度播報器圍繞 AT89S52 來作為核心控制元件設(shè)計整個系統(tǒng)， 通過外圍電路的設(shè)計，利用液晶和語音芯片實現(xiàn)對二氧化碳濃度的現(xiàn)實以及播報。本系統(tǒng)，具有成本低，技術(shù)開發(fā)難度小，適用性、靈活性較好，具有一定得應(yīng)用性。 1 設(shè)計方案 二氧化碳語音播報器，顧名思義，即該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能為對二氧化碳濃度的測試同時對其濃度進行播報。二氧化碳濃度通過傳感器轉(zhuǎn)化成電量信號，再通過單片機進行采集處理。系統(tǒng)中的核心控制單元為單片機，圍繞單片機設(shè)計相應(yīng)系統(tǒng)需求功能模塊。 系統(tǒng)需求分析： 系統(tǒng)需求分析主要是通過系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能對各個模塊部分應(yīng)該所具備的功能進行分析。 本系統(tǒng)基于 AT89S52 單片機，實現(xiàn)對于室內(nèi)二氧化碳的濃度測量及及時播報。系統(tǒng)的所需要的功能有： 實現(xiàn)對二氧化碳濃度的測量；語音播放功能；按鍵控制； LCD 顯示功能。對于各部分性能有以下 4點要求。 （ 1） LCD 顯示器正確測量結(jié)果，測量結(jié)果動態(tài)變化，并且可以控制切換設(shè)置界面菜單； （ 2）二氧化碳濃度定時播報，可以通過按鍵控制進行播報，可以實現(xiàn)對濃度值的正確播報 ； （ 3）系統(tǒng)出現(xiàn)異?？梢詮?fù)位； （ 4）系統(tǒng)具有按鍵控制功能。 方案設(shè)計 數(shù)據(jù)采集 通過信號采集電路，主要是將二氧化碳的濃度值這一非電量信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號 再轉(zhuǎn)化為能通過單片機處理的數(shù)字量。因此前向通道由傳感器、信號放大電路和 AD 轉(zhuǎn)化電路組成。 控制部分 本系統(tǒng)中控制信號主要是用來設(shè)置定時播報時間和報警濃度限值以及按鍵控制語音播報，根據(jù)實際功能的需求，可以通過軟件使按鍵的功能靈活使用，僅需獨立按鍵即可以達到控制功能。 顯示部分 因為有不同的設(shè)置功能要實現(xiàn)，用 LCD 顯示比較方便，可以切換不同設(shè)置界面和二氧化碳濃度顯示界面。 語音播報 單片機控制語音芯片來進行語音播報。每次播報的內(nèi)容中有很多是重復(fù)的，只有二氧化碳的濃度值是變動的。因此 通過單片機來動態(tài)調(diào)動語音芯片內(nèi) 的語音內(nèi)容實現(xiàn)相應(yīng)的播報內(nèi)容。 設(shè)計框圖 基于以上的功能分析和設(shè)計的方案。單片機輸入端接收傳感器的測量信號和鍵盤控制信號，輸出端控制液晶顯示和音樂芯片音樂芯片驅(qū)動揚聲器放音。 設(shè)計框圖如下： 圖 系統(tǒng)總體框圖 二氧化碳濃度為非電量信號，不能由單片機直接處理，要先經(jīng)過傳感器，將二氧化碳濃度（非電量信號）轉(zhuǎn)化電壓信號（電量信號）。然后由單片機進行數(shù)據(jù)處理，將采集到得電壓信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的二氧化碳濃度值。再通過單片機控制 液晶顯示濃度值，并控制語音芯片進通過揚聲器進行語音播報。按鍵向單片機提供控制信號， 控制單片機實現(xiàn)報警濃度設(shè)置功能。 LCD 顯示（二氧化碳濃度及各設(shè)置菜單的顯示） C51 單片機 控制系統(tǒng) 二氧化碳氣體 傳感器 按鍵控制 語音芯片 揚聲器 2 硬件設(shè)計 本應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含 4 部分內(nèi)容 :一是信號采集部分；二是控制單元部分；三是液晶顯示電路；四是語音電路。 系統(tǒng)的擴展和模塊設(shè)計應(yīng)遵循下列原則： (1)盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性； (2)外圍電路配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求； (3)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)果與軟件方案會產(chǎn)生相互影響 ，考慮的原則是 :軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時間要比直接用硬件響應(yīng)來的長，而且占用 CPU 時間。所以，選擇軟件方案時，要考慮到這些因素； (4)整個系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配； (5)單片機外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動能力，增設(shè)線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負載。 傳感器選擇及信號采集部分 ⑴ 傳感器選擇及其性能 測量二氧化碳濃度，傳感器的選 擇十分重要。傳感器的性能直接決定后續(xù)電路的設(shè)計以及整個系統(tǒng)設(shè)計的難度。因此了解二氧化碳傳感器的種類，加以選擇十分重要。 目前，國際成熟的二氧化碳傳感器有電化學式、半導體陶瓷式、固體電解質(zhì)式、紅外吸收式等四種原理產(chǎn)品。半導體陶瓷式二氧化碳傳感器以其制作簡單、成本低廉、抗惡劣環(huán)境等特點，受到業(yè)內(nèi)人士的重視。但是，這種類型的二氧化碳傳感器市場上不多，可能技術(shù)還不夠成熟。紅外吸收式的 CO2 傳感器的精度及穩(wěn)定性能都很好，但是由于它需要與光學系統(tǒng)組裝在一起成為一個完整的裝置。而這種裝置體積大，價格高，因此，在一 般的公共場合中不方便使用。電化學式及熱傳導式的 CO2 傳感器雖然體積小，但是其精度、穩(wěn)定性及對氣體的選擇性都不太理想。且電化學式的 CO2 傳感器還存在著必須在電解質(zhì)溶液中使用的缺點。 本系統(tǒng)采用的傳感器 MS4100 為固態(tài)電解質(zhì)測量方式，具有對二氧化碳反應(yīng)靈敏，受溫度和濕度影響小，成本低。 二氧化碳傳感器相對于其他一般的煙霧傳感價格較為昂貴，而且技術(shù)相對成熟的產(chǎn)品大多為進口， MS4100 在眾多二氧化碳傳感器中，價格適中，性能比較穩(wěn)定，器采用原理是固態(tài)電解質(zhì)測量方式，使用時需要預(yù)熱。本產(chǎn)品預(yù)熱時間 為 1 個小時。工作 電壓 5 伏，與系統(tǒng)其它芯片可以統(tǒng)一供電，同時量程可以滿足公共場合測量二氧化碳濃度的需求。 相應(yīng)時間較快只需 5 秒，輸出電壓易于放大，可以使測量電路簡化。而且輸出電壓與二氧化碳氣體濃度成線性關(guān)系，使得數(shù)據(jù)處理較為簡單 主要參數(shù)： 量程： 0～ 30,000ppm 工作電壓： 5VDC177。 % 功耗：至少 800mW 輸出電勢： 430～ 540mV(0ppm CO2) 準確性 : 177。 5%； 圖 MS4100 二氧化碳傳感器 輸出電壓與氣體濃度關(guān)系曲線，以及內(nèi)部原理可見圖 和圖 所示。 圖 傳感 器靈敏度曲線圖 圖 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 （ EMF）關(guān)系表達式為： EMF=EMF0R Log（ Concentration） （ 2— 1） 其中 EMF0 為 co2 為 0ppm 時，輸出的電壓，一般為 470～ 540mv 之間。 R 為曲線的斜率，一般在 55～ 75 之間。 Concentration 代表二氧化碳濃度，單位為PPM。 EMF 為實際電壓，即為 1腳和 6 腳電壓差。 在圖 中可以知道，傳感器電源供電端為 3 腳和 4腳。此傳感器的電源 端為加 熱器供電，電源接入方向沒有要求。當加熱器加熱到一定溫度時，電解質(zhì)部分才能和空氣中的二氧化碳產(chǎn)生反應(yīng)，此時 1 腳和 6 腳產(chǎn)生電動勢。 1 腳和 6 腳的電壓滿足式（ 2— 1）。 電路中我們可以測得的 1 腳和 6 腳的電動勢即為 EMF。而公式（ 21）中 R 和 EMF0中都為參數(shù)，所以要求的二氧化碳濃度 Concentration 可從以下公式中求得： RE M FE M Fio nC o n c e n t r a t /)0(10 ?? （ 2— 2） 其中 EMF0=534,R=65 為廠商提供的在 溫度為 25 攝氏度，濕度為 65%時的標定值。由于沒有標準的二氧化碳濃度測量儀來進行標定，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理將采用廠商提供的標準。 二氧化碳傳感器的測量濃度單位為：百萬分單位或 ppm。 600 ppm 濃度的二氧化碳意味著：每 1,000,000 公升的空氣中有 600 公升的二氧化碳（或在 1 公升的空氣中有 毫升的二氧化碳）。 ⑵ 放大電路設(shè)計 傳感器的輸出電動勢為 1 腳和 6 腳的差值，因此選擇用差分放大電路實現(xiàn)對電量信號的放大，同時， AD 轉(zhuǎn)換采用 ADC0809,其參考電壓為正 5 伏，因此要把信 號放大到電壓范圍內(nèi)，根據(jù)傳感器靈敏特性曲線知輸出電壓范圍為（ 0～ 540mv），所以電路放大十倍就可以。 放大電路設(shè)計如下： 圖 差分放大電路 若設(shè) 1腳輸出電壓為 ,6腳輸出電壓為 ,放大電路輸出電壓為 ,運放正極電壓 ,運放負極電壓，則根據(jù)虛短和虛斷概念有： (vi1vn)/R4=(vnvo)/R5 （ 2— 3） (vi2vp)/R1=vp/R2 （ 2— 4） 當 R4/R1=R3/R2時， Vo=R4*(vi2vi1)/R1 （ 2— 5） 本電路要放大信號十倍，所以 R R3取 20k， R R2取 2k。運放 6腳輸出電壓接ADC0809模擬輸入端。 3261 874U1O P 07123456J1M S 4100R12kR42kR520kR220kR320k+ 12 1212J3S I G N A L+5 本電路選用 op07 運算放大器， op07 是高精度低失調(diào)電壓的精密運放集成電路 ,用于微弱信號的放大 ,如果使用雙電源 .能達到最好的放大效果 。給 op07 提供正負 12 伏電壓，而系統(tǒng)中其他部分供電電壓為 +5伏，通過 7805 將 +12 伏電壓轉(zhuǎn)化成 +5 伏，這樣外部供電就只需提供正負 12伏電壓即可。 圖 電壓轉(zhuǎn)化電路 ⑶ 模數(shù)轉(zhuǎn)化 模數(shù)轉(zhuǎn)化采用 ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，提供給單片機處理。 本系統(tǒng)中 ADC0809只有一路輸入，即二氧化碳傳感器的放大信號，所以芯片三條地址選擇線直接接地，即只選中 IN0通道。數(shù)據(jù)端接 P0口，其他控制端連接如下圖： 圖 ADC0809接口電路 ADC0809控制端口直接接單片機普通 I/O口，通過 I/O口模擬 ADC0809時序，實現(xiàn)對ADC0809的控制，從而獲得最終數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。 ADC0809由一個 8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8個模擬通道，允許 8路模擬量分時輸入，共用 A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當 OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù) 。 ADC0809時鐘由單片機 ALE端 4分頻后得到，單片機的晶振為 12MHz,ALE端為晶振頻ADDB24ADDA25R E F ( + )12R E F ( )16ADDC23E O C7C L K10OE9A L E22S T A R T6V C C11D721D620D519D418D38D215D114D017I N 026I N 127I N 31I N 42I N 53I N 64I