【正文】 52具有 P0、 P P P3四個(gè) I/O口。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 單片機(jī)為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 4分頻信號(hào)可由兩級(jí) D觸發(fā)器獲得。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù) 。 ADC0809由一個(gè) 8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。 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(hào)，所以芯片三條地址選擇線直接接地，即只選中 IN0通道。給 op07提供正負(fù) 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(fù) 12伏電壓即可。運(yùn)放 6腳輸出電壓接ADC0809模擬輸入端。 ⑵ 放大電路設(shè)計(jì) 傳感器的輸出電動(dòng)勢(shì)為 1 腳和 6 腳的差值，因此選擇用差分放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電量信號(hào)的放大，同時(shí)， AD 轉(zhuǎn)換采用 ADC0809,其參考電壓為正 5 伏，因此要把信號(hào) 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。 二氧化碳傳感器的測(cè)量濃度單位為：百萬分單位或 ppm。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(shí)的標(biāo)定值。 1 腳和 6腳的電壓滿足式（ 2— 1）。此傳感器的電源 端為加 熱器供電，電源接入方向沒有要求。 EMF為實(shí)際電壓，即為 1腳和 6腳電壓差。 R 為曲線的斜率，一般在 55～ 75 之間。 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 。而且輸出電壓與二氧化碳?xì)怏w濃度成線性關(guān)系，使得數(shù)據(jù)處理較為簡(jiǎn)單 主要參數(shù)： 量程： 0～ 30,000ppm 工作電壓： 5VDC177。工作 電壓 5 伏，與系統(tǒng)其它芯片可以統(tǒng)一供電，同時(shí)量程可以滿足公共場(chǎng)合測(cè)量二氧化碳濃度的需求。 二氧化碳傳感器相對(duì)于其他一般的煙霧傳感價(jià)格較為昂貴，而且技術(shù)相對(duì)成熟的產(chǎn)品大多為進(jìn)口， MS4100 在眾多二氧化碳傳感器中，價(jià)格適中，性能比較穩(wěn)定，器采用原理是固態(tài)電解質(zhì)測(cè)量方式，使用時(shí)需要預(yù)熱。且電化學(xué)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(diǎn)。而這種裝置體積大，價(jià)格高，因此，在一 般的公共場(chǎng)合中不方便使用。但是，這種類型的二氧化碳傳感器市場(chǎng)上不多，可能技術(shù)還不夠成熟。 目前，國際成熟的二氧化碳傳感器有電化學(xué)式、半導(dǎo)體陶瓷式、固體電解質(zhì)式、紅外吸收式等四種原理產(chǎn)品。傳感器的性能直接決定后續(xù)電路的設(shè)計(jì)以及整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器或減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件響應(yīng)來的長(zhǎng)，而且占用 CPU 時(shí)間。 系統(tǒng)的擴(kuò)展和模塊設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則： (1)盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計(jì)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。按鍵向單片機(jī)提供控制信號(hào)， 控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)報(bào)警濃度設(shè)置功能。然后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將采集到得電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的二氧化碳濃度值。單片機(jī)輸入端接收傳感器的測(cè)量信號(hào)和鍵盤控制信號(hào)，輸出端控制液晶顯示和音樂芯片音樂芯片驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器放音。因此 通過單片機(jī)來動(dòng)態(tài)調(diào)動(dòng)語音芯片內(nèi) 的語音內(nèi)容實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的播報(bào)內(nèi)容。 語音播報(bào) 單片機(jī)控制語音芯片來進(jìn)行語音播報(bào)。 控制部分 本系統(tǒng)中控制信號(hào)主要是用來設(shè)置定時(shí)播報(bào)時(shí)間和報(bào)警濃度限值以及按鍵控制語音播報(bào)，根據(jù)實(shí)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(dú)立按鍵即可以達(dá)到控制功能。 方案設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集 通過信號(hào)采集電路，主要是將二氧化碳的濃度值這一非電量信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào) 再轉(zhuǎn)化為能通過單片機(jī)處理的數(shù)字量。對(duì)于各部分性能有以下 4點(diǎn)要求。 本系統(tǒng)基于 AT89S52 單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于室內(nèi)二氧化碳的濃度測(cè)量及及時(shí)播報(bào)。系統(tǒng)中的核心控制單元為單片機(jī)，圍繞單片機(jī)設(shè)計(jì)相應(yīng)系統(tǒng)需求功能模塊。 1 設(shè)計(jì)方案 二氧化碳語音播報(bào)器，顧名思義，即該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能為對(duì)二氧化碳濃度的測(cè)試同時(shí)對(duì)其濃度進(jìn)行播報(bào)。公共場(chǎng)所二氧化碳濃度播報(bào)器圍繞 AT89S52 來作為核心控制元件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)， 通過外圍電路的設(shè)計(jì)，利用液晶和語音芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳濃度的現(xiàn)實(shí)以及播報(bào)。 本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，正是針對(duì)人群密集公共場(chǎng)所對(duì)二氧化碳濃度測(cè)量需求而設(shè)計(jì)。同時(shí)，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(hào)的語音芯片的功能更加強(qiáng)大。 傳感技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，同時(shí)對(duì)其的要求也越來越高，需求越來越迫切。同時(shí)人們對(duì)于自己的生活質(zhì)量要求也不斷提高。因此在人群比較密集的地方，二氧化碳含量是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接關(guān)系到人體舒適度和安全。二氧化碳在空氣中的含量越高，對(duì)人體的影響就越大 ，當(dāng)二氧化碳含量高出 ％時(shí)，人體就會(huì)感到不舒服，當(dāng)二氧化碳含量超過 10％時(shí)，人體就會(huì)出現(xiàn)昏迷和死亡。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(duì)農(nóng)業(yè)大國來說也是至關(guān)重要。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。 引言 我們的地球被一層大氣包圍著，其中氧氣占 21％， 78％是氮?dú)猓?1％是其它氣體。這 1％氣體當(dāng)中，就有只有一小部分為二氧化碳?xì)怏w，約為 300ppm（百萬分之一，即 ％）。大氣二氧化碳持續(xù)增加，從而對(duì)整個(gè)地球的氣候產(chǎn)生重大影響，讓人們對(duì)二氧化碳這一微量氣體有了新的認(rèn)識(shí)。 在辦公室的公共場(chǎng)合，二氧化碳測(cè)量也十分必須。達(dá)到 20％，人就會(huì)在幾秒內(nèi)死亡。 當(dāng)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。如何根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)二氧化碳濃度測(cè)量系統(tǒng)就成為一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。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。這使得設(shè)計(jì)一個(gè)二氧化碳濃度測(cè)量系統(tǒng)在技術(shù)層面上的難度逐漸降低。該系統(tǒng)能夠?qū)矆?chǎng)合的二氧化碳濃度進(jìn)行測(cè)量，并且能將測(cè)得濃度顯示和語音播報(bào)，當(dāng)濃度過高時(shí)還可以向辦公室等公共場(chǎng)所的人員進(jìn)行報(bào)警提示，使得能及時(shí)提醒人員通風(fēng)以降低二氧化碳濃度。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。二氧化碳濃度通過傳感器轉(zhuǎn)化成電量信號(hào)，再通過單片機(jī)進(jìn)行采集處理。 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(shí)現(xiàn)的功能對(duì)各個(gè)模塊部分應(yīng)該所具備的功能進(jìn)行分析。系統(tǒng)的所需要的功能有： 實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳濃度的測(cè)量；語音播放功能；按鍵控制； LCD顯示功能。 （ 1） LCD 顯示器正確測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果動(dòng)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(shí)播報(bào)，可以通過按鍵控制進(jìn)行播報(bào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濃度值的正確播報(bào) ； （ 3）系統(tǒng)出現(xiàn)異?？梢詮?fù)位； （ 4）系統(tǒng)具有按鍵控制功能。因此前向通道由傳感器、信號(hào)放大電路和 AD轉(zhuǎn)化電路組成。 顯示部分 因?yàn)橛胁煌脑O(shè)置功能要實(shí)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。每次播報(bào)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(dòng)的。 設(shè)計(jì)框圖 基于以上的功能分析和設(shè)計(jì)的方案。 設(shè)計(jì)框圖如下： 圖 系統(tǒng)總體框圖 二氧化碳濃度為非電量信號(hào)，不能由單片機(jī)直接處理，要先經(jīng)過傳感器，將二氧化碳濃度（非電量信號(hào)）轉(zhuǎn)化電壓信號(hào)（電量信號(hào)）。再通過單片機(jī)控制 液晶顯示濃度值，并控制語音芯片進(jìn)通過揚(yáng)聲器進(jìn)行語音播報(bào)。 LCD 顯示（二氧化碳濃度及各設(shè)置菜單的顯示） C51 單片機(jī) 控制系統(tǒng) 二氧化碳?xì)怏w 傳感器 按鍵控制 語音芯片 揚(yáng)聲器 2 硬件設(shè)計(jì) 本應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含 4 部分內(nèi)容 :一是信號(hào)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。硬件結(jié)果與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響 ，考慮的原則是 :軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。所以，選擇軟件方案時(shí)，要考慮到這些因素； (4)整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配； (5)單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。 傳感器選擇及信號(hào)采集部分 ⑴ 傳感器選擇及其性能 測(cè)量二氧化碳濃度，傳感器的選 擇十分重要。因此了解二氧化碳傳感器的種類，加以選擇十分重要。半導(dǎo)體陶瓷式二氧化碳傳感器以其制作簡(jiǎn)單、成本低廉、抗惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，受到業(yè)內(nèi)人士的重視。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(xué)系統(tǒng)組裝在一起成為一個(gè)完整的裝置。電化學(xué)式及熱傳導(dǎo)式的 CO2傳感器雖然體積小，但是其精度、穩(wěn)定性及對(duì)氣體的選擇性都不太理想。 本系統(tǒng)采用的傳感器 MS4100 為固態(tài)電解質(zhì)測(cè)量方式，具有對(duì)二氧化碳反應(yīng)靈敏，受溫度和濕度影響小，成本低。本產(chǎn)品預(yù)熱時(shí)間 為 1 個(gè)小時(shí)。 相應(yīng)時(shí)間較快只需 5 秒，輸出電壓易于放大，可以使測(cè)量電路簡(jiǎn)化。 % 功耗：至少 800mW 輸出電勢(shì)： 430～ 540mV(0ppm CO2) 準(zhǔn)確性 : 177。 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(dá)式為： EMF=EMF0R Log（ Concentration） （ 2— 1） 其中 EMF0 為 co2 為 0ppm 時(shí)，輸出的電壓，一般為 470～ 540mv 之間。 Concentration 代表二氧化碳濃度，單位為PPM。 在圖 ，傳感器電源供電端為 3腳和 4腳。當(dāng)加熱器加熱到一定溫度時(shí)，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(shí) 1 腳和 6 腳產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 電路中我們可以測(cè)得的 1 腳和 6 腳的電動(dòng)勢(shì)即為 EMF。由于沒有標(biāo)準(zhǔn)的二氧化碳濃度測(cè)量?jī)x來進(jìn)行標(biāo)定，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理將采用廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)。 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）。 放大電路設(shè)計(jì)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(yùn)放正極電壓 ,運(yùn)放負(fù)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(dāng) R4/R1=R3/R2時(shí)， Vo=R4*(vi2vi1)/R1 （ 2— 5） 本電路要放大信號(hào)十倍，所以 R R3取 20k， R R2取 2k。 3261 874U1O P 07123456J1M S 4100R12kR42kR520kR220kR320k+ 12 1212J3S I G N A L+5 本電路選用 op07運(yùn)算放大器， op07是高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路 ,用于微弱信號(hào)的放大 ,如果使用雙電源 .能達(dá)到最好的放大效果 。 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(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，提供給單片機(jī)處理。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(jī)普通 I/O口，通過 I/O口模擬 ADC0809時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC0809的控制，從而獲得最終數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。多路開關(guān)可選通 8個(gè)模擬通道，允許 8路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 ADC0809時(shí)鐘由單片機(jī) ALE端 4分頻后得到，單片機(jī)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 T