一款室内一氧化碳浓度监测通风系统设计

华北理工大学人工智能学院 王睿铮

华北理工大学电气工程学院 曹文军

华北理工大学人工智能学院 李 鹏

为了提高冬季自主燃煤取暖的安全性，减少一氧化碳中毒事故的发生，本文设计了一款室内一氧化碳浓度监测通风系统，系统采用传统的STC89C52单片机作为控制单元，通过对室内一氧化碳浓度信号的采集、分析和处理，控制加热通风装置工作，将室外新鲜空气加热后送入室内，保证室内一氧化碳浓度在安全范围内，保障人身安全。

燃煤取暖是我国北方农村冬季室内取暖的主要方式，由于冬季寒冷，为了室内保温，人们通常将门窗关闭密封，煤炭不完全燃烧产生的一氧化碳气体在室内逐渐聚集，当一氧化碳超过安全浓度，吸入人体后就会发生中毒反应，严重者造成死亡。为了减少一氧化碳中毒事故的发生，设计了一款室内一氧化碳浓度监测和通风系统。

1 系统设计

一氧化碳浓度监测通风系统组成，该系统由单片机作为控制单元，一氧化碳浓度传感器将采集的模拟信号经ADC芯片转换成数字信号传给单片机，单片机将采集到的一氧化碳浓度信号与设定允许最大值进行分析和判断，对通风加热控制模块发出控制指令，保证室内一氧化碳浓度在安全范围内。手动输入模块用于一氧化碳浓度允许上下限值设置、时钟校准、报警数据查询。LCD液晶显示模块用于显示一氧化碳浓度数值、实时时钟、系统运行状态。声光报警模块用于一氧化碳浓度超限报警。该系统主要实现以下功能：

（1）能自动检测室内一氧化碳浓度值，若浓度大于设定上限值，则启动空气加热和通风装置，将室外经预热的新鲜空气送入室内，降低室内一氧化碳浓度，当浓度小于下限值时，自动关闭加热通风装置。

（2）按照用户要求，可通过按键设置一氧化碳浓度允许上下限值，能够校准实时时钟。

（3）能够自动存储一氧化碳浓度超过上限的数值、发生时刻和持续时间，并可手动查询。

（4）当一氧化碳浓度超过最大值时，能实现自动声光报警。

2 系统硬件设计

2.1 单片机控制模块

系统控制单元使用宏晶公司生产的8位STC89C52单片机，单片机内部包含8k字节的存储器用于程序存储，内置4KB EEPROM用于存储报警数据，有4×8个I/O口，能够满足使用要求。

2.2 一氧化碳浓度传感器与AD转换模块

选用MQ-7型半导体气敏传感器，该传感器使用的气敏材料是SnO2，在清洁空气中SnO2的电导率较低，其电导率与一氧化碳浓度接近于线性关系，工作电压为DC +5V，模拟量输出为0～+5V。

选用ADC0804集成转换芯片，该芯片共20个引脚，工作电压为DC +5V，模拟转换电压范围为0～+5V，分辨率为8位，两个模拟信号输入端，可以接收单极性、双极性和差模输入信号，电路图如图1所示。

2.3 实时时钟模块

该模块选用DS1302时钟芯片，该模块为系统提供日期和实时时钟。芯片管脚SCLK、I/O、RST分别与单片机P3.1/、P3.6、P3.7脚连接。

2.4 液晶显示模块

该模块选用LCD1602液晶显示器，使用并行操作方式，可同时显示2×16个英文字符，该模块显示内容为日期（年月日）、时钟（时分秒）、一氧化碳浓度数值和单位、系统工作状态。

图1 一氧化碳浓度传感器与AD转换模块

2.5 声光报警模块

电路图如图2所示，当室内一氧化碳浓度正常时，单片机P1.7脚输出低电平，P1.6脚输出高电平，此时绿色LED1点亮，红色LED2、蜂鸣器和通风加热模块不工作。当室内一氧化碳浓度超过设定最大值时，单片机P1.6脚输出低电平，P1.7脚输出高电平，此时红色LED2点亮，蜂鸣器报警，通风加热模块工作，绿色LED1熄灭，同时单片机将报警发生的时间、持续时间和一氧化碳浓度值存入单片机内部的EEPROM中，以便日后查询。

图2 声光报警模块

图3 通风加热模块

图4 系统主程序流程框图

2.6 通风加热模块

由三极管8550、SSR10DA单相固态继电器、交流加热通风机组成。单相固态继电器带有光耦隔离电路，可以防止交流电路对单片机的干扰，其输入电压DC3～32V，启动电流5mA，控制电流<25mA，负载电压AC48～480V，负载电流10A。当室内一氧化碳浓度大于设定最大值时，单片机P3.2端口输出低电平，三极管Q2导通，单相固态继电器触点导通，加热通风装置开始工作，当室内一氧化碳浓度小于设定最小值时，单片机P3.2端口输出高电平电平，三极管Q2截止，单相固态继电器触点断开，加热通风装置停止工作。电路如图3所示。

2.7 手动输入查询模块

手动输入查询模块用于功能切换、时钟校准、一氧化碳浓度上下限值设置、报警查询。该模块由3个独立按键K1、K2、K3组成，3个按键一端共地，另一端分别与单片机的P3.3，P3.4，P3.5引脚连接，K1是功能切换键，可实现时间、一氧化碳浓度和报警查询的切换，K2是加1键，K3是减1键。

3 系统软件设计

系统软件由主程序、一氧化碳浓度读取子程序、报警存储和读取子程序、时钟校准和读取子程序、键盘控制子程序、LCD显示子程序组成。系统主程序流程图如图4所示。

结束语：本文阐述了单片机一氧化碳浓度监测通风系统的硬件和软件构成，实验证明该系统能够有效保证室内一氧化碳浓度处于正常安全水平，减少了冬季取暖煤气中毒事故的发生，系统制作简单，成本低廉，在北方农村有广阔的应用前景。