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基于AT89S51单片机的自动综合排气扇
马胜谦，孟凡尘，马燕瑞轩，苏季松
（泰山大学物理与电子工程学院，泰安271000，山东，中华人民共和国）
Shqma@126.com
（中国电子科技大学， 成都611731，四川，中国）
2055653378@qq.com
摘要:本文介绍了全自动一体化排气扇的基本设计原理、系统硬件组成及其组成控制算法。一个能够自动检测气体并工作的排气扇设计。它装有烟雾传感器、一氧化碳传感器和排气扇可以实现自动检测、自动运行消除有害气体，确保人们的健康安全。
关键词：烟雾传感器；一氧化碳传感器；A/D转换联动风扇；单片机
1 简介
一氧化碳是一种无色无味的气体。在使用木柴和煤炉时，任何含碳或含碳物质不完全燃烧时，就会产生一氧化碳 。特别是近年来燃气加热器和燃气热水器的使用不当，在畅通的风机的作用下大大增加了一氧化碳的污染。因为一氧化碳是无色无味的气体，所以被称为“无声杀手”。吸入一氧化碳之后，人们往往不知道，即使发生严重的症状，仍然呆在高浓度的一氧化碳环境中一直死亡。在工业上，爆炸炉气和煤气产生炉含CO30%-35%，水煤气含CO30%–40%。在生产过程中，炉门或窑门要严格关闭，如炼钢、炼焦、窑炉等。当内燃机燃烧时发生泄漏，煤气管道会逸出大量的一氧化碳，例如列车通过隧道时，空气中的一氧化碳会达到有害浓度。矿山爆破时会产生大量的CO，这是一种CO产生的主要途径。化学工业上合成氨，甲醇、丙酮等联也会产生大量CO。日常生活中，每天抽一包烟，即可使血液中的碳氧血红蛋白（COHb）浓度达到%–6%。在吸烟区呆上8小时，就相当于抽了5支烟。气体中煤炉产生的一氧化碳含量高达6%-30%。在室内门窗关闭、炉子没有烟囱、没有通风口、煤气漏风，还有在通风不良的浴室使用煤气热水器洗澡、封闭式空调车内等场所，空气中的一氧化碳浓度一旦高达10%，即有可能中毒。
CO中毒是组织缺氧的主要原因。吸入一氧化碳后，85%的一氧化碳和血液中红细胞的血红蛋白（Hb）结合形成稳定的亲和力是氧气和Hb亲和力的240倍。吸入少量的CO，可以产生大量的COHb。导致其不能携带氧气，不易分解。氧合血红蛋白（O2Hb）解离速度的1/3600.COHb的存在也可以使血红蛋白的氧解离曲线左移。血氧不易释放到组织中，导致细胞缺氧。此外，高浓度的一氧化碳也能与两种铁元素结合，影响线粒体从毛细血管扩散到线粒体，损害线粒体功能。与二价铁结合时，一氧化碳对还原性细胞色素氧化酶产生作用，它抑制细胞色素氧化酶的活性，影响细胞的呼吸和氧化过程，阻碍氧气的使用。但氧气与细胞色素氧化酶的亲和力大于一氧化碳。缺氧程度与血红蛋白中COHb的百分比成正比。升华百分比血液中CO浓度和空气接触时间密切相关。
当一氧化碳中毒时，最容易受到伤害的时血管中较少的器官和代谢性较强的器官，如大脑和心脏。小的脑血管也随之迅速麻痹和扩张。大脑中，腺苷三磷酸（ATP）在厌氧条件下迅速耗尽，钠泵运转不好。钠离子在细胞内积聚，引起水肿脑细胞。缺氧引起血管内皮细胞肿胀，导致脑循环紊乱。在缺氧期间，酸性代谢产物增加大脑血管通透性，并产生脑细胞间质水肿，促使脑血栓的形成、大脑皮层基底节区灶性缺血坏死，广泛的脱髓鞘病变可导致少数患者迟发性脑病。
有很多方法可以预防一氧化碳泄漏，例如一氧化碳探测器、呼吸器面罩等，但是没有结合带有排气扇的一氧化碳探测器。这个项目结合了排气扇和一氧化碳检测器的装置。当室内一氧化碳浓度超标，可自动检测并开启排气风机，达到自动通风的效果，大大降低一氧化碳中毒的概率。同时，烟雾传感器被添加到排气扇中。当室内烟雾过多时，可自动通风，保持室内空气质量，达到两个目的。实现了室内气体的自动检测和调节，成本低，而且功能广泛。特别是普通家庭，如棚户区、奶酪房子和平房都可以安装这个设备。相应的探测器被分别植入其中：泵吸入一氧化碳检测仪采用内置吸入泵，可快速检测工作环境中一氧化碳浓度。泵吸式一氧化碳检测仪采用进口电化学传感器，它有一个非常清晰的大液晶显示屏，一个声光报警器，能够确保在非常不利的工作环境中检测到危险气体提示操作员预防一氧化碳中毒。便携式一氧化碳检测仪可连续检测工作环境中的氧化情况和二氧化碳浓度。一氧化碳检测仪采用进口电化学传感器天然扩散法检测气体浓度。它有极好的灵敏度以及出色的重复性。一氧化碳探测器采用嵌入式微型控制技术，菜单操作简单，功能齐全，且可靠性高，整机性能处于国内领先水平。探测器外壳由高强度工程材料制成复合弹性橡胶材料，强度高，手感好。一氧化碳在线检测报警器由气体检测报警控制器组成和固定的一氧化碳探测器。可以将气体检测报警控制器放置在值班室监视监控点。一氧化碳探测器要安装在最容易漏气的位置，其核心部件是气体传感器。一氧化碳检测器将物理信号转换成电信号，并通过电缆传输到气体检测报警控制器。气体浓度越高信号越强，气体检测报警控制器在气体浓度达到或超过报警控制器设定的报警值是会启动电磁阀、排风扇等外部设备，自动排除隐患。一氧化碳在线检测报警器广泛应用于石油行业，化工、冶金、电力、煤矿、水利等环境，有效预防爆炸事故
2 系统硬件设计
该系统的控制核心采用AT89S51单片机，具有信号监测、实时显示、自动控制等。组件有序合理，符合电路设计的基本原则等。硬件原理图如图所示
连接
气体传感器
液晶显示屏
A/D转换器
AT89S51单片机
烟雾传感器
系统的基本部件包括主控制模块和以AT89S51单片机为主控制器，气体采样模块，烟雾采样模块、实时显示模块和联动执行模块。主控模块是基于AT89S51单片机的控制部分。
单片机作为主控部分，对数据进行分析和集成由数据采集模块采集，并将数据转换结果通过转换器发送到显示模块。数据的主要功能采集模块是采集空气中有害气体的浓度，将其发送到控制器，最后显示在显示模块中。联动执行模块主要是一个联动风扇。当有害气体浓度超过初始设定值时，联动风扇将由控制器自动控制以启动排气。总体仿真结构示意图如下
2.1主控制模板
主控模块包括单片机系统和模数转换器。由于传感器发送的信号是模拟信号，因此需要由模数转换器转换成数字信号，以便单片机可以控制系统对信号进行识别和处理。本系统采用ADC0832模数转换器，ADC0832模数转换器转换器具有8位分辨率，双通道模数转换器，250 kHz工作频率，32ls转换时间。它适合这个系统的功能
51系列是应用最广泛的单片机。其中一个优点是它有一个完整的位操作系统，从内部硬件到软件，称为位处理器。它的处理对象不是一个单词或者一个字节，但有一点。它不仅可以处理芯片，如传输、定位、清除、测试等，还执行位逻辑运算。功能齐全，使用方便。51系列I/O脚的设置和使用非常简单。
系统采用AT89S51单片机作为主控单元。AT89S51是一款低功耗、高性能CMOS 8位单片机，包含4K字节的ISP（系统可编程）闪存，可擦除1000次只读程序存储器。该设备使用ATMEL的高密度，不易易失性存储器技术的制造符合标准。MCS-51指令系统和80C51引脚结构。该芯片集成了一个通用的8位CPU和ISP闪存。功能强大的AT89S51微型计算机可以用于许多嵌入式控制应用。提供经济有效的解决方案。利用单片机的控制功能，通过传输方式输出高低电平，然后控制执行联动执行模块。
2.2 数据采集模块
数据采集模块包括一氧化碳气体传感器和烟雾传感器。在该系统中，一氧化碳气体传感器使用MQ-7气体传感器，并且一氧化碳浓度的测量是关键。对于监控室一氧化碳浓度范围，专用MQ-7传感器选择一氧化碳气体浓度检测。半导体气体传感器采用全微电子工艺制造。它对碳的选择性（一氧化碳）很好，它能自动补偿信号期间的温度异常。灵敏度高，性能稳定。
MQ-7气体传感器的工作原理是高低温循环检测。当1.5V在低温下加热时，检测到一氧化碳。这个传感器的电导率随碳浓度的增加而增大空气中的一氧化碳，以及吸附在低温下的杂散气体在高温下被净化温度（5.0V加热）。电导率的变化可以转换成通过使用一个简单的电路。MQ-7气体传感器的等效电路如图所示
烟雾探测传感器，我们选择的传感器类型是可燃气体传感器MQ-2。在特定检测中，材料中选择的气体传感器材料是两种在纯空气中具有低导电性的锡氧化物。当火灾发生时可燃气体、烟雾和温度的变化。同时传感器将引起一系列变化，具体表现在图四中。
2.3 显示模块
本系统采用LCD12864型液晶显示模块，LCD12864为点阵液晶显示器，具有功耗低、体积小、重量轻等无可比拟的优点，重量轻、薄等多种特点的显示器，点阵式液晶显示器可显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线和汉字，并能实现屏幕滚动、动画功能、分区窗口、反转、闪烁和其他功能，广泛使用，符合系统要求功能。
基本特征：（1）低电源电压（VDD: 3.0– 5.5V）（2），显示器分辨率：128 X64点（3），内置汉字库，8192 16位16位点矩阵字符（简体和繁体中文）可选）（4），内置12816X8点阵字符（5），2兆赫时钟频率（6），显示方式：STN，半透明，正显示（7），驱动模式：1/32占空比，1/5BIAS（8），方向视野：6点（9），背光模式：侧面高亮白色LED，耗电量
仅为普通LED（10）的1/5-1/10，通信方式：串行、并行选择（11），内置DC-DC转换电路，无外部负电压（12），无需要芯片选择信号，简化软件设计（13），工作温度：0°C– 55°C，储存温度：–20°C– 60°C。
2.4 联动执行模块
该系统选择轴流风机，即与风扇叶片的轴（即气流方向和风的轴平行）。例如，电风扇和空调外风扇是轴流风扇。轴向的流风机又称局部风机，是工矿企业普遍使用的风机企业。与普通风扇不同的是：它的马达和风扇叶片都在一个气缸中。形状是一个气缸，用于局部通风，安装方便。通风效果明显、安全，储气罐可将空气送至指定区域。本设计是设计一种一氧化碳液晶显示器探测器（也称为一氧化碳气体报警器）。输出信号为4–20毫安与控制系统如报警控制器、可编程逻辑控制器和DCS公司。用于气体探测器的传感器具有响应快、灵敏度高的优点测量精度高，稳定性好，重复性好。它还可以配备可编程开关信号输出，便于与其他继电器相关的连接设备。
一氧化碳超级报警器ADL-600B-CO特点：
- 国外原装进口气体传感器，抗干扰能力强，误码率小，提高产品质量保证，使用寿命2-3年；
（2） 采用先进的单片机技术，响应速度快，测量精度高，误判率低；
（3） 本质安全的电路设计，精致的电源设计，卓越的闪电保护设计，安全可靠；
（4） 智能温度零点补偿算法大大提高了产品的稳定性和重复性；
（5） 大屏幕液晶显示，24小时在线检测，实时显示气体集中度；
（6） 强大的集成声光报警功能，声音超过80分贝；
（7） 1套继电器（数字信号）输出，方便其他控制装置的使用如膨胀风机；
（8） 多种标准信号输出，易于在控制器/PLC/DCS中进行干预以及其他工业控制系统；
（9） 内置工厂复位按钮，防止误操作；
（10） 支持多种检测范围选择，适合多种环境项目选择；
（11） 操作简单。客户可根据实际情况在全范围内任意设置上下报警点；
（12） 独特的产品外观设计，安装、接线简单方便；
（13） 铝合金铸造防爆外壳，安全可靠；
（14） 防爆等级：ExdIICT6 Gb，防护等级：IP65；联动风机报警电路如图5所示。
3 系统软件设计
软件设计是硬件设计和系统功能实现的重要组成部分。在本系统中，软件部分是单片机控制系统接收传感器数据和处理，然后发送到显示模块编程。使用C语言、WAVE硬件模拟器进行编程语言和调试程序包括主程序和接收数据，模数转换，显示模块，联动报警和多个控制子程序。
系统程序流程如图6所示，第一程序初始化，数据采集模块采集数据，传感器输出模拟信号，将信号送入模数转换器，将模拟信号转换成单片机识别的数字信号，然后由单片机进行数据分析和处理，单片机使用特定算法计算气体浓度，并将其发送到显示器模块，实时显示气体浓度值并比较。如果气体浓度大于预设值，单片机输出高电平触发联动风扇执行排气。当气体浓度低于预设值，微控制器输出低电平，联动风扇停止工作。
4 一氧化碳浓度报警设置
PPM、LEL和VOL: PPM的含义：百万分之一的气体体积分数是无量纲单元。例如，5 ppm一氧化碳指的是百万分之五的空气中含有一氧化碳；LEL：最小体积可燃气体在空气中引爆的百分比，即下限浓度气体爆炸。（UEL：瓦斯爆炸的上限浓度）爆炸下限的LEL%分为100份，1单位为1LEL%。例如，25LEL%是25PLEL%的最低爆炸极限和下限是50%。体积：气体的体积百分比，物理单位。例如，5%体积指空气中特定气体的体积，占5%。这三者之间的关系：一般来说，ppm用于更精确的测量；LEL用于起爆；VOL的大小是三者中最大的。
转换关系：
%VOL=(ppm)*10^4
Ppm=%LEL x LEL(%vol)*100
%LEL=ppm/(LEL(%vol)*100)
一氧化碳报警器的浓度范围为（0至100%）LEL，并且低段报警设置通常为（20%至25%）LEL，高段报警整定值一般为50%LEL。如果气体达到警报的低水平主机会带动警报喇叭。如果声音要满足特殊要求，那就是达到高分贝或外部警报声，需要另一个警报当达到峰值时。系统程序流程图区段报警通常连接到控制阀上，以关闭或打开
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