基于Arduino的酒精與一氧化碳氣體檢測器設(shè)計說明

./基于Arduino的酒精與一氧化碳氣體檢測器設(shè)計1.前言1.1設(shè)計背景隨著社會工業(yè)的發(fā)展,推動著社會的進步,卻也存在著時時刻刻危害著人類生存的氣體,那么通過什么方式才能知道我們環(huán)境所存在的氣體的濃度呢,以便做出及時處理和改善。社會上雖有檢測有害氣體濃度的設(shè)備,但是價格昂貴,不能夠普及使用,特別是家庭方面,煤氣中毒事件屢見不鮮。生活中迫切需要一款經(jīng)濟實用的有害氣體濃度檢測裝置。1.2設(shè)計目的和意義為將所學(xué)運用于實踐中,提高自身能力的同時,考慮到社會所需,呼吁人們關(guān)注周圍環(huán)境,因此做了一款基于Arduino的酒精與一氧化碳氣體濃度檢測的設(shè)計。2任務(wù)的提出與方案論證2.1設(shè)計要求1、可檢測出10—1000ppm的氣體的濃度〔酒精、一氧化碳；2、通過小型液晶顯示器和上位機界面顯示氣體濃度值；3、當(dāng)氣體濃度值達到所設(shè)閾值時,立刻報警；4、報警方式通過燈光報警和蜂鳴器器報警。2.2方案選擇方案一：采用單片機STC89C51為主進行設(shè)計,有32個I/O口,可供設(shè)計時進行功能擴展,無需進行引腳擴展,設(shè)計過程中無需占用多大體積。有害氣體濃度采集可采用MQ-3和MQ-7,對酒精、CO氣體有較好的靈敏度。顯示濃度值可采用SSD1306OLED液晶模塊。將有害氣體濃度值通過串口發(fā)送至上位機。方案二：采用Arduino單片機作為主控制器進行設(shè)計,Arduino有數(shù)字和模擬端口,無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換可直接讀出所測氣體濃度值,端口定義靈活,代碼開源易于無聯(lián)網(wǎng)設(shè)計。有害氣體濃度采集可采用MQ-3和MQ-7,可測酒精和CO氣體。顯示濃度值可采用0.96寸SSD1306OLED液晶模塊。將有害氣體濃度發(fā)送至上位機。在上述兩種方案中,都可以很好的實現(xiàn)該系統(tǒng)的設(shè)計,但由于對單片機STC89C51在此設(shè)計中使用不夠方便、靈活等,而Arduino基礎(chǔ)設(shè)計都有教程參考,所以方案二更加易于實現(xiàn)和拓展性更高。2.3總體方案設(shè)計本設(shè)計規(guī)劃的總體方案如下：在設(shè)計中采用Arduino為控制芯片,通過傳感器MQ-3和MQ-7實時監(jiān)測周圍有害氣體濃度,將濃度值傳送給Arduino進行判斷處理是否通過蜂鳴器報警,并通過SSD1306OLED液晶模塊顯示其濃度,如果產(chǎn)生報警,將報警LED閃爍并實時通過串口發(fā)送至上位機,上位機也通過圖形顯示控件實時顯示當(dāng)前氣體濃度值。圖2.1為系統(tǒng)設(shè)計框架圖：圖2.1系統(tǒng)設(shè)計框架圖3系統(tǒng)主要硬件介紹3.1控制模塊本次設(shè)計采用ArduinoUnoR3芯片為主的控制器件,其中0-13為數(shù)字I/O口,A0-A5為模擬I/O口,輸出5V/3.3V直流電壓兩種選擇。其芯片接口如圖3.1所示：圖3.1Arduino接口圖3.2氣體濃度檢測模塊MQ-3和MQ-7〔見圖3.2的電導(dǎo)率隨空氣中酒精氣體濃度和一氧化碳氣體濃度的增加而增大,污染氣體濃度值有模擬、數(shù)字兩種方式輸出。在本次設(shè)計中需獲得污染氣體濃度值,所以選擇模擬端口輸出。由于Arduino有模擬端口〔A0~A5,可直接讀取模擬信號值,故MQ-3和MQ-7可直接與Arduino的模擬端口相連接。圖3.2MQ-3和MQ-73.3顯示模塊SSD1306〔見圖3.3是一個單片CMOSOLED/PLED驅(qū)動芯片可以驅(qū)動有機/聚合發(fā)光二極管點陣圖形顯示系統(tǒng)。由128segments和64Commons組成。該芯片專為共陰極OLED面板設(shè)計。SSD1306中嵌入了對比度控制器、顯示RAM和晶振,并因此減少了外部器件和功耗。有256級亮度控制。數(shù)據(jù)/命令的發(fā)送有三種接口可選擇：6800/8000串口,I2C接口或SPI接口。在本次應(yīng)用中采用的是I2C接口,SSD1306OLED液晶模塊在此顯示兩種氣體的濃度值。圖3.2SSD1306OLED液晶顯示模塊4系統(tǒng)程序設(shè)計在設(shè)計過程中,軟硬件相結(jié)合才能夠順利完成項目的設(shè)計,只有在反復(fù)的實踐中才能對程序進行糾正和優(yōu)化,減少程序漏洞,使之程序結(jié)構(gòu)嚴謹,系統(tǒng)穩(wěn)定。因此,在程序設(shè)計前需要想好,使用這個硬件讓它發(fā)揮著怎樣的一個功能,以便衡量硬件選擇的合理性。4.1下位機程序設(shè)計在本次設(shè)計中要達到以下幾點功能,首先需將有害氣體的濃度檢測出來,其次是根據(jù)人體對有害氣體適應(yīng)的能力進行閾值設(shè)置,聲音報警,最后通過兩種方式將有害氣體的濃度呈現(xiàn)出來,即串口發(fā)送至上位機和SSD1306OLED液晶模塊屏。為達到以上功能,其主程序流程圖如圖4.1所示：圖4.1主程序流程圖4.2上位機程序設(shè)計上位機的設(shè)計使用的是LabVIEW軟件,LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境,由美國國家儀器〔NI公司研制開發(fā),類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境,但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼,而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序,產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件是NI設(shè)計平臺的核心,也是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)的理想選擇。因此選擇LabVIEW作為上位機設(shè)計軟件是比較理想的選擇。上位機運行開始后,從串口接收下位機Arduino發(fā)送過來的數(shù)據(jù),經(jīng)過解析后使用圖形顯示控件顯示其歷史曲線,并可顯示具體數(shù)值,程序退出后可保存歷史數(shù)據(jù)一遍后續(xù)需要的時候查閱。其上位機程序流程圖如下所示。圖4.2上位機程序流程圖5.軟硬件調(diào)試結(jié)果氣體的濃度值是需要做標(biāo)定后才能轉(zhuǎn)換的,標(biāo)定的時候可以記錄一系列已知的氣體濃度值和對應(yīng)的傳感器模塊輸出的模擬電壓值,在一定圍可以認為是線性關(guān)系,上位機通過線性擬合將得出氣體濃度值與采集到的模擬電壓值的線性關(guān)系,由此完成標(biāo)定過程。上位機操作界面與下位機實際運行效果如下圖所示。圖5.1上位機界面操作圖圖5.2下位機運行效果圖[參考文獻][1]呂洲.Arduino程序設(shè)計基礎(chǔ)〔第二版.:航空航天大學(xué),2015.3.[2]溫江濤,煜.物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺DIY——Arduino+Xively+上位機+微信.科學(xué)出版社,2015.12.[3]健驪.物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù).西南交通大學(xué),2013.2.[4]柴遠波.短距離無線通信技術(shù)及應(yīng)用.電子工業(yè),2015.4.[5]志勇.現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用.電子工業(yè),2014.1.[6]TosshihisaTsukada.SSD1306OLED液晶模塊/LCD薄膜晶體管尋址的液晶顯示器.機械工業(yè)出版社,2012.9.[7]駿榮.Arduino互動設(shè)計入門計算機與互聯(lián)網(wǎng).科學(xué),2015、7[8]喻宗泉.藍牙技術(shù)基礎(chǔ)/普通高等教育規(guī)劃教材.機械工業(yè),2006、1[9]吳功宜,吳英著.物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論.機械工業(yè),2