摘 要

本片论文设计了一种准确率高、实用性强的一氧化碳检测系统。该系统可以对一氧化碳浓度进行实时检测监控，同时根据系统设定的阈值判断环境浓度是否超标并进行报警。基于STM32F407单片机的核心数据处理模块，处理来自MQ7传感器采集传输的一氧化碳浓度数据，并且送给显示模块和报警模块。在这个过程中，传感器采集到的数据经过运算放大之后送到单片机的A/D转换接口，再经过软件滤波被数据采集模块采集。另外，本次设计还加了4*4矩阵键盘外接单片机和手机APP接蓝牙模块连接单片机作为输入模块的一部分。输出端附加了光耦隔离加继电器加排气扇的电路，一方面可以提高报警的准确率，另一方面可以保护单片机。整个系统具有体积小、功耗低、速度快、准确率高的特点使得其可以广泛使用。

关键字：STM32F407，MQ7传感器，4*4矩阵键盘，光耦隔离

Abstract

This paper designs a carbon monoxide detection system with high accuracy and practicability. The system can detect and monitor the concentration of carbon monoxide in real time. At the same time, it can judge whether the concentration of carbon monoxide exceeds the standard according to the threshold set by the system and give an alarm. Based on the core data processing module of STM32F407, the data of CO concentration collected and transmitted from MQ7 sensor is processed and sent to display module and alarm module. In this process, the data collected by the sensor is magnified by operation and sent to the A/D conversion interface of the single chip computer, and then collected by the data acquisition module through software filtering. In addition, this design also adds 4*4 matrix keyboard external MCU and mobile APP to connect Bluetooth module to MCU as part of the input module. The output terminal is equipped with optocoupler isolation and relay plus exhaust fan circuit. On the one hand, it can improve the accuracy of alarm, on the other hand, it can protect the single chip computer. The whole system has the characteristics of small size, low power consumption, fast speed and high accuracy, so it can be widely used.

Key words: STM32F407, MQ7 sensor, 4*4 matrix keyboard, optocoupler isolation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容 2

第2章 系统总体设计方案 3

2.1 系统设计功能 3

2.2 系统框图 3

2.3 总体设计思路 4

第3章 硬件设计 5

3.1 单片机STM32F407VGT6 5

3.1.1 单片机的选择 5

3.1.2 单片机最小系统的设计 6

3.2 一氧化碳传感器模块 7

3.2.1 传感器的选择 7

3.2.2 传感器的原理和结构特点 7

3.2.3 主要参数 8

表3.2 MQ7具体参数 8

3.2.4 实物图及接口说明 9

3.4 运算放大电路 10

3.5 4*4矩阵键盘 11

3.5.1 4*4矩阵键盘的原理 11

3.5.2 4*4矩阵键盘的电路图 11

3.6 输出模块 12

3.6.1 OLED 屏幕显示 12

3.6.2 报警装置 12

3.6.4 光耦隔离 14

3.7 电源模块 14

第4章 系统软件设计 15

4.1 Keil uVision5 15

4.2 系统程序设计 16

4.2.1 主程序设计 17

4.2.2 软件滤波 18

4.2.2 显示界面子程序设计 19

4.2.3 数据发送子程序设计 20

4.2.5 按键控制子程序设计 21

4.2.6 存储子程序设计 22

第5章 系统的调试 23

5.1 硬件调试 23

5.2 软件调试 23

第6章 结论与展望 26

参考文献 27

致谢 28

附录 29

通讯核心程序 29

定时发送子程序 30

第1章 绪论

1.1 课题研究目的及意义

进入90年代之后，科技迅速发展，人们的生活水平也随之有了很大的改善，逐渐家家户户都用上了煤炭和煤气。虽然近十年来电取暖、做饭和天然气做饭逐渐取代了煤气，但是在中国还有相当大一部分家庭仍然采用煤炭煤气作为家庭能源。另外，还有很多可见日光温室大棚采用燃烧煤炭产生热量的方法进行保温。对于煤气和煤炭这些物质，当他们没有充分燃烧时，就会产生对人体有毒的物质CO。

近年来，一氧化碳中毒事件屡见不鲜。2018年1月22日，北京市西城区一家火锅店6名顾客在地下室用餐，遭遇一氧化碳中毒。次日，韩女士和众多朋友一起在该火锅店聚餐时，又出现中毒事件。在住院期间经过脑部检查后，韩女士一行人中已经有一位查出一氧化碳中毒导致面部神经严重受损，其他四人核磁共振也检查出脑部有白点，缺血缺氧病灶。2018年11月28日上午，四川省巴中市巴州区发生一起一氧化碳中毒事故。一家四口3死1伤，最小者年仅2岁。据不完全统计，2018年入冬以来截止到12月17日，去广西民族医院就诊的一氧化碳中毒患者超过二十例， 死亡案例也屡见不鲜。

常见的一氧化碳中毒事故都是在居民睡梦中，封闭房间内，具有很高的隐蔽性。看着一件件触目惊心的事故，迫切需要一种价格低、灵敏度高、实用性强的监控检测装置，安装在家庭中来检测空气中的无色无味气体一氧化碳的浓度，来保证人民生命财产安全。

1.2 国内外研究现状

西方发达国家比我国科技发展起步早，一氧化碳检测技术也日趋成熟。早在1919年，第一支CO气体检测管在哈佛大学被研制出来后，随着检测技术的不断发展，其在功能方面也有的很大的进步。由最初只能定性的检测一种气体到后来可以定量的检测。而这种技术，到上世纪五十年代才在我国煤炭行业开始使用。到了上世纪七十年代，气体检测管开始逐渐应用于煤井等相关企业的安全检测工作。虽然直到2000年前后国内煤矿井还有采用检测管检测技术对井CO气体进行检测和分析的，但是井下采样分析具有周期长，采样点数受限制、检测管检测具有无法直观读数、检测精度低等缺点。因此检测管逐渐被其它检测方便的新型检测器所取代^[1]。

二十一世纪初期是3点定点位的电化学原电池传感器的时代，这种传感器是基于3电极控制电位原理而生的。当前市面上常见的CO传感器有四种类型：电化学传感器、催化可燃气体传感器、固态传感器和红外传感器。随着对实用性要求的提高，CO传感器也和大多数功能型器件一样朝着微小型化、集成化、智能化的方向发展。近些年随着移动互联网的普及和发展，CO传感器也有互联网 方面的需求。半导体工艺技术不断发展，芯片越来越智能化微型化，红外气体分析仪的微型智能便携化越来越在实现^[1]。国外开展红外气体分析系统研究的有日本、法国、瑞士和英国等国家。

1.3 课题研究内容

本文主要研究以单片机为控制中心，利用传感器检测CO浓度，并且按照设定要求及时报警的气体检测装置。首先它要准确可靠、符合国家安全标准要求、对于一氧化碳的浓度检测可以做到实施监督与立即警示，从而避免危险事故的发生。本文设计的基于单片机的一氧化碳检测报警装置正是应以上要求而生，并且具备测量准确、反应速度快、功耗较低、性能相对比较稳定等特点。

第2章 系统总体设计方案

2.1 系统设计功能

系统的设计重要的还是符合预期功能。为了符合现代一氧化碳报警装置的发展趋势，即微小型化、智能化、集成化、智能化、多功能化而且向互联网 方向发展，设计了如下预期功能：在工作状态下实时监测；将检测到的一氧化碳浓度值转化成数字信号提供给单片机处理；在OLED显示屏上实时显示当前一氧化碳浓度值；在短时间内连续三次检测到一氧化碳超标时自动报警；报警后可以人为控制终止当前报警；当系统检测到一氧化碳浓度低于设定值后再次开启监测报警模式；可以用手机通过蓝牙连接系统修改阈值等。而以单片机为核心的自动控制技术在体积、功耗、费用等方面具有明显的优势，所以本设计采用单片机为控制核心的设计方法。

2.2 系统框图

以单片机为核心，本设计要完成的基本目标是当一氧化碳浓度达到设定值的时候且停留几秒钟之后进行自动报警 , 要解决的问题主要有一氧化碳浓度的实时监测以及如何实现自动报警这两个问题。为了解决它们，该设计制作了中央控制系统、一氧化碳浓度监测系统以及报警系统。其中中央控制系统由单片机构成，主要负责接收以及转化监测系统传送过来的信息并在必要时发送命令给报警系统，监测系统内部的一氧化碳传感器负责检测一氧化碳的浓度，并将该信息以模拟信号的形式传递给单片机。报警系统由蜂鸣器组成 ,负责接收单片机传送的指令进行报警。

图2.1 系统设计总体框图

2.3 总体设计思路

论文主要完成基于单片的一氧化碳检测报警系统的软硬件设计，以单片机为核心分为三大模块，分别是输入模块、输出模块和电源模块。其中输入模块有两部分，一是一氧化碳传感器采集浓度信号，其后接接运算放大电路放大调制输入信号，后面由单片机板载的A/D转换模块将浓度信号转换成电信号由单片机处理；二是4*4矩阵键盘方便用户输入设定参数。输出模块有三个部分，分别是OLED显示、报警器（蜂鸣器）、光耦隔离 继电器 排气扇。

设计主要完成的功能包括：数据监测和处理、按键检测、存储设置、显示设置、报警装置。在设计过程中，采用功能模块化的方式将设计分为硬件设计和软件设计两大部分，总体设计方案如下：

硬件电路设计；

软件程序设计；

系统软硬件的调试。

第3章 硬件设计

3.1 单片机STM32F407VGT6

3.1.1 单片机的选择

对于一个系统来说，系统核心选择是否合适决定了这个系统是否经济、简洁、实用和可靠。在本文设计的系统中，核心部分是单片机，它起着控制整个系统的核心功能，所以对于单片机的选择是一件意义重大的事。如果选择与系统匹配的单片机，不仅可以在系统设计方面较为简单，而且在节省成本的情况下让系统更加实用可靠。目前，市场上存在的单片机不但在种类方面多种多样，在性能方面也各有优势。就一般而言，我们在单片机的选取上主要考虑以下因素：

第一，单片机的基本性能参数，如程序存储器大小、指令的执行速度、I/O引脚数等，第二，单片机的附加增强功能是否丰富；第三，存储介质，就程序存储器而言，Flash存储器要比OTP(一次性可编程)存储器更有优势；第四，单片机的功耗；第五，采购渠道是否畅通，价格是否足够经济；第六，技术支持网站的资料是否全面，是否包含应用使用说明、芯片指南、典范案例等；第七，保密性和抗干扰性。

而国内常见的单片机大概有以下几种：

传统51单片机。价格便宜，功能简单，适合入门使用。但AD等功能要靠拓展才能实现，增加软硬件使用负担。

STC51系列：价格最便宜，功能足够多，抗干扰能力强，存储芯片大，串口编程很方便。因为可实现功能多，因此初学者需要学习一定时间才能掌握。

STM32F1单片机。功能强大，外设一流。1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度。低功耗在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2μA。最大的集成度，包含复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等。结构简单，实用性强。

STM32F407单片机。相较于F1，F4是其高性能版本。

STM32F407配有先进的Cortex-M4F内核，使STM32F407有浮点运算能力和增强的DSP处理指令。STM32F407拥有更大的存储空间，其闪存高达1M，SARM高达196K；还有灵活的外部存储器接口FSMC，它可以连接到D-BUS、I-BUS、S-BUS快速获取数据、指令、同时访问三条总线。它还具有超快的运行速度，在运行速度为168MZ时，处理能力可达210DMIPS，另外具有高外设低功耗的优势^[2]。

综上所述，STM32F4，价格便宜，功能强大，因此在本次设计中选择STM32F407VGT6作为使用单片机。

3.1.2 单片机最小系统的设计

最小系统为处理器正常工作提供了保障，是电路最核心的部分。它由时钟电路、复位电路等电路组成。STM32F4系列单片机时钟模块由4-16MHZ的晶体振荡器，内嵌经出厂调校的8MHZ是RC振荡器，内嵌带校准的40KHZ的RC振荡器，带校准功能的32KHZ的RTC振荡器等部分构成。由这几部分构成的时钟模块不仅在数据处理的速度上比一般时钟模块更快，而且在保证速度优势的前提下功耗较低。因为不同的外围部件有不同的时钟要求，系统为此设计了多个时钟源。或者给一个时钟源设计多种工作模式。本课题的时钟要求为采用低速低功耗模式。STM32F407Z单片机的复位电平为低电平，本系统采用的是比较常用的自动复位，这种复位模式电路结构简单，操作也比较方便。最小系统电路图如3.1所示。

图3.1 最小系统原理图

3.2 一氧化碳传感器模块

3.2.1 传感器的选择

通过阅读资料，总结到以下几种传感器。

CO-AF一氧化碳传感器，由英国阿尔法公司生产。该传感器由三个电极组成，分别为工作电极（WE）、参考电极（RE）、对电极 (CE)。当一氧化碳气体渗入传感器以后，以工作电极和对电极分别为阳极、阴极发生氧化还原反应，在两个电极中间产生一个电流，它的大小正比于一氧化碳浓度。RE的主要作用为为WE的正常使用提供稳定电位，确保传感器工作在理想的V-I区间，从而确保传感器具有稳定的灵敏度和良好的线性。一氧化碳浓度的测量精度为 1ppm，测量范围为 0~1000ppm。

MQ7气体传感器使用的气敏材料是在空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处的环境中存在一氧化碳时，其电导率在一氧化碳浓度变大时会增大。网上购买的MQ7传感器具有DO开关信号（TTL）输出和Ao模拟信号输出，操作方便，对于DO开关信号，它输出的有效信号为低电平，而且此时可以直接与单片机相连，模拟量输出电压，一氧化碳的浓度越高，模拟输出的电压越大。这样利用比较简单的电路可以将气体浓度与电导率结合起来，一方的变化便可通过另一方表现出来^[3]。

德尔格Pac7000单一气体传感器是一种多功能、应用广泛、可靠性高的新型单一气体传感器。一氧化碳浓度的测量精度为 1ppm，测量范围为 0~1999ppm。缺点是价格昂贵。

通过比较，我选择了最常见的MQ7传感器，性能比较稳定、而且在精度上较高、价格较为便宜。具体参数如表3.1所示：

表3.1 MQ7参数

3.2.2 传感器的原理和结构特点

如上文所说，MQ7采用的检测方式是高低温循环检测，在温度较低时，通常为1.5V加热，传感器来检测CO，电导率与气体浓度呈正相关变化；在温度较高时，通常为5.0V加热，传感器此时主要是对低温时附着的除一氧化碳之外的其余气体进行清洗。在一氧化碳浓度发生微小的变化时，MQ-7气体传感器都能进行有效的捕捉，具有很强的灵敏性，是一种在很多种应用情景中普遍适用的成本较低的传感器。

图3.1MQ-7传感器构造图

3.2.3 主要参数

对于MQ-7传感器的主要具体参数如表3.2所示：

表3.2 MQ7具体参数

3.2.4 实物图及接口说明

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