基于单片机的GSM智能家居环境多参数检测系设计.docx
《基于单片机的GSM智能家居环境多参数检测系设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的GSM智能家居环境多参数检测系设计.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的GSM智能家居环境多参数检测系设计
基于单片机的GSM智能家居环境多参数检测系设计
摘要空气质量反映了空气污染的程度，这取决于空气中污染物的浓度。
从固定和移动污染源排放的人为污染物的数量是影响空气质量的最重要因素之一。
空气质量检测的类型包括装修污染、办公室空气检测、工作场所有害物质检测、食堂烟雾检测、锅炉大气和工业窑炉检测以及工厂废气工业废气检测。
室内空气污染已被列为危害公共健康的五个主要环境因素之一。
我们每个人在室内的时间都超过了8％。
室内空气的质量直接关系到我们每个人的健康。
调查结果显示68％的疾病与室内环境污染有关。
关注和改善室内环境以及防止室内空气污染不仅是改善每个人的生活质量，而且直接关系到我们的身体健康和生命安全问题。
作为人们居住和重要物质条件的地方，确保生活环境的健康非常重要。
为了使人们对室内环境有更多的基于数据的掌握，本文设计了一种基于51单片机的家庭环境多参数检测系统，主要实现对温度，湿度的检测和数据采集，家庭环境中的烟雾浓度，甲醛浓度和一氧化碳浓度LCD屏幕显示，并且用户可以根据需要设置温度，湿度，烟雾浓度，甲醛浓度和一氧化碳浓度的警报阈值，以实现极限警报，并且可以通过短信接收警报消息和其他功能。
关键词：
家居环境51单片机GSM
第一章绪论
引言
21世纪以来，中国经济发展迅速，生产能力显着提高，但生活环境遭到破坏，大气污染问题尤为严重。
特别是在过去的几年中，中国北方的许多大城市都受到烟雾的影响。
看了柴静的调查后：
在穹顶下，中国人意识到我国的烟雾形式有多严重，严重影响了人们的身体健康，引起了社会的持续关注。
居住环境中PM2.5值的上升导致近年来出现了许多空气净化系统，这表明空气质量对现在的人们非常重要。
经过不断的研究，人们对空气质量污染的成因和影响因素有了深刻的认识，解决空气污染的措施也在不断完善。
人们对室内和室外不同环境中的不同污染物以及检测系统之间的相互关系有一定的了解。
2019年，在我们的两次会议上，我们强调“生态发展，绿色优先”。
对于普通公众来说，接触最多的是客厅（住宅或室内）环境。
国内外许多高校，研究部门以及一些政府组织，私人组织，私人公司和其他机构已经投入了大量的人力，物力和财力来从事和支持家庭的研究与开发。
环境测试问题。
但是，关于中国家庭环境检测的研究相对较晚，还不完善。
但是，随着人们对家庭环境的认识越来越深，将更加关注家庭环境的健康。
为了使人们对室内环境的健康状况有更多的基于数据的了解，基于51单片机，以51单片机为设计对象，设计了一种家庭环境多参数检测系统。
通过连接各个模块来实现核心处理器以及温度，湿度和一氧化碳（CO）浓度，甲醛浓度，烟气浓度收集，显示和SMS警报的基本功能，具有成本低，性能强大，体积小等，并具有一定的市场应用价值。
国内外发展前景
近年来，气体传感器对甲醛的检测已成为甲醛检测研究的新热点。
早在1983年，压电甲醛传感器就已面市。
无需对样品进行任何处理即可测量该传感器，但是它很容易受到水分子的影响，并导致晶体振动频率漂移，因此基本上不实用。
为了满足现场快速检测室内空气中甲醛的要求，已经开发了许多快速甲醛分析仪。
这些仪器可以直接在现场测量甲醛浓度，操作方便。
适用于环境试验箱法测定木板中的甲醛释放量。
但是这些仪器的工作原理，响应性能和适应性不同。
在测试甲醛、苯等害气体方面，国外比较出名的有:
美国ESC公司生产的Z-300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400甲醛检测仪;国内的有:
江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪抑-308等。
最早的室外空气污染减少是在14世纪，以英国伦敦的烟雾法为代表。
随着社会的进步和经济的不断发展，我们也对环境造成了极大的伤害。
随着最近空气质量的不断恶化，最受关注的事情是保护环境并为我们创造蓝天。
居住环境中PM2.5值的上升导致近年来出现了许多空气净化系统，这表明空气质量对现在的人们非常重要。
经过不断的研究，人们对空气质量污染的成因和影响因素有了深刻的认识，解决空气污染的措施也在不断完善。
人们对室内和室外不同环境中的不同污染物以及检测系统之间的相互关系有一定的了解。
国外对环境改善处理技术的研究较早，并且正在朝着自动化的方向发展。
中国的环境监测技术起步较晚，仍然存在局限性。
国内市场上的室内环境监测仪器主要是有害气体检测，具有功能单一，价格昂贵的特点，因此有必要设计一种多功能，经济的室内环境监测系统。
第二章系统整体设计方案
2.1设计要求
用于家庭环境的多参数检测系统的总体设计基于在实现基本功能（例如收集，显示和报警湿度，烟雾，甲醛和一氧化碳）的前提下，同时还要考虑系统成本。
其中，51单片机用于收集CO传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、甲醛传感器数据，然后通过显示模块进行分析显示，并通过SMS实时向指定人员报警。
当51单片机采集的传感器数据超过阈值限制时，报警模块开始工作，可以通过按键模块调整阈值。
2.2系统组成
该系统使用一氧化碳传感器、温度和湿度传感器、烟雾传感器和甲醛传感器检测空气中的一氧化碳浓度、温度和湿度、烟雾浓度和甲醛浓度，并将它们转换为电信号。
数据信号被发送到单片机，单片机将接收到的信号与预设的阈值进行比较，确定空气中的一氧化碳和甲醛是否超过标准，温度和湿度是否合适，是否合适。
有燃烧的易燃物质或空气质量。
好与坏，并显示出空气中一氧化碳和甲醛的浓度，室内的温度和湿度以及烟雾的浓度。
该系统主要包括电源电路、一氧化碳检测部分、温湿度检测部分、烟雾浓度检测部分、甲醛浓度检测部分、模数转换部分、显示部分、通信模块、单片机最小系统等部分。
系统组成框图如图2.1所示：
图2.1总体设计框图
2.3系统工作原理
该系统使用MQ-7一氧化碳传感器检测一氧化碳浓度，DHT11温湿度传感器检测温度和湿度，MQ-2烟雾传感器检测烟雾浓度以及CJMCU-1100甲醛传感器检测甲醛浓度，并将其与预设阈值进行比较以确定警报，并通过SMS将警报信息发送给指定人员，并通过数字管显示检测到的一氧化碳浓度，温度和湿度，烟气浓度和甲醛浓度。
系统上电后，指示灯亮，等待60秒后进入工作状态，工作指示灯亮。
进入工作模式后，MQ-7一氧化碳传感器检测空气中的一氧化碳浓度，DHT11检测室内温度和湿度，MQ-2烟雾传感器检测空气中的烟雾浓度，CJMCU-1100甲醛传感器检测室内的甲醛浓度。
该信号由传感器的测量转换电路转换为数字信号，然后发送到单片机。
单片机用预设的阈值判断这些信号，以查看是否需要报警。
如果需要报警，控制电路将报警，并以短信形式将告警信息发送到预设的手机以接收短信；一直通过PCF8951AD模块将MQ-7，MQ-2，CJMCU-1100输出的模拟信号转换为数字信号并发送到微控制器，处理后，单片机显示室内一氧化碳浓度，温度LCD1602的湿度，烟气浓度和甲醛浓度。
每个参数的阈值可以根据需要自由设置。
第三章硬件电路设计
该检测系统的硬件主要分为以51单片机为核心的数据处理模块，一氧化碳气体浓度采集模块，温湿度采集模块，烟气浓度采集模块，甲醛气体采集模块，数据显示模块，按键模块，警报模块和通信模块。
3.1单片机最小系统
单片机是一种集成电路芯片，是一种大规模集成电路技术，集成了中央处理器CPU，随机存取存储器RAM，只读存储器ROM，各种I/O端口和中断系统，定时器/计数器等功能集成到一个小的硅芯片中构成了一个小而完美的微型计算机系统，广泛用于工业控制领域。
从1980年代开始，从当时的4位和8位单片机发展到目前的300M高速单片机。
根据性能，成本和其他考虑，在该系统中选择了STC12C5A60S2。
由于Proteus中没有这种1T模式芯片，因此无法对其进行仿真。
设计完成后，将进行物理调试。
STC12C5A60S2简介
STC12C5A60S2系列MCU是宏景科技生产的单时钟/机器周期（1T）MCU。
它是新一代8051单片机，具有高速/低功耗/超强抗干扰能力。
该指令代码与传统的8051完全兼容，但速度提高了8-12倍。
内部集成的MAX810专用复位电路，2个PWM，8个高速10位A/D转换，用于电机控制，强烈干扰的场合。
STC12C5A60S2是8051系列单片机，与普通51相比有以下特点：
（1）同样晶振的情况下，速度是普通51的8~12倍
（2）有8路10位AD
（3）多了两个定时器，带PWM功能
（4）有SPI接口
（5）有EEPROM
（6）有1K内部扩展RAM
（7）有WATCH_DOG
（8）多一个串口
（9）IO口可以定义，有四种状态
（10）中断优先级有四种状态可定义
图3.1STC12C5A60引脚图
优势
在众多51系列单片机中，计算国内STC的1T增强系列更具竞争力，因为它不仅与8051指令和引脚完全兼容，而且还具有大容量程序存储器和FLASH技术，芯片如STC12C5A60S2单芯片计算机带有多达60K的FLASHROM，此过程的存储用户可以通过电立即擦除和重写。
并且STC系列MCU支持串行端口编程。
显然，这种单片机对开发设备的要求非常低，并且开发时间也大大缩短。
也可以对单片机中编写的程序进行加密，从而保护您的劳动成果。
A/D转换器的结构
STC12C5A60AD/S2系列具有A/D转换功能的单片机的A/D转换端口位于端口P1。
有8个10位高速A/D转换器，速度可以达到250KHz（250,000次/秒）。
8通道电压输入类型A/D可用于温度检测，电池电压检测，按键扫描，频谱检测等。
上电复位后，P1端口是弱上拉IO端口。
用户可以通过软件设置将8个通道中的任何一个设置为A/D转换。
不需要用作A/D的端口可以继续用作IO端口。
单片机ADC由多路开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTER构成。
该单片机的ADC是逐次比较ADC。
初级和次级比较ADC由一个比较器和一个D/A转换器组成。
通过连续的比较逻辑,从最高位（MSB）开始，将每个输入电压与内置D/A转换器的输出顺序进行比较。
在第二次比较中，转换后的数字量被依次逼近到对应的数字量。
输入模拟量。
逐次比较型A/D转换器具有高速和低功耗的优点。
需作为AD使用的口先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为‘1’，将相应的口设置为模拟功能。
3.2电源电路
选用了DC插座直接供电和一个自锁开关（电源开关）。
DC插座简介
DC插座是与计算机显示器电源匹配的插座。
它由水平插座，垂直插座，绝缘底座，叉形接触弹簧和方向键槽组成。
两个叉形接触弹簧位于基座的中心，并且变为垂直和水平排列。
叉形触点圆顶的一端暴露在基础圆柱体的顶表面，用于连接到输入电源线或电缆。
叉形触点圆顶的另一端由两个弹性臂组成，该两个弹性臂通过基体互连并安装在DC插头上。
该弹性臂按一定方向插入绝缘基座的插座中，并用于计算机显示器以使其工作一般。
图3.2DC电源插口硬件图
图3.3DC电源插口内部透视图
DC插座封装种类
DC插座分为两种封装：
SMT贴片封装、DIP插件封装。
DC插座型号规格
DC电源插座中心针有：
0.5mm/0.7mm/1.0mm/1.1mm/1.3mm/1.65mm/2.0mm/2.5mm/3.0mm
DC插座应用
（1）影音产品：
MP3、MP4、DVD.音响；
（2）数码产品：
数码相机、数码摄像机等；
（3）遥控器：
车辆、点卷门、家庭防盗产品之遥控器；
（4）通讯产品：
手机、车载话机、电话机、楼宇设备、PDA等；
（5）家用电器：
电视机、微波炉、电饭煲、电风扇、电子人体秤、电子脂肪秤、电子厨房秤等；
（6）安防产品：
可视对讲机、监视器等；
（7）玩具：
电子玩具等；
（8）电脑产品：
摄像头、录音笔等；
（9）健身器材：
跑度机、按摩椅等；
（10）医疗器材：
血压计、体温计、医院呼叫系统等。
DC插座技术指标
接触电阻：
ContactResistance≤0.03mmΩ
额定负荷：
RatedLoad30VDC0.5A
绝缘电阻：
InsulationResistance≥100MΩ
插拔力：
InsertionandExtractionForce3N~30N
耐压：
WithstandVoltage500V，AC/min电器寿命：
Life5000次
温度范围：
Temperature-40~+70℃
3.3温湿度检测电路
温度和湿度检测传感器包括温度传感器，湿度传感器和温度和湿度检测传感器，从性能和成本方面，本设计中选择了DHT11温湿度传感器。
图3.4DHT11温湿度传感器电路
DHT11温湿度传感器简介
DHT11数字温度和湿度传感器是具有校准的数字信号输出的温度和湿度复合传感器，它采用特殊的数字模块采集技术和温湿度传感技术，以确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。
该传感器包括一个电阻式湿度感测元件和一个NTC温度测量元件，并与一个高性能的8位微控制器连接。
因此，该产品具有质量优良，响应速度快，抗干扰能力强，性价比极高的优点。
每个DHT11传感器均在极其精确的湿度校准室中进行校准，校准系数以程序的形式存储在OTP存储器中，并且在处理传感器内部的检测信号时调用这些校准系数。
单线串行接口使系统集成变得容易和快速，超小尺寸和极低的功耗使其成为要求苛刻的应用中此类应用的最佳选择，该产品采用4引脚单排引脚封装，方便连接。
下表为DHT11的详细信息:
表3.1DHT11详细信息
中文名
温湿度传感器
外文名
DHT11
供电电压
3.3-5.5VDC
输出
单总线数字信号
测量范围
湿度20-90%RH，温度0-50℃
测量精度
湿度+-5%RH，温度+-2℃
分辨率
湿度1%RH，温度1℃
互换性
可完全互换
长期稳定性
＜±1%RH/年
应用领域
（1）暖通空调测试及检测设备
（2）汽车数据记录器
（3）消费品自动控制
（4）气象站家电
（5）湿度调节器医疗
（6）除湿器
特性
（1）相对湿度和温度测量
（2）全部校准，数字输出
（3）卓越的长期稳定性
（4）无需额外部件
（5）超长的信号传输距离
（6）超低能耗
（7）4引脚安装
（8）完全互换
引脚说明
表3.2DHT11引脚
pin
名称
注释
1
VDD
供电3-5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极
注意事项
（1）避免结露情况下使用；
（2）长期保存条件下：
温度10-40℃，湿度60%以下；
3.4烟雾检测电路
从性能和成本方面，本设计中选择了MQ-2烟雾传感器。
MQ-2烟雾传感器简介
MQ-2常用于家庭和工厂的气体泄漏监测设备，并且适用于检测液化气，苯，烷烃，酒精，氢气，烟雾等。
因此，MQ-2可以准确地描述为多种-气体探测器。
MQ-2的检测范围非常广。
其优点：
灵敏度高，响应速度快，稳定性好，寿命长，驱动电路简单。
工作原理
MQ-2烟雾传感器属于二氧化锡半导体气体敏感材料，属于表面离子N型半导体。
在200至300摄氏度下，二氧化锡吸收空气中的氧气，形成负离子，吸收氧气，这会降低半导体中的电子密度，从而增加其电阻值。
与烟雾接触时，如果通过烟雾调节晶界处的势垒，则会导致表面电导率发生变化，使用这一点，您可以获得有关这种烟雾存在的信息。
烟雾浓度越大，电导率越大，输出电阻越低，输出模拟信号越大。
特性
（1）MQ-2传感器对烟雾（例如天然气和液化石油气）具有很高的灵敏度，并且对烷烃烟雾更敏感，它具有良好的抗干扰性，并且可以从刺激性的不可燃烟雾中准确地排除干扰信息。
（2）MQ-2传感器具有良好的重复性和长期稳定性。
初始稳定性，响应时间短，长时间的良好性能。
需要注意的是，使用前必须加热一段时间，否则输出电阻和电压会不准确。
（3）其检测可燃气体与烟雾的范围是100~10000ppm
（ppm为体积浓度。
1ppm=1立方厘米/1立方米）
（4）电路设计电压范围宽，24V以下均可，加热电压5±0.2V
注意：
如果加热电压过高，会导致输入电流过大，将内部的信号线熔断，从而器件报废。
图3.5MQ-2传感器电路
3.5CO检测电路
该系统的检测电路主要由MQ-7气体传感器组成。
MQ-7一氧化碳传感器简介
MQ-7气体传感器中使用的气体敏感材料是二氧化锡（SnO2），在清洁空气中导电率低。
高温和低温循环检测方法用于在低温（加热1.5V）下检测一氧化碳，传感器的电导率随着空气中一氧化碳气体的浓度而增加，高温（加热至5.0V）可清除低温下吸附的杂散气体。
使用简单的电路，电导率的变化可以转换为对应于气体浓度的输出信号。
MQ-7气体传感器对一氧化碳具有高灵敏度。
该传感器可以检测多种含一氧化碳的气体，并且是适用于多种应用的低成本传感器。
图3.6MQ-7元件外形结构
特点：
（1）具有信号输出指示。
（2）双路信号输出
（3）TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）
（4）模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。
（5）对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性。
（6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。
表3.3MQ-7技术指标
产品型号
MQ-7
产品类型
半导体气敏元件
标准封装
塑封
检测气体
一氧化碳
检测浓度
10-1000ppmCO
标准电路条件
回路电压
VC
≤10VDC
加热电压
V1
5.0V±0.1VAC/DC（高）
1.5V±0.1VAC/DC（低）
加热时间
TL
60+1S（高）90+1S（低）
负载电阻
RL
可调
标准测试条件下元件特性
加热电阻
R1
29+3OΩ（室温）
加热功耗
P1
≤900MW
输出电压
VS
2.5-4.3V（in100ppmCO）
灵敏度
S
RS（inair）/RS（in100ppmCO）≥5
标准测试条件
温度、湿度
20℃±2℃；55%±5%RH
标准测试电路
VC:
5.0V±0.1V；V1（高）：
5.0V±0.1V
V1（低）：
1.5V±0.1V
预热时间
不少于48小时
检测电路
MQ-7气体传感器是电阻型传感器，它将收集在空气中的CO气体转换为电阻转换。
所收集的信息被传送到STC12C5A60S2单片机，并且通过单片机的内部AD完成数模转换。
图3.7MQ-7原理图
3.6甲醛检测电路
从性能和成本方面，本设计选择了ZE08-CH2O电化学甲醛传感器模块。
图3.8甲醛模组原理图
ZE08-CH2O型电化学甲醛传感器模组简介
ZE08-CH2O电化学甲醛传感器模块是通用的小型化模块。
使用电化学原理检测空气中的CH2O具有良好的选择性和稳定性。
内置温度传感器进行温度补偿；还具有数字输出和模拟电压输出，易于使用。
ZE08-CH2O甲醛传感器模块是通过将成熟的电化学检测技术与复杂的电路设计紧密结合而设计和制造的通用气体模块。
传感器特点
（1）高灵敏度、高分辨率、低功耗、使用寿命长
（2）提供UART、模拟电压信号、PWM波形等多种输出方式
（3）高稳定性、优秀的抗干扰能力、温度补偿、卓越的线性输出
主要应用
ZE08-CH2O甲醛传感器模块广泛应用于便携式仪器，空气质量监测设备，空气净化器，新鲜空气通风系统，空调，智能家居设备等场所。
技术指标
表3.4ZE08-CH2O技术指标
产品型号
ZE08-CH2O甲醛传感器模组
检测气体
甲醛
干扰气体
酒精，一氧化碳等气体
输出数据
DAC（0.4～2V标准电压信号对应浓度：
0-满量程）
UART输出（3V电平）
工作电压
3.7V～5.5V
预热时间
≤3分钟
响应时间
≤60秒
恢复时间
≤60秒
量程
0～5ppm
分辨率
≤0.01ppm
工作温度
-20℃～50℃
工作湿度
15%RH-90％RH（无凝结）
存储温度
0～25℃
使用寿命
5年（空气中18℃~25℃）
3.7GSM通讯电路
通信模块使用SIM800C，有些人使用SIM900A或NBIOT等模块进行类似的开发。
SIM800C的工作频率为GSM/GPRS，可实现低功耗语音，数据和信息的传输，尺寸小，价格相对较低。
通过AT命令控制操作，建立与远程服务器的TCP连接，通过MCU实现对SIM800C的控制，并实现对设备的远程监控。
缺点是信号强度相对较弱，初始连接时间较长，数据经常被延迟，但是其成本低，相对可靠，开发难度小。
SIM800C简介
SIM800C是一个四频GSM/GPRS模块，封装在城堡洞中。
它具有性能稳定，外观紧凑，性价比高等特点，可以满足客户的各种需求。
SIM800C的工作频率为GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以实现低功耗的语音，短信和数据信息的传输。
SIM800C的尺寸为17.6*15.7*2.3mm，可适用于各种紧凑型产品设计要求。
模块功能
（1）TCP/IP：
可以低功耗实现语音、SMS和数据信息的传输。
这也是最常使用的功能。
（2）Telephone：
可拨打和接听电话，用于报警及监听。
（3）SMS：
可发送和接收短信，分为两种：
中英文短信和彩信。
用于短信报警，监控以及远程控制。
（4）Bluetooth：
与其它设备进行蓝牙通信。
（5）FTP：
文件传输协议，用于固件升级等。
（6）HTTP：
超文本传输协议，与WEB服务器通信进行数据交互。
（7）DTMF：
通话时，监测对方的按键输入，进行按键控制。
图3.9SIM800C模块原理图
3.8显示电路
从性能、成本等方面考虑，本设计里选用了LCD1602液晶显示器。
LCD1602液晶显示器简介
LCD1602液晶显示器是字符液晶显示模块，被广泛使用。
它由字符液晶显示器（LCD），主控制电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100以及组装在PCB上的少量电阻器，电容器和其他结构组件组成。
不同制造商生产的LCD1602芯片可能有所不同，但使用方法相同。
为了降低成本，大多数制造商直接将裸芯片放在板上。
在单片机系统应用液晶显示器有以下几个优点
（1）显示质量高且不会闪烁；
（2）数字式接口；
（3）体积小，重量轻；
（4）功耗低
外形
LCD1602字符型液晶显示器实物外形如图3.10所示。
图3.10LCD1602字符型液晶显示器实物图
LCD1602字符型液晶显示器的基本参数和引脚功能
LCD1602分为有背光和无背光两种，其大多数控制器为HD44780。
背光比没有背光的背光要厚，在实际应用中，是否带背光没有区别。
具体的识别方法请参考图3.11所示的设备尺寸图。
图3.11LCD1602液晶显示器尺寸图（单位：
mm）
技术参数
（1）显示容量：
16×2个字符。
（2）芯片工作电压：
4.5~5.5V。
（3）工作电流：
2.0mA（5.0V）。
（4）模块最佳的工作电压：
5.0V。
（5）字符尺寸：
2.95mm×4.35mm（宽×高）。
图3.12LCD1602硬件原理图
3.9复位电路
复位电路是用于将电路恢复到初始状态的电路装置，其工作原理与计算器相似，但启动原理和方法不同。
复位电路就是用它来将电路恢复到初始状态。
就像计算器的重置按钮
升级会员 