基于单片机的室内环境监测仪的设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的室内环境监测仪的设计毕业设计论文
基于单片机的室内环境监测仪的设计毕业设计论文
目 录
前 言
随着微电子技术的发展，传感器的性能和种类的不断提高和丰富，使得基于微电脑芯片控制的室内环境实时分析监测系统成为可能。
该设计通过传感器引入数字化的环境信息，通过微电脑的数据分析，如加上控制系统与室内空调、加湿器、照明系统和电动窗帘门窗系统等家居电器配合使用，不仅能给人们带来舒适的生活环境，还能最大程度的节约能源使用。
显然在节能减排深入人心，建筑节能和智能化发展得到大力提倡的今天，其不仅能为人们的生活带来便利，更符合可持续发展理念，无论是经济学角度还是社会学角度来看，设计和研究基于数字化的室内环境监测系统辅助家居智能化和节能环保的设备有着重要的现实意义和经济价值。
该设计基于上述情况出发，应用8051系列单片机丰富的I/O接口和对数据的采集、处理功能，实现传感器由物理变量到数字化转变，输入到单片机通过微处理器的分析处理给出相应的结果，输出到显示电路。
通过七段码LED显示器或者液晶显示设备显示实时的各环境参数的数值，使人们能及时了解各环境参数的情况，并在环境参数变到危害到正常的生理需要的时候给予报警电路报警信号，及时的通知人们离开或加以相应的处理，使得宜于居住。
由于相关家居智能化设备的不确定性，这里就不做相应的控制算法的研究和处理，仅把相关参数储存在相应位置或者输出到某个I/O口，供其它相关设备读取数据。
伴随着人们生活水平的不断提高，越来越多的人们更加关注居住生活环境的质量安全（主要包括温度，湿度，有害气体浓度等）问题，所以对室内环境做实时监测和数据分析显得尤为必要。
第1章室内环境的监控系统
1.1课题涵义
近来环境问题特别是有害气体对人类的危害也越来越来引起人们的关注，而其中对有害气体的浓度检测是解决问题的关键对于大量使用以天然气和甲烷气体作为家庭燃料气体的用户来说，选择安装一款简易、可靠和便携的气体浓度检测装置也是很重要的，这样不仅可以避免气体泄露，也可以保证人员和财产的安全。
基于微电脑芯片控制的室内环境实时分析监测系统成通过传感器引入数字化的环境信息，通过微电脑的数据分析，如加上控制系统与室内空调、加湿器、照明系统、和电动窗帘门窗系统等家居电器配合使用，不仅能给人们带来舒适的生活环境，还能最大程度的节约能源使用。
显然在节能减排深入人心，建筑节能和智能化发展得到大力提倡的今天，其不仅能为人们的生活带来便利，更符合可持续发展理念,无论是经济学角度还是社会学角度来看，设计和研究基于数字化的室内环境监测系统辅助家居智能化和节能环保的设备有着重要的现实意义和经济价值。
系统少做程序设计部分的调整，就能实现对二氧化碳的浓度显示,加上温度和湿度显示的功能，就能用于温室大棚环境监测，利于及时发现和改变温室内环境参数，为作物提供最佳的生成环境，提高产量。
1.2方案设计
设计原则:
要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。
（1）可靠性
高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应将可靠性作为首要的设计准则。
提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑:
使用可靠性高的元器件;设计电路板时布线和接地要合理;对供电电源采用抗干扰措施;输入输出通道抗干扰措施;进行软硬件滤；系统自诊断功能等。
（2）操作维护方便
在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。
因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。
同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。
（3）性价比
单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。
一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。
因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功能等。
设计要具备以下功能：
温度监控：
（1）利用温度传感器将检测到的数据传给单片机并显示。
（2）通过键盘设置温度上下限，超过上限或低于下限后报警。
湿度监测：
利用湿度传感器将检测到的数据传给单片机并显示。
CO浓度监控：
（1）利用气敏传感器检测CO浓度传给单片机。
（2）通过键盘设置浓度上限，超过上限后报警。
1.2.1硬件设计
在室内环境监测硬件设计上，由单片机（STC89C52）控制整个系统的运作、MQ211气敏传感器模块实现监测室内可燃气体功能、SHT11温湿度传感器模块实现检测室内的温度和湿度功能、按键模块实现设置报警上限功能、LCD液晶模块实现显示功能、蜂鸣器报警功能。
这六大模块组成的原理图来实现家庭环境检测系统的各项功能。
在该设计中，选用了AT89C52单片机作为控制芯片。
该芯片有丰富的内部资源，丰富的I/O接口，低电压，低功耗等优点；并且内置看门狗电路，支持串口程序烧录，使用方便快捷，可以进行C语言编写程序，易于实现。
温湿度测量方面选用瑞士SHT11芯片，该芯片内置A/D转换芯片，管脚接线简单，测量精度高等优点，气敏传感器使用多气体测量传感器MQ211,其具有多种可燃气体的测试功能，简单高效。
A/D转换模块选用ADC0831，具有接口电路简单，成本低等优点，能够满足该设计的设计，该芯片为一路八位数转换芯片需求。
环境监测系统硬件结模构图如图1-1：
图1-1系统硬件结构图
与传统监测系统相比，本系统具有以下优点:
（1）传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度。
（2）增加了辅助存储功能，利于其与其他设备的连接共享环境参数信息。
（3）单片机的设计提高了系统的监测速度，系统的可靠性、实时性都有很大提高。
（4）超限报警，设置简单。
1.2.2软件设计
在上述硬件基础之上，编写系统程序，实现以下几项功能：
（1）通电时蜂鸣器响一声，LCD液晶显示室内温度、湿度、可燃气体浓度状态。
（2）当室内温度大于设定的温度、湿度（例如温度28度、湿度80%）、检测到可燃气体超标时，蜂鸣器报警。
（3）当第一次按设置按键：
温度值闪烁，这时可以通过按“+”或者“-”按键设定温度上限值，4秒钟无键按下停止闪烁，按“+”或“-”设置温度下限值；第二次按设置按键：
湿度值闪烁，这时可以通过按“+”或者“-”设置湿度上限值，4秒钟无键按下停止闪烁，按“+”或“-”设置湿度下限值；第三次按设置按键，退出设置状态。
第2章硬件电路设计
2.1CPU模块
在该室内环境监测系统中选用STC89C52单片机作为主控芯片，实现系统设计要求的各项功能。
在该设计中其为系统的核心部分，STC系列单片机是基于AT89C51系列单片机内核位核心单元，封装时加入了看门狗电路和串口程序烧录的功能，使用更加方便。
2.1.1芯片管脚连接
在该设计电路中，用单片机I/O口中的P1口作为LCD液晶屏的数据口，采用并口数据传输模式，P2口中的P2.0、P2.1、P2.2作为控制信号输出口，分别接LCD的RS、R/W、E控制端；P2.3和P2.4分别接温湿度传感器SHT11的SCK和DATA，P2.5、P2.6、P2.7接按键电路。
P1口的P1.0、P1.1、P1.2分别接ADC0831的控制端，P1.4接报警的蜂鸣器。
2.1.2芯片管脚说明
单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位双向口，共占32根引脚。
每个端口都包括一个锁存器（即专用寄存器PO～P3）、一个输入驱动器和输入缓冲器。
通常把4个端口称为PO～P3,见图2-1。
在无片外扩展的存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/O端口使用。
在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，PO口分时作为低8位地址线和双向数据总线。
在作为一般的通用I/O输入时，都必须先向锁存器写入“1”，使输出驱动场效应管FET截止，以免误读数据。
各自特点如下:
1.P0口为双向8位三态I/O口，它既可作为通用I/O口，又可作为外部扩展时的数据总线及低8位地址总线的分时复用口。
作为通用I/O口时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器;输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。
每个引脚可驱动8个TTL负载。
2.P1口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，一般作通用I/O口使用，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线，作为输入时，锁存器必须置1。
每个引脚可驱动4个TTL负载。
3.P2口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可直接连接外部I/O设备。
它与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。
一般作为外部扩展时的高8位地址总线使用。
4.P3口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，它是双功能复用口，每个引脚可驱动4个TTL负载。
作为通用I/O口时，功能与Pl口相同，常用第二功能。
控制线一共有6条:
（1）ALE/PROG:
地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。
在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7～P0.0引脚上输出片外存储器低8位地址的同时在ALE/PROG上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7～P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。
在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/PROG上输出频率为fosc/6的脉冲序列。
该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。
（2）EA/Vpp:
允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制89c52使用片内ROM还是使用片外ROM。
若EA=1，则允许使用片内ROM;若EA=0,则允许使用片外ROM。
图2-1STC89C52管脚分布图
2.1.3晶振和复位电路
时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准。
复位对单片机来说，是程序还没有开始执行，是在做准备工作。
晶振电路和复位电路见图2-2
图2-2晶振和复位电路
2.2气体传感器与模数转换模块
在该设计中，为了实现家庭环境检测系统中可以检测到室内的可燃气体，所以使用了MQ211气敏传感器来实现这个功能。
1.检测原理
可燃性气体（H2、CO、CH4等）与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热（无焰接触燃烧热），使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。
一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高（低于10％），可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。
空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应（燃烧）产生的反应热量（燃烧热）愈多，铂丝的温度变化（增高）愈大，其电阻值增加的就越多。
因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值（ΔR），就可检测空气中可燃性气体的浓度。
但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。
这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。
2.接触燃烧式气敏元件的结构
用高纯的铂丝绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值（1Ω～2Ω）,一般应绕10圈以上。
在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。
将烧结后的小球,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。
然后经过高温热处理,使在氧化铝（氧化铝一氧化硅）载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。
除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用。
另外，作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。
并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,形成触媒层而已。
2.2.1气敏传感器的特点和使用
1.MQ211型气敏元件特点：
这是一种通用性较强的气敏元件，气敏传感器的敏感元件是气敏电阻器，气敏电阻器的阻值随吸附气体的浓度变化而变化，利用这一特性检测气体浓度。
适用于一般可燃气体（如氢气、液化石油气、煤气、一氧化碳、烷烃类等及酒精、乙醚、汽油、烟雾等有害气体的检测，是制作换气扇、脱排油烟机自动开关、气体报警器，防止环境污染的理想气体敏感器件）。
MQ211气敏传感器管脚排列如图2-6所示：
AB
FF
AB
图2-6MQ211管脚分布图
A—A两脚短接，构成测量极一端。
B—B两脚短接，构成测量极另一端。
f—f加热丝。
2.MQ型气敏器件的使用注意事项如下：
（1）器件开始工作时需加热几分钟后方可正常工作。
（2）加热电压5V是对丁烷气选择的最佳加热电压，测量其他气体时，为获得R2上最大电压降，可按允许工作条件重新选择。
（3）回路电压根据电路要求允许范围办任意调节。
（4）避免油浸各油垢污染，长期使用要防止灰尘堵住不锈钢网。
（5）不要长期在腐蚀性气氛下工作。
（6）长期停止使用要放置在干燥无腐蚀性气体的环境中。
3.MQ211型气敏元件技术参数如表2-4：
表2-4MQ211型气敏元件技术参数
注:
1）R0——元件在清洁空气中的阻值；
2）Rs1000——元件在1000ppm丁烷气中的动态阻值；
3）Rs3000——元件在3000ppm丁烷气中的动态阻值；
4）Vc——测试电压，Vh——加热电压
在该设计中选用B型传感器。
2.2.2气敏传感器的连接
气敏传感器的连接方法如图2-7所示，MQ211气敏传感器的1号脚接5V电源，3号脚经R12（起分压作用）接地线。
6号脚经R13电阻接到ADC0831的数据采集端VIN（+）上，该脚具备ADC功能。
R14电阻起到分压作用。
A—A两脚短接，构成测量极一端
B—B两脚短接，构成测量极另一端
f—f加热
图2-7气敏传感器的连接
2.3温度湿度传感器模块设计
2.3.1SHT11温湿度简介
SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。
该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。
共主要特点如下：
◆高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；
◆提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；
◆测量精度可编程调节，内置A/D转换器（分辨率为8～12位，可以通过对芯片内部寄存器编程来选择）；
◆测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；
◆封装尺寸超小（7.62mm×5.08mm×2.5mm），测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；
◆高可靠性，采用CMOSens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。
2.3.2SHT11的引脚功能
SHT11温湿度传感器采用SMD（LCC）表面贴片封装形式，接口非常简单
引脚名称及排列顺序如图2-3所示：
DATANC
SCKNC
VDDNC
图2-3SHT11引脚
◆脚1和脚4--信号地和电源，其工作电压范围是2.4～5.5V；
◆脚2和脚3--二线串行数字接口，其中DATA为数据线，SCK为时钟线；
◆脚5～8--未连接。
2.3.3SHT11的内部结构和工作原理
传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图2-4所示。
该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。
这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的A/D转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。
SHT11在出厂前，都会在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。
此外，SHT11内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将SHT11的温度升高5℃左右，同时功耗也会有所增加。
此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。
在高湿（>95％RH）环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。
加热后SHT11温度升高,相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。
图2-4温湿度传感器内部结构
微处理器是通过二线串行数字接口与SHT11进行通信的。
通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。
微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的，命令代码的含义如表2-1所列
表2-1温湿度传感器指令代码
2.3.4SHT11应用与连接电路
微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11进行通信，所以硬件接门设计非常简单；然而，通信协议是芯片厂家自己定义的，所以在软件设计中，需要用微处理器通用I/O口模拟通信协议。
需要注意的地方是：
DATA数据线需要外接上拉电阻，时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求；当工作电压高于4.5V时，SCK频率最高为10MHz，而当工作电压低于4.5V时，SCK最高频率则为1MHz。
硬件连接如图2-5所示
图2-5温湿度传感器电路
2.3.5温度和湿度值的计算
1.湿度线性补偿和温度补偿
SHT11可通过DATA数据总线直接输出数字量湿度值。
该湿度值称为相对湿度，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。
由于相对湿度数字输出特性呈一定的非线性，因此为了补偿湿度传感器的非线性，可按下式修正湿度值：
式中：
RHlinear为经过线性补偿后的湿度值，SORH为相对湿度测量值，C1、C2、C3为线性补偿系数，取值如表2-2所列。
由于温度对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度25℃有所不同，所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。
补偿公式如下：
（1-1）
表2-2度线性补偿系数
12位
-4
0.0405
-2.8×
8位
-4
0.6480
-2.8×
2.温度值输出
由于SHT11是采用PTAT能隙材料制成的温度敏感元件，因而具有很好的线性输出。
实际温度值可由下式算得：
Temperature=d1+d2×SOT（1-2）
式中：
d1和d2为特定系数，d1的取值与SHT11工作电压有关，d2的取值则与SHT11内部A/D转换器采用的分辨率有关，其对应关系分别如表2-3所列。
表2-3D1与工作电压的对于关系
Vd0/V
D1/۫C
D1/۫F
5
40
-40
4
-39.75
-39.5
3.5
-39.65
-39.35
3
39.6
39.28
2.5
39.55
39.23
2.4LCD显示模块设计
在该设计中,LCD要显示温度、湿度、可燃气体是否超标的功能。
所以使用了一块行列点阵数为128*64,每行可以显示8个字符，共显示2行字的LCD。
该LCD的型号为ST7920系列。
2.4.1LCD特点
1.LCD工作条件：
（1）逻辑工作电压（VDD）：
4.5～5.5V
（2）电源地（GND）：
0V
（3）工作温度（Ta）：
0～60℃（常温）
2.外形尺寸如表2-5：
表2-5外形尺寸
3.ST7920系列产品硬件特性如下：
（1）提供8位，4位并行接口及串行接口可选
（2）并行接口适配M6800时序
（3）自动电源启动复位功能
（4）内部自建振荡源
（5）64*16位半宽字符显示最多16字符*4行，LCD显示范围（16*2行）
（6）2M位中文字型ROM（CGROM），总共8192个中文字型（16*16点阵）
（7）16K位半宽字型ROM（HCGROM），总共126个西文字型（16*8点阵）
（8）64*16位字符产生（CGROM）
（9）15*16位总共240点的ICONRAM（ICONRAM）
4.中文字库选择：
ST7920—0A内建BIG—5码繁体中文字型库
ST7920—0B内建GB码简体中文字型库
5.电气特性：
（测试条件Ta=25,Vdd=5.0+10%）
（1）输入高电平（Vih）：
0.7Vdd～Vdd
（2）输入低电平（Vil）：
0.6Vmax
（3）输出高电平（Voh）：
0.8Vdd～Vdd
（4）输出低电平（Vol）：
0.4Vmax
（5）模块工作电流：
1.14～1.18mA（不含背光）
（6）测白光工作电流：
——
6.PSB电路：
PSB接高时选择并口，接低时选项择串口。
模块上一般都有跳线方式将PSB接高或接低，用户可以不处理PSB脚也可以选择不在模块上处理，而由客户自己选择并口还是串口。
2.4.2LCD的管脚
管脚名称和功能如表2-6：
表2-6管脚名称和功能
2.4.3LCD的连接电路
当LCD选择并口时，要把8个数据送到芯片，而LCD选择串口时，只需要把3个数据送到芯片。
由于芯片的管脚丰富够用，所以LCD的连接方式选择并口。
LCD的连接方法如图2-8所示，LCD的1号管脚接地线，2号和3号管脚接5V电源，4号管脚RS接STC89C52的P2.0上。
5号管脚R/W接STC89C52的管脚P2.1上。
6号管脚E接STC89C52的管脚P2.2上
图2-8LCD连接电路
注:
VSS是电源引脚;VDD是地引脚;VEE是显示偏压信号引脚,若对显示效果无特殊要求可将其接地;RS为数据/命令选择输入端;RW为读写选择端;E为使能信号,高电平有效;D0～D7为数据线。
2.5按键电路块
图2-9是按键输入的典型电路，按键S1、S2、S3断开时，端口P2.5、P2.6、P2.7上的信号为高电平，按键S1、S2、S3合上时，端口P2.5、P2.6、P2.7上的信号为低电平。
电阻起到分压、限流作用。
当按键电路设计成这种硬件连接时，按键可以采用中断的形式进行读取，也可以采用循环扫描的形式读取，为程序的编写提供了选择的余地。
图2-9按键电路
2.6报警电路模块设计
如图2-10，在本系统中，采用P1.4口为报警电路输出口，当有报警信号时，蜂鸣器鸣叫，提醒安全指标超标或不正常，须采取安全措施改变室内环境质量，如配合智能建筑系统，可实现自动化无人操作，方便又安全。
图2-10报警电路
第3章软件设计
3.1软件系统设计
系统的软件设计采用C语言编程,软件结构为模块化结构,由主程序、自检程序、SHT11数据采集与处理程序、ADC0831数据采集处理程序、报警控制程序及显示程序等模块组成,其软件模块结构如图3-1所示。
图3-1软件结构方框图
主控程序完成对各程序模块的控制和协调。
自检程序对温湿度传感器、ADC模数转化、LCD显示、键盘及工作状态进行自检。
数据采集程序完成对各路传感信号的数据采集,每隔4秒调用数据采样子程序对气体进行一次信号采样。
报警控制程序完成气体浓度超标时或者温湿度超出设置的范围时的声光报警、气体浓度和温湿度恢复正常时,取消报警。
显示程序根据数据处理结果,将实测气体值、温度、湿度值和位置代码分别送到相应的显示位置进行循环显示。
3.2主程序设计
Y
N
N
Y
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