精品基于单片机的环境安全系统的设计毕业论文设计.docx

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精品基于单片机的环境安全系统的设计毕业论文设计

编号

毕业设计（论文）

题目基于单片机的环境安全

检测系统的设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

附录1环境安全检测系统原理总图42

附录2环境安全检测系统设计源程序43

摘要

环境安全检测系统是对环境中的温度、湿度、烟雾、可燃气体和有毒气体进行检测的装置，该系统能显示当前环境中的温度和湿度值，并当环境中的温度超过设定限值和环境中有烟雾、有毒气体或可燃气体出现时，系统将进行声光报警。

本系统能使人们及时的得知环境中情况，并判断出环境中有对人们的人身财产造成威胁的因素，提早做出预防。

本文首先介绍了环境安全检测系统要实现的目标及研究的主要内容，分析系统的总体方案和系统框图，对系统所需的主要器件和传感器做了具体详细的阐述，接着介绍了各个模块硬件电路的设计，最后介绍了系统的软件设计和调试。

本文从环境安全检测系统功能要求出发，采用模块化设计方法，通过模块方案的论证，使系统的设计更加合理。

本设计以单片机（AT89S52）为核心，配合温度传感器（DS18B20）、湿度传感器（HS1101）和两个气体传感器（MQ-2和MQ-5），以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度、湿度、烟雾、可燃气体和有毒气体信号，检测人员可以通过液晶显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。

所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现，温度传感器得到的测量信号，直接送到单片机进行数据处理，经软件分析处理后送显示装置。

而湿度传感器要置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，才可直接被计算机所采集。

两个气体传感器得到的测量信号要经过A\D转换器TLC2543后才能送到单片机进行数据处理。

整个检测系统是在程序控制下工作的，本系统在KEIL公司研发的keilµVision4下用C语言编写了所有的程序。

在本文最后，对本次设计做了总结，提出了本次设计的一些不足，并给出了一些改进措施。

关键词：

环境安全；单片机；温度传感器；湿度传感器；气体传感器

Abstract

Environmentalsafetydetectionsystemisthedeviceswhichcandetectintheenvironmentoftemperature,humidity,smoke,flammablegasandtoxicgas,thesystemcandisplay​​thecurrentenvironmentofthetemperatureandhumidityvalues,andwhentheenvironmenttemperatureexceedsthesetlimitsandsmoke,toxicgasesorcombustiblegasarediscoveredintheenvironment,thesystemwillbesoundandlightalarm.Thissystemcanmakepeopleknowtimelysituationoftheenvironmentanddeterminefactorsintheenvironmentalthatcanposeathreattopeople'spersonalandpropertyandtopreventearly.

Thispaperfirstintroducestheenvironmentalsafetydetectionsystemtoachievetheobjectivesandthemaincontentoftheexamination,analysisthesystemoftheoverallprogramandsystemblockdiagram,elaboratesthesystemrequirementsforthemajordevicesandsensorsspecificallyandindetail,thenthedesignofthevariousmodulesofhardwarecircuit,thefinalintroducedthesystemofsoftwaredesignanddebugging.

Thispaper,fromrequirementsofenvironmentalsafetytestingsystemfunctionality,adoptedapproachofmodulardesign,demonstrationbymoduleprogram,andmakethedesignofthesystemmorereasonable.Thedesignofthecoreisthemicrocontroller（AT89S52）withtemperaturesensor（DS18B20）,humiditysensor（HS1101）,twogassensors（MQ-2andMQ-5）andrelatedperipheralcircuitsconstitutedthedetectionsystems.Thatcanreceivemeasuredsignalofenvironmentaltemperature,humidity,smoke,combustiblegasesandtoxicgases.InspectorsthroughtheLCDdatareal-timemonitoringtemperatureandhumidityoftheenvironment.Allthemeasurementoperationachievedbythehostcontrolsoftware,themeasurementsignalofthetemperaturesensorcandirectlysendtothemicrocontrollerfordataprocessing.Thedataadoptsanalysisandhandlebysoftware,andthensendstoevacuationsdisplaydevice.Buthumiditysensorsmustbeplacedina555oscillatorcircuit,transformthecapacitancechangesintothevoltage-frequencysignalsinordertosignalscanbedirectlyacquiredbythemicrocontroller.TwogassensorsmeasuredthesignalthatmustgothroughA\DconverterTLC2543tosendtothemicrocontrollerfordataprocessing.Thewholedetectionsystemisinprocesscontrol,thissystemwrotealltheproceduresbyClanguageunderthekeilμVision4whichdevelopedbyKEILcompany.

Attheendofthisarticle,itmakesasummaryforthedesign,proposedanumberofshortcomingsinthedesignandproposedsomeimprovements.

Keywords:

Environmentalsafety;Microcontroller;TemperatureSensor;HumiditySensor;GasSensors

1绪论

环境安全是关系到地球上一切生物的生存与可持续发展、一个国家的稳定与发展及世界和平与安定的根本问题，是当前环境科学与人文社会科学研究的热点。

环境安全检测系统作为现代重要的环境安全设施，受到日益推广与普及，致使相关的生产厂也如雨后春笋般涌现，境外产品也大量进入，但是此类产品无法兼容与互换，施工单位如不能形成一套行之有效的工法，这样不仅加大工程投入，同时会因为忽视了有关要点使工程留下或多或少的缺点、进而导致维护工作量的增加，甚至缩短了系统使用寿命。

因此对环境安全检测系统的设计要求很高。

1.1本课题要实现的目标及研究的主要内容

1.1.1研究的目标

根据课题要求，本文研究的环境安全检测系统主要实现以下功能：

能够检测室内的温湿度、烟雾浓度、有毒气体、可燃气体等参数，当温度超过指标或者检测到有有毒气体、可燃气体和烟雾时能够声光报警。

1.1.2研究的主要内容及简要分析

本课题研究的主要内容是基于图1.1的所示的完整的系统主要模块结构图，下面简要说明各个模块的功能。

图1.1环境安全检测系统主要模块结构图

数据采集模块：

采集环境中的温度、湿度、烟雾浓度、有毒气体、可燃气体等参数的数据。

数据处理模块：

对采集到数据进行分析处理，是该系统的核心部分。

数据存储模块：

按照规定的格式准确地存储相应的数据，需要达到相应的数据安全的要求。

液晶显示模块：

将采集来的数据处理后按要求显示。

报警模块：

当采集来的数据经处理和存储后发现超出限定值时，就会报警。

2系统总体设计

2.1系统设计原则

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，都应该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；进行软硬件滤波；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。

2.2系统总方案的选定

2.2.1主控制器方案的选型

1、单片机的选择

单片机是系统的控制核心，所以单片机的性能关系到整个系统的好坏。

因此单片机的选择，对所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响。

单片机种类很多，在众多51系列单片机中，较为常用的是ATMEL公司的AT89C51和AT89S52单片机，AT89C51片内4K，ROM是Flash工艺的，使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进行电擦除和改写，片内有128字节的RAM。

而AT89S52含有在系统可编程的Flash存储器，片内有8K闪存，RAM的容量也较AT89C51大，为256字节。

显然这种单片机优点更多，开发时间也大为缩短。

因此，在本次设计中选用了ATMEL公司的AT89S52单片机。

2、温度传感器选用

随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。

这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。

在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：

外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用MCU的I/O

引脚数情况如何，因为MCU的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。

目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Philips公司的I2C总线、Motorola公司的SPI总线、NationalSemiconductor公司的Microwireplus总线、DallasSemiconductor公司的1-Wire总线和Siemens公司的Profibus总线等。

常用的数字温度传感器主要有：

（1）AD7418是美国模拟器件公司（ADI）推出的单片温度测量与控制用集成电其内部包含有带隙温度传感器和10位A/D转换器。

测温范围为-55℃~+125℃，具有10位数字输出温度值，分辨率为0.25℃，精度为±2℃，转换时间为15~30ms。

具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境干扰等优点。

AD7418可以级联至多8片在同一个I2C总线上。

（2）LM74是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、A/D数转换器，并具有SPI/Microwire兼容总线接口的数字温度传感器。

具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。

在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。

LM74具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10μA,适用于对功率消耗有严格限制的系统。

LM74的模数转换器为12位外加符号位，因此在其有效工作范围内可达0.0625℃的分辨率，转换时间为425ms。

（3）MAX6575L/H是美国MAXIM公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。

测温范围为-40~+125℃，其误差范围：

在25℃时优于±3℃在85℃时优于±4.5℃，在125℃时优于±5℃。

但是MAX6575L/H在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。

它最多允许在一根MCU的I/O总线上同时挂接8个MAX6575L/H进行多点温度测量。

为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象MAX6575提供了“L”和“H”两种型号的传感器,它们的使用方法相同,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。

但是，MAX6575L的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在5m以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。

（4）DS18B20是美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。

DS18B20的测温范围-55~+125℃，最高分辨率可达0.0625℃，由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。

Dallas公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：

（1）适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；

（2）性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；

（3）具有CRC校验功能，可靠性高；

（4）软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。

由于DS18B20独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占MCU的I/O引脚资源少，MCU的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用DS18B20作为温度测量的传感器。

3、湿度传感器的选用

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。

选择集成湿度传感器应考虑以下几点：

感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围宽，要有较好的一致性、可重复性，线性度要好、湿滞小，较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司HS1101、HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。

这些产品可分成以下三种类型：

（1）线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。

其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

（2）线性频率输出集成湿度传感器典型产品为HF3223型。

它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。

这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

（3）频率/温度输出式集成湿度传感器典型产品为HTF3223型。

它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。

当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。

常用的集成湿度传感器主要有：

（1）HIH-3610是美国Honeywell公司生产的具有信号处理功能的热固聚酯电容式相对湿度传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、油、及一些化学品。

工作范围：

温度-40~+85℃，相对湿度0~100%RH，精度达到±2%RH，激光修正互换性至5%RH，低功耗驱动电流设计为200μA，反应时间为15s，稳定性好、较低的漂移、抗化学腐蚀性能强。

（2）HF3223湿度传感器是法国Humirel公司生产的专利的固态聚合物结构相对湿度传感器，具有线性的频率输出，湿度测量范围10~95%RH，精度±5%RH，湿度迟±1.5%RH，温度工作范围-30~+80℃，温度特性好，高可靠性与长时间稳定性，在长时间处于饱和状态后快速脱湿，反应时间10s，对化学品有较高的抵抗性，浸水没有影响。

（3）HS1101湿度传感器是法国Humirel公司制造的电容式相对湿度传感器。

带防护棒式封装，5VDC恒压供电，1~4VDC放大线性电压输出，便于用户使用。

湿度测试量程为0~100%RH，精度达±3%RH（10~95%RH范围），防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质，非常低的温度依赖性，长期稳定性好，反映时间5s，广泛应用于机房监控，智能楼宇，仓库监控等控制场合，价格实惠，是一款性价比极高的湿度传感器。

电容式温度传感器HS1101，采用创新技术、稳定性好、精度高、外带防护罩，抗静电、防灰尘、并可抵抗氯气、氨水等，基于独特的电容元件，专利的固态聚合物结构。

故选用HS1101。

4、气体传感器的选用

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。

探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。

气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置！

气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这种归类不一定科学。

目前流行于市场气体传感器大约有如下一些种类：

（1）催化燃烧式气体传感器

　　这种传感器是白金电阻表面制备耐高温催化剂层，一定温度下，可燃性气体其表面催化燃烧，燃烧是白金电阻温度升高，电阻变化，变化值是可燃性气体浓度函数。

催化燃烧式气体传感器选择性检测可燃性气体：

凡是可以燃烧，都能够检测；凡是不能燃烧，传感器都没有任何响应。

催化燃烧式气体传感器计量准确，响应快速，寿命较长。

传感器输出与环境爆炸危险直接相关，安全检测领域是一类主导位传感器。

但是可燃性气体范围内，无选择性。

暗火工作，有引燃爆炸危险。

大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用。

（2）半导体式气体传感器

　它是利用一些金属氧化物半导体材料，一定温度下，电导率环境气体成份变化而变化原理制造。

比如，酒精传感器，就是利用二氧化锡高温下遇到酒精气体时，电阻会急剧减小原理制备。

半导体式气体传感器可以有效用于：

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体检测。

尤其是，这种传感器成本低廉，适宜于民用气体检测需求。

下列几种半导体式气体传感器是成功：

甲烷（天然气、沼气）、酒精、一氧化碳（城市煤气）、硫化氢、氨气（包括胺类，肼类）。

高质量传感器可以满足工业检测需要。

缺点：

稳定性较差，受环境影响较大；尤其，每一种传感器选择性都唯一，输出参数能确定，不宜应用于计量准确要求场所。

（3）电化学式气体传感器

　　相当一部分可燃性、有毒有害气体都有电化学活性，可以被电化学氧化还原。

利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。

电化学气体传感器分很多子类：

　　1、原电池型气体传感器（也称：

加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器），他们原理行同我们用干电池，，电池碳锰电极被气体电极替代了。

以氧气传感器为例，氧阴极被还原，电子电流表流到阳极，那里铅金属被氧化。

电流大小与氧气浓度直接相关。

这种传感器可以有效检测氧气、二氧化硫、氯气等。

　　2、恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它原理与原电池型传感器不一样，它电化学反应是电流强制下发生，是一种真正库仑分析传感器。

这种传感器已经成功用于：

一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体检测之中，是目前有毒有害气体检测主流传感器。

　　3、浓差电池型气体传感器，具有电化学活性气体电化学电池两侧，会自发形成浓差电动势，电动势大小与气体浓度有关，这种传感器成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。

　　4、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度传感器利用电化池中极限电流与载流子浓度相关原理制备氧（气）浓度传感器，用于汽车氧气检测，和钢水中氧浓度检测。

（4）热导池式气体传感器

　　每一种气体，都有自己特定热导率，当两个和多个气体热导率差别较大时，可以利用热导元件，分