家庭环境监测系统的设计与制作.docx
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家庭环境监测系统的设计与制作
传感器设计实验论文
题目：
家庭环境检测系统的设计与制作
专业名称：
电子信息工程
姓名：
学号：
班级：
13级电信二班
指导教师：
陆清茹
2021年10月25日
一绪论
前言
随着社会的进步，工业化水平的提高，人们的生活和工作有了很多便利。
然而人们在享有方便生活和工作的同时，不得不面对生活环境越来越差的现实。
进入21世纪以来，生活环境问题越来越严重，而这与人们对生活质量要求的提高形成了矛盾，因此注重生活环境的监测已经慢慢步入了产业化。
粉尘是空气质量的重要指标，所以粉尘的检测就很重要。
温度和湿度那么能影响人类的生活舒适度。
本文所设计的家庭环境监测系统具有监测粉尘浓度，室内温度和湿度的功能，并具有人体感应功能，可在人接近时点亮屏幕显示数值，人离开后进入待机状态。
本设计还具有报警功能，可设计粉尘浓度报警值，当高于报警值那么会灯光和声音报警。
选题背景
粉尘又称可吸入颗粒物（inhalableparticularmatter〕，它是指能进入呼吸道的，直径为10μm的颗粒物，对人的眼睛、鼻腔、上呼吸道都十分有害。
同时这种可吸入粉尘能长驱进入肺泡且沉积时间长，可导致心肺病、心血管疾病。
粉尘作为病菌的载体，一同散入空气中，极易传播疾病。
因此，粉尘浓度测试意义重大。
当前各行业越来越重视产品生产、物品管理和仓库存储环节，很多仓库存储非常重要的物质，如:
烟叶、纺丝、药材、食品等。
为了维护仓储商品的质量完好，创造适宜于商品储存的环境，当库内温湿度适宜商品储存时，就要设法防止库外气候对库内的不利影响；当监控到库内温湿度不适宜商品储存时，就要及时采取有效措施调节库内的温湿度。
因此，建立实时的温湿度监控系统，保存完整的历史温度数据都已经进入了行业标准。
1.3测量方法
1.3.1粉尘测量方法
按照粉尘测量方法的不同，粉尘测量方法主要有光学法、采样称重法和静电法三种。
（1）采样称重法不适合于在线测量。
（2）静电法易受干扰,国内技术并不成熟。
（3）光学法又进一步分为浊度法和散射法,而浊度法是目前国外普遍采用的用来测量烟尘（粉尘）浓度的方法,这种国外仪器在国内许多单位也都得到了成功应用。
光学法测量的缺点是需要保持光学镜头的相对清洁。
对于烟道中烟尘的测量,实践证明,通过微正压的清洁保护风,就可实现对光学镜头的可靠保护。
温湿度测量方法
DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数局部和整数局部,具体格式在下面说明,当前小数局部用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据
+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据
+8bit校验和
数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据〞所得结果的末8位。
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取局部数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
方法
感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元〔A元B元〕位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。
研究的意义
该系统主要用于检测环境中的粉尘浓度及温湿度，适用于家庭环境监测。
二家庭环境监测系统设计方案
2.1粉尘系统的功能和技术指标
（1）系统功能：
单片机PM2.5粉尘检测仪采用51单片机+按键+LCD1602+蜂鸣器+粉尘传感器设计而成。
STC89C52。
2.使用夏普的GP2Y1010AUOF粉尘传感器，每间隔10S更换一次采集浓度值检测更加准确。
3个按键可以调整报警值，可操作性增强。
6.当粉尘浓度高于设定值，会自动开启声光报警。
7.LCD1602实时显示粉尘浓度和设定报警浓度，清晰直观。
（2）主要技术指标：
1、电源电压：
5-7V
2、工作温度：
-10-65摄氏度
3、消耗电流：
20mA最大
5、灵敏度：
0.5V/（0.1mg/m3）
6、清洁空气中电压：
0.9V 典型值
7、工作温度：
-10~65℃
8、存储温度：
-20~80℃
2.2工作原理
2.2.1粉尘检测原理
测尘原理是用粉尘采样器或呼吸性粉尘采样器抽取采集一定体积的含尘空气，含尘空气通过滤膜时，粉尘被捕集在滤膜上，再利用光学原理测得粒径。
光学测粉尘用到两个原理,朗伯特-比尔〔Lambert-Beer〕定律和米〔Mie〕理论。
本设计检测原理用基于光学检测法中的浊度法。
基于朗伯特-比尔定律测量光透过被测物质后，由于散射吸收而使光强减弱，通过测定光束通过被测介质前后的光强比之来定量粉尘浓度。
其原理如下：
一束强度为I0的单色平行光照射在含有粉尘的检测区，由于粉尘对光的吸收和散射，出射光强便会衰减。
根据朗伯特-比尔定律，对均匀分布的粉尘，入射光强与出射光强有关：
式中：
Q为消光系数，它与入射光波长λ、粉尘粒子直径d、粉尘物质折射率m有关，可按Mie理论和专用算法程序计算。
N为粉尘密度，A是直径为d的粉尘粒子的截面积，W为粉尘的质量浓度；ρ为粉尘的质量密度。
假设设某种分布的粉尘尘粒直径为d1浓度为w1，那么：
式中：
对于某种粉尘的测量系统而言，C是一常数；M为测量时粉尘粒子按粒径的分档数。
由公式1-2得:
式（1-3）是在单色入射光情况下得到的。
采用多波长入射时，对每一波长λi,都有对应的一个式（1-3），故得方程：
式中：
为消光列向量，可以通过实测各波长对应的
及
测得：
其中：
T称为消光系数矩阵。
T中个元素
，可由计算机预先算出。
为粉尘总的质量浓度分布列向量。
求解式1-4便可求得W及粉尘的总质量浓度。
不难看出，多波长消光测尘中，是通过测得各种粒径粉尘的质量浓度得到总的粉尘浓度的，因而能实时地反响粉尘分布的影响，为粉尘浓度的高精度测量提供了可能。
再者，测量粉尘浓度的同时，还能测粉尘的粒度分布〔分散度〕。
根据粉尘离子的散射特性，确定最小粒径前置输出端的信号幅值U，然后每个0.1μm定义直径档，并预先设定好各档甄别电平，用其中一种标准粒子输入粉尘测试仪。
图一通讯过程
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。
DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。
图二
总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,那么DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
图三数字0信号表示方法
图四数字1信号表示方法
两种触发方式：
〔可跳线选择〕
a、不可重复触发方式:
即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；
b、可重复触发方式：
即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平〔感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时
时间的起始点）。
系统工作原理
本系统的工作原理是：
将电源开关翻开，当给一个由测尘原理将粉尘浓度转换得来的0～5V的电压信号时，信号经过ADC0809转换为八位的二进制数进入单片机，经过处理后转变为三位十进制数通过I/O口在LED1602液晶显示上显示出精确数值。
数值量随输入电压的扰动而变化。
同时键盘设定参考值送入单片机，当采集的当前粉尘浓度大于参考值时，单片机驱蜂鸣器报警。
粉尘检测程序框图和流程图
因为软件和硬件是密不可分的，所以由系统的硬件结构图可以得出软件设计的程序框图和流程图。
2.3.1程序框图设计
根据系统结构图所得出的各模块如图2-1所示。
图2-1系统结构图
如图2-1所示系统所设计的程序分为以下五个局部。
（1）信号采集的程序：
该程序设计主要是将模数转换得来的数字信号输入到单片机内部。
（2）LED的显示程序：
本程序设计主要完成粉尘浓度及温湿度的数字显示。
（4）键盘输入局部：
该局部主要完成浓度参考值的设定和显示切换。
2.3.2粉尘检测仪程序主流程图设计
根据硬件系统结构图所设计的程序主流程图如以下图2-2所示。
图2-2程序主流程图
三家庭环境监测系统硬件设计
3.1.1系统CPU器件选择
CPU是粉尘检测器的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能,是整个仪器正常工作的根底，它的选择直接关系到整个系统的工作。
选择高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机-STC89C52，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，适用于强干扰场合。
STC89C52单片机系统电路如图3-1所示：
图3-1STC89C52单片机系统电路
单片机最小系统复位、晶振电路简介
〔1〕复位电路的设计
复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作。
单片机常见的复位电路
通常单片机复位电路有两种：
上电复位电路，按键复位电路。
上电复位电路：
上电复位是单片机上电时复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。
它利用的是电容充电的原理来实现的。
按键复位电路：
它不仅具有上电复位电路的功能，同时它的操作比上电复位电路的操作要简单的多。
如果要实现复位的话，只要按下RESET键即可。
它主要是利用电阻的分压来实现的在此设计中，采用的上电自动复位电路。
按键复位电路如图3-2所示。
图3-2按键复位电路
复位电路工作原理
上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。
上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。
RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间〔2个机器周期〕，单片机就可以进行复位操作。
上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，利用按键也可以完成复位操作
〔2〕晶振电路的设计
晶振电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。
单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。
通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，如图4.4Y1、C1、C2。
可以根据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择30pF左右的瓷片电容。
晶振电路如图3-3所示。
晶振电路如图3-3所示。
3.2信号采集电路
图3-4信号采集电路
GP2Y1010AUOF粉尘传感器的结构特征如下3-5图所示。
图3-5GP2Y1010AUOF粉尘传感器的结构
P2Y1010AUOF粉尘传感器是用光学方法测量悬浮于气相介质或者液相介质中的微小微粒特性的传感器装置，具有光测技术非接触式测量、不扰动被测对象等特点。
GP2Y1010AUOF粉尘传感器可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等1微米以上的微小粒子.体积小,重量轻,便于安装.5V的输入电路,便于信号处理.内藏气流发生器,可以自行吸引外部大气.灰尘传感器保养简单,可以长期保持传感器的特性.
3.3LCD1602液晶显示设计电路
图3-6液晶显示电路设计
LCD1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
〔16列2行〕。
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单。
在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点：
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器〔CRT〕那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来到达显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
3.4声光报警提示电路及LED灯电路
图3-7声光报警提示电路
3.4.2蜂鸣器驱动电路:
一般都包含以下几个局部：
一个三极管、一个蜂鸣器、一个限流电阻。
蜂鸣器为发声元件，在其两端施加直流电压〔有源蜂鸣器〕或者方波〔无源蜂鸣器〕就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式〔直流/方波〕等。
这些都可以根据需要来选择。
本设计采用有源蜂鸣器。
三极管Q1起开关作用，其基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极高电平那么使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。
本设计采用按键接低的方式来读取按键，单片机初始时，因为为高电平，当按键按下的时候，会给单片机一个低电平，单片机对信号进行处理
单片机键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种：
独立键盘每一个I/O口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地，这种接法程序比较简单且系统更加稳定；而矩阵式键盘式接法程序比较复杂，但是占用的I/O少。
根据本设计的需要这里选用了独立式键盘接法。
3-8所示：
图3-8按键硬件电路
四家庭环境监测系统软件设计
图4-1系统程序流程
4.2浓度参考值的键盘设定程序设计
因为不同环境中粉尘浓度不同，粉尘流动量也不一样，人在不同环境中工作所承受的最大粉尘量也不一样，所以在更换环境时要设置不同的粉尘浓度参考值〔该环境中能接受粉尘浓度最大值〕，当浓度超过所设定值时，粉尘检测仪报警，我们根据报警就可以采取相应措施或使人员撤离工作现场或动力降低粉尘浓度。
本模块利用独立按键方式通过三个独立按键累加输入参考值，通过单片机比较采集的数据与参考值来控制蜂鸣器是否报警。
同时可以通过独立按键来进行参考值和当前浓度值的显示切换。
4.2.1键盘扫描的设计
在单片机应用系统中，扫描键盘只是CPU的工作任务之一。
在实际应用中要想做到既能及时响应键操作，又不过多的占用CPU的工作时间，就要根据应用系统中的CPU的忙闲情况，选择好键盘的工作方式，本次设计主要是设计的小型系统CPU工作比较空闲，所以用编程扫描方式。
（1）键盘扫描程序的功能
（a）判别键盘上有无键按下。
其方法为扫描键盘接入口，假设全为“1〞，那么键盘无键按下，假设不全为“1〞，那么有键按下。
（b）去除键的抖动影响。
其方法为判断到有键按下后，软件延时一段时间〔一般为10ms左右〕后，再判断键盘状态，如果仍为按下状态，那么认为有一个确定的键按下，否那么按键抖动处理。
当键盘释放时，判断到有键释放也软件延时一段时间，如果仍为键释放状态，那么认为键确实释放了。
（c）求按键位置，对各键进行逐个扫描，最后却定按下的键号。
图4-2键盘扫描程序流程
4.3信号采集局部的程序设计
因为粉尘浓度是连续变化的模拟信号，通过粉尘采集器可以将环境中的粉尘浓度转换为模拟电信号，然后通过信号放大器将转换来的电信号放大成0～5V的电压信号。
4.3.1数据采集流程图设计
粉尘数据采集模块流程图如图4-3所示。
图4-3粉尘数据采集模块流程
4.4蜂鸣器报警局部程序设计
该局部是当采集到的环境中的粉尘浓度大于参考值时，单片机就会驱动蜂鸣器报警，然后采取相应措施降低粉尘浓度或者使人员撤离工作现场。
该蜂鸣器是通过P3^3口与单片机相连。
图4-4报警电路流程设计
4.5LED1602液晶显示局部的程序设计
对于人机交互式单片机系统来说，不仅需要响应用户输入，同时也需要将一些测控信息输出显示。
这些显示信息可以提供实时的数据或图形结果，以便于掌握系统的状态并进行分析处理。
目前，在单片机中最常用的是LED1602液晶显示屏。
其本钱低廉、使用简便，可以显示数字或几个特定的字符。
设计
LED1602液晶显示流程图如以下图4-5所示。
图4-5LED1602液晶显示流程
五DHT11产品概述
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最正确选那么。
产品为4针单排引脚封装。
其中电源引脚的供电电压为 3.5--5.5V。
传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间不要发送任何指令。
电源引脚〔VDD，GND〕之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。
DHT11典型应用电路如以下图，其连接电路简单，只需要占用控制器一个I/O口即可完成上下位的连接。
建议连接线长度短于20时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用适宜的上拉电阻。
六HC-SR501人体感应模块功能特点
1、全自动感应:
人进入其感应范围那么输出高电平，人离开感应范围那么自动延时关闭高电平，输出低电平。
2、光敏控制〔可选择，出厂时未设〕可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。
3、温度补偿（可选择，出厂时未设）：
在夏天当环境温度升高至30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。
4、两种触发方式：
〔可跳线选择〕a、不可重复触发方式:
即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；b、可重复触发方式：
即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平〔感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。
5、具有感应封锁时间（默认设置:
2.5S封锁时间）：
感应模块在每一次感应输出后〔高电平变成低电平〕，可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。
此功能可以实现“感应输出时间〞和“封锁时间〞两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
（此时间可设置在零点几秒—几十秒钟）。
6、工作电压范围宽：
默认工作电压DC4.5V-20V。
7、微功耗:
静态电流<50微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。
8、输出高电平信号：
可方便与各类电路实现对接。
七家庭环境监测系统的测试结果及结论
7.1调试
调试过程中首先要检测的就是硬件电路的设计原理是否正确、能否到达预期效果以及实现方法是否简便等等；其次在焊接好难有线电路之后，认真检查电路的焊接情况。
这次采用的是分块调试的方法，电路，控制电路以及单片机控制电路进行调试。
在对每个模块的进行调试过程中又采用了由局部到整体，由简单到复杂的调试方法，最后再将各个模块总和成一个整体。
在调试过程中遇到的问题有：
（1）由于在焊电路之前没有彻底调查过电阻的大小对PM2.5粉尘检测电路的影响，导致一直以为传感器不工作，显示屏是没有数据显示，后来换了适宜的电阻，数据也检测出来了；
（2）在解码程序的编写过程中，经过屡次的程序修改与硬件调试，根本上能很好地实现自动报警。
解决：
对电路进行测试,如对单片机的输出管脚信号进行测试，观察是否存在漏焊,虚焊,或者元件损坏的现象。
假设无此问题查看烧写的程序是否正确无误，对程序进行认真修改。
当显示亮度不好时阻器的阻值，直到看到适宜的亮度为止。
经过屡次的反复调试与分析,可以对电路的原理及功能更加熟悉,同时提高了设计能力与及对电路的分析能力。
同时在软件的编程方面得到更到的提高,对编程能力得到加强，同时对所学的知识得到很大的提高与稳固。
如下为硬件实物图：
参考文献
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北京航空航天大学出版社，1993：
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89-100
总结
经过一番努力后，粉尘测试仪设计的终于完成。
在设计该粉尘测试仪的过程中，我首先按照粉尘检测仪的功能设计出其大致的电路电路方框图，然后分析各个功能模块：
信号采集模块、信号转换模块、LED1602显示模块的。
选好材后画出电路原理图，再到编写程序，最后进行仿真，这次课题设计可以说成功完成。
说到编写程序是可花了不少功夫，因为该设计需要精确到小数位的个位，这个可给我带来了苦恼，在同学的帮助下最终解决了这个问题。
实验结果说明此粉尘测试仪实现后具有读取方便、显示直观、电路简洁等优点，符合电子仪器仪表的开展趋势，具有良好的市场前景。
在整个设计过程中，充分发挥了人的主观能动性，自主学习，学到了许多没学到的知识。
程序编写中，由于思路不清晰，开始时遇到了很多的问题，经过静下心来思考查资料
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