基于单片机的环境监测系统的设计修改.docx
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基于单片机的环境监测系统的设计修改
摘要
随着我国国民经济的迅速发展,环境问题越来越得到人民的关注,尤其是大气和水体污染问题。
总而言之,环境问题已经成为当今社会的一个热点话题，政府部门也相继推出了一系列相关方针和政策。
要完成对环境的实时监测和保护,并预测预报未来环境状况，研制一套能够准确、安全、稳定和实时的环境监测系统尤为重要。
本文结合实际情况设计一个基于单片机的环境监测系统。
系统以ＳＴＣ89C5２单片机为核心的控制,通过温湿度传感器和光强传感器采集环境信息,并通过数码管显示。
且具有与单片机通信的功能和超限报警功能。
关键词:
温湿度；光强传感器;单片机；串口通信
Abｓtｒaｃｔ
Withtｈerapｉｄｄｅvｅlopment ofCｈｉna'ｓnａtionalecoｎomｙ, ｅnviroｎmeｎｔａlpｒoblems bｅｃomｅmoｒeaｎdmore gｅtpeoｐle'ｓaｔtentioｎ, espｅciallｙ iｎ airａｎdwaｔeｒ pollutｉonｐroｂlems. Ｔomaｋe aｌonｇ storyｓhort, ｔhｅeｎｖiｒｏnmentａlpｒobleｍｈas bｅcomｅa hoｔｔopiciｎtoday'ssociety;goｖeｒｎmenｔdepａrｔｍｅｎｔｓhａvｅ aｌsｏ laｕncheｄ a sｅｒｉesof related guidｅlｉnesandpoliｃieｓ. To comｐlete thｅｅnｖironmeｎtaｌ monitoring and prｏteｃｔion, ａｎdforecａｓtthe future ｓtatｅ oｆthe ｅｎvironｍent, dｅvｅlｏpｍenｔ oｆaｎacｃuｒａｔe,ｓafｅ, ｓtaｂle ａnｄ real－ｔiｍeｅnviｒonmeｎtal monitoringｓyｓtem is ｐarticularｌｙiｍporｔant.
Inｔhｉspaper， combineｄwiｔｈthe actuaｌsiｔｕatｉonoｆ thｅ desｉgｎof aｎ envirｏnment monｉtｏring syｓtembaｓedon mcu. Thecoｎtrｏl syｓtem basedonＳTC8９C52mｉcroｃontrollｅrastheｃoｒe， thrｏughthe temperatuｒeａｎdhｕｍｉｄityｓensｏｒｓａｎｄ liｇhtintensity sensorstocollｅcｔ envｉrｏnmentａl iｎfoｒｍatｉｏｎ, ａndｔhroughｔｈedigitａldisｐlay. Wｉｔｈｔhe MCＵｃｏmmunｉcaｔionfｕnctiｏnand aｌarm funcｔion.
Ｋeywords:
tempｅratuｒeanｄ huｍiditｙ; lighｔiｎtensityseｎsｏｒ; MCU; sｅrｉalｃｏｍｍuｎiｃａtioｎ
1.引言1
2.环境监测系统总体设计2
2.１系统设计要求ﻩ2
２.２ 方案的论证与选择ﻩ2
2.3ﻩ系统总体框图ﻩ3
3.环境监测系统硬件设计ﻩ3
3．1芯片介绍3
3.1.1STＣ89C5２单片机ﻩ3
3.1.2RE2０0Ｂ热释电红外传感器6
3.１.３ ＢISS0001芯片7
3.１.4ＩSＤ142０语音芯片8
3.2 语音录放电路的设计10
３.３串口电路的设计11
4.环境监测系统的软件设计ﻩ13
4.1主程序分析ﻩ13
4．2子程序分析15
4．2.１ 录音子程序ﻩ1５
4.2.2放音子程序16
4.２.3定时器的子程序1８
５．环境监测系统的制作与调试19
５.2 硬件以及软件的调试19
参考文献22
谢辞23
附录25
１ 引言
随着工业的发展和科技的进步,全球的生态环境已经受到了不同程度的破坏，环境污染问题将直接或间接的影响到了人类的身体健康和正常生活。
近年来,我国工业得到了飞速的发展,人们生活水平得到了很大的提高，人们的物质文明正在不断改善，与此同时人类的进步也对自然环境和生态平衡造成了巨大的影响。
特别是，改革开发以来,我国国民经济的突飞猛进，工业的飞速发展都是以牺牲我们的自然环境为代价的。
环境的质量问题将直接或间接影响人类的身体健康,医学研究表明,人类的很多疾病都是由环境破坏所引起的。
环境的破坏对我们的健康造成的影响越来越受到广大人民的关注,同时环境问题也制约着人类社会科技的进步和工业的发展,因此现在如何解决人类和环境的相互制约问题成为各国发展过程中的关键问题。
中国是世界上最大的发展中国家,经济还需要快速发展,人类和环境和谐发展是党和国家应该考虑的首要问题。
我国在十六大上提出了可持续发展战略,同时把环境问题作为国家可持续发展和建设和谐社会的关键问题。
维持人类和环境的可持续发展,在满足人类对资源的需求,经济持续快速发展的同时，我们需要及时、快速、准确的获取环境变化的情况,对环境进行实时监测。
本设计采用单片机和集成的温湿度及光强传感器进行设计的环境监测系统,具有结构简单、成本低廉、报警迅速、准确、安装、调试简单等优点。
经实际测试，本系统精度高，反映灵敏，稳定性强。
具有较高的实用价值。
２.环境监测系统总体设计
2.1 系统设计要求
设计并制作一个环境监测系统
其具体要求如下:
1、采用温湿度传感器ＤＨＴ11采集环境的温度和湿度信息,并通过数码管显示出来。
2、通过ＴSＬ256１传感器采集环境中的光照强度的信息,该芯片通过ＩIC总线的方式与单片机进行通讯。
3、系统可以通过串口与电脑通讯。
4、具有过限报警功能。
2.2方案的论证与选择
根据设计要求,经过多方面查证与分析，以充分发挥资源，提高系统性价比为原则,本系统采用以STC89C5２单片机为核心的控制,通过温湿度传感器和光强传感器采集环境信息,并通过数码管显示。
且具有与单片机通信的功能和超限报警功能。
具体设计方案论证如下：
2．2．1 核心控制器的选择
根据设计要求，核心控制器主要用于对温湿度和光强测量信号的接受和处理、控制显示和报警电路、串口通信电路等。
控制器采用STC89C５2作为系统控制器。
单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且其功耗低、体积小、价格便宜、耗电低、技术成熟和成本低廉等优点。
许多功能部件集成在芯片内部,其信号通道受外接界影响小，可靠性高，控制能力强,运行速度快。
由STC89C５２作为控制核心,对信号采集以及报警装置进行控制ＳＴC89C52是一种低功耗、高性能的片内含有８KＢ快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROＭ-ＦlashＰroｇｒａmmａbｌeanｄＥraseableRｅadOnlｙ Memory）的8位CＭOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造。
一、SＴＣ89Ｃ5２的主要性能
1.与MCS－51微控制器产品系列兼容;
2.片内有４ＫB可在线重复编程的快闪擦写存储器;ﻫ3.存储数据保存时间为10年； ﻫ４.宽工作电压范围：
Vcc可为2.7V到６Ｖ;
5.中断结构具有5个中断源和2个优先级;
6.可编程全双工串行通道;
７.空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。
二、ＳTC89C52引脚图
STC89C5２有４0个引脚，如图1．2所示。
图1.2SＴC89C5２引脚图
三、STC89C52各引脚说明
图3-1为STＣ89Ｃ5２的引脚图，对其在本次设计中的主要使用的引脚说明如下：
VCＣ：
电源电压，SＴＣ８9Ｃ５2电源的正极输入端,接+5Ｖ电压使ＳTC8９C52单片机正常工作。
是单片机的电源提供端口。
P0:
P0口（P0.0~P0.7）是８位漏极开路双向输入输出端口,当访问外部数据时，它是地址总线（低８ 位）和数据总线复用。
P2:
P2口（Ｐ2.０～P2.7）口是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I／O口），当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。
外部不扩展而单片应用时,则作一般双向I／O口用。
P1：
P1口（P1.0~P1．7）口是具有内部提升电路的双向Ｉ/0端口（准双向并行I/O口），其输出可以推动４个LSTTL负载。
P３:
P3口（Ｐ3.0~P３.7）口是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I/Ｏ口）,它提供串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。
其特殊功能引脚分配如下：
P3.0 RＸD串行通信输入。
Ｐ3．1TXD串行通信输出。
P3.2INＴ0 外部中断0输入，低电平有效。
P3.３ INＴ1外部中断1 输入，低电平有效。
P３．4T0计数器0外部事件计数输入端。
P3．5T1 计数器1外部事件计数输入端。
P3.6 WＲ外部随机存储器的写选通，低电平有效。
P3.7RD 外部随机存储器的读选通,低电平有效。
系统总体框图
本系统总体设计框图如下图2-１所示:
STC89C52单片机
按键电路
温湿度传感器
光强传感器
报警电路
串口电路
图2－1系统总体设计框图
3．语音报警系统硬件设计
3.1 芯片介绍
３.1.1 STC８9C52单片机
据总体方案的确定,采用STＣ89C５2作为系统控制器。
3.1.2温湿度传感器DHT1１
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，因此能确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
该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。
每一个DHＴ11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
他的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。
具有超小的体积、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佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
DＨT11传感器的性能参数如表３-1所示。
表3-1
参数
条件
Min
Typ
Maｘ
单位
湿度
分辨率
１
1
1
%RH
８
Ｂiｔ
重复性
±1
％ＲH
精度
２5℃
±4
%RH
0-50℃
±５
%RH
互换性
可完全互换
量程范围
0℃
30
90
％ＲH
２５℃
２０
90
%RH
5０℃
20
80
%RＨ
响应时间
1/ｅ（63%）25℃，1m／s 空气
６
1０
15
S
迟滞
±1
%RＨ
长期稳定性
典型值
±1
％RH/yr
温度
分辨率
1
１
１
℃
8
8
8
Ｂit
重复性
±１
℃
精度
±1
±2
℃
量程范围
0
5０
℃
响应时间
1/e（63%）
6
30
Ｓ
传感器与控制器的连接时建议连接线长度短于20米时用５K上拉电阻,大于２０米
时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
典型应用图如图３-2所示。
图3-2
3.1.3 TSＬ2５61芯片
TSＬ２561是TAＯS公司推出的第二代光强数字转换芯片,具有高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置等优点。
ＴSＬ256１具有直接I2C接口,用于将光照强度转换成数字信号输出。
其内部结构如图3-3所示
图3-4 TSＬ２5６1内部结构图
TSL2５６１是一个数字传感器，输出信号符合Ｉ2C总线标准。
该总线支持以字节方式发送和接收数据。
字节方式发送数据格式如图3-5所示:
图3－５发送格式
字节方式接收数据格式如图3－6所示：
图３-6接受格式
其中，A为应答信号,0表示响应（ACK），1表示不响应（ＮAＣK）；S为启动信号；P为停止信号;Wr为写信号（低电平有效）;Rｄ为读信号（高电平有效）。
非阴影部分为控制器到传感器;阴影部分为传感器到控制器。
I2C总线的SDＡ线和SＣL线是双向线路，当总线空闲时，这两条线都是高电平[5]。
SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定,数据线的高或低电平状态只有在ＳCＬ线的时钟信号是低电平时才能改变。
Ｉ2C总线的起始和停止条件分别是:
当SCL线是高电平时,SDA线从高电平向低电平切换表示起始条件。
由于Ｉ2Ｃ总线上的数据是以8位传送的，为确保发送器发送的每个字节都被接收器收到，在第9个时钟脉冲期间，数据线被释放,由接收器反馈的一个确认信号。
确认信号为低电平时，规定为有效确认位（用ACＫ表示）,表示接收器已经成功地接收了该字节;确认信号为高电平时,规定为非确认位（用NACK表示），表示接收器接收该字节没有成功。
3．2时钟电路和复位电路的设计
AT80C51单片机内部设有一个反向放大器所构成的振荡器，XTAL1和XTAL２分别为振荡电路的输入端和输出端,时钟可以由内部或外部产生。
外部时钟电路需要XTAＬ１接地，ＸTAL2接外部振荡器,对外部振荡器信号无特殊要求，只需保证脉冲宽度,一般频率为低于１2ＭＨz的方波信号。
设计中选用的是内部时钟电路,晶振频率为１２ＭHz,电容为30pF。
内部时钟电路是在XTAL1和XTＡL2引脚上外接定时元件,内部振荡电路就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶振频率可以在1.2MHz到12MHz之间选择。
电容值取5pF~３0ｐF，电容的大小可起频率微调的作用。
在时钟电路工作后，在REＳＥT（RＳT）端持续给出两个机器周期（24个振荡周期）的高电平就可以完成复位操作。
复位方式有上电复位和开关复位两种,设计选用的是按键复位电路。
时钟电路和复位电路如图3－7所示。
图3-７ 时钟和复位电路
３.3串口电路的设计
此部分电路的功能一是将编好的程序由串口经单片机的P3.０口和Ｐ3.1口有效输入单片机内并储存。
二是将数据信息传输到电脑。
如图３-8所示。
图３－8串口电路
温湿度检测电路的设计
温湿度传感器采用DHT11，该传感器属于数字器件。
与单片机的接口简单，通过ＩＩC方式通信。
连接图如图3－10所示。
图3-９ＤHT11电路图
3.5显示电路的设计
显示器常用作单片机最简单的输出设备,用以显示单片机的运行结果和运行状等。
对LED管的显示可分为静态和动态两种。
本文采用动态显示,其优点为:
1.能降低显示器的功耗。
２.能大大减少显示器的外部接线，给安装调试带来方便。
LED动态显示原理:
由于各个数码管的段选线并联,段选码的输出对各个数码管都是相同。
因此同一时刻如果各个数码管的位选线都处于选通状态的话，四位ＬEＤ将显示相同字符。
此循环下去就可以使各位数码管显示出将要显示的字符。
显然，这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻只有一位显示其它各位熄灭,但由于各位数码管的通断时间是非常短的，且人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短则可造成多位同时亮的假象达到显示的目的。
在总体电路中,显示电路是设计的主要部分,通过单片机的P0口,控制四位七段数码管的段码,而数码管的位码由Ｐ2.4、Ｐ２.5、Ｐ2.6、P２.7四个端口来分别控制显示数字的小数位、个位、十位和百位/符号位。
在位码控制端通过单片机Ｐ0口输出的高低电平来选通数码管的显示位。
显示部分电路连接如图３.１０所示。
图3－１０ 振荡电路图
3.6关照强度检测电路的设计
光照强度的检测采用TSＬ２56１传感器,电路如图３-11所示。
图３-1１光强检测电路
4.环境监测系统的软件设计
由于C语言具有结构清晰,语言简练，模块化，易读性、易移植。
本设计中的程序采用C语言设计。
主要包括温度、湿度采集程序，光强采集程序，数码管显示程序等组成。
4.1 温度、湿度采集程序
温度、湿度是通过DHＴ11传感器检测的，单片机读取DHT１1里的数据就可以得到温度和湿度的信息。
故温湿度采集部分的软件设计就是单片机读取ＤHT１1的过程。
单片机发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转入到高速模式，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,用户可选择读取部分数据。
通讯过程如图4－1所示。
图４-１ＤHT1１与单片机的通讯过程
DHＴ１1发送数据给单片机的时候,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。
具体格式如图4-2和4-3所示。
图4-２数字0信号
图4－３ 数字１信号
温湿度读取子函数如图4-4所示。
图4-4 温湿度子函数流程图
4.2 光照强度检测子程序
光照强度是通过ＴＳＬ2561来检测的。
TSL２5６1是一个数字传感器，输出信号符合I2C总线标准。
该总线支持以字节方式发送和接收数据。
字节方式发送数据格式如图4-５所示。
图４-5 发送格式
字节方式接收数据格式如图4-6所示。
图4-6接收格式
光强的检测子程序流程如图４－７所示。
４-7 光强检测子程序
4.２主函数部分
系统主函数主要完成数据的采集和显示、按键判断等操作。
主函数如图４-８所示。
４－8主函数流程图
5.语音录放系统的制作与调试
5.1 硬件电路的布线与焊接
首先使用Pｒoｔel99软件画好原理图，根据原理图准确画好PCＢ图后通过热转印纸将其转印到单面板上，检查转印的单面板上是否有断线（如有用油墨笔画回去）处理好后经过腐蚀、打孔制成PＣB板。
然后将电元器件一一对应焊接到上去,焊接过程要注意：
焊接的时候要认真仔细，以防止一些虚焊和短焊。
在焊接电解电容的时候注意极性，焊一些芯片的时候不要先将芯片装上去，以防止弄坏芯片。
焊好后检查有无虚焊、漏焊后，并用用万用表测试各导线是否导通。
通电前，断开一根电源线,用万用表检查电源端对地是否存在短路;检查直流稳压电源对地是否短路。
检查确认无误后,可以接通电源进行调试。
提高系统可靠性与抗干扰能力主要可通过的措施有硬件和软件两方面,其中关键在于硬件方面［16]。
硬件设计时首先应考虑到单片机及其相关元器件的选择,尽量选择抗干扰能力强的合适的元器件。
当元器件确定之后，印制电路板的好坏直接影响着系统的稳定性和可靠性,规划电路板时应该做到：
电路板的总体布局要合理;布线的长度要尽可能的短，两线之间的距离尽可能大，跳线尽可能少；电源线及地线应该加粗。
在本设计中,电源线及地线是４0ｍil，而其他线路则都是3０mil,而且要尽可能放在电路板的边缘部分，且数字地、模拟地、外壳地最好分开。
此外，在本设计中在单片机电路板的VＣC入口处并联一个10ｕf的电解电容以减少电源的干扰。
对于单片机及其它芯片的闲置端,在不改变系统逻辑的情况下，应接地或接电源；对于会产生干扰的元件,如晶振等，应尽量靠近单片机，降低元器件的影响。
硬件以及软件的调试
由于一些粗细和不可避免的影响，在做硬件的时候遇到了相当大的难题。
在前后数个月里经过汪洋老师以及其他同学的悉心指点,做了很多的修改总与成功的做出了硬件。
把经过准确测量的电源接入电路，观察有无异常现象,包括有无冒烟,是否有异常气味,手摸元器件是否发烫，电源是否有短路现象等。
如果出现异常,应立即切断电源，待排除故障后才能再通电。
然后测量各路总电源电压和各器件的引脚的电源电压,以保证元器件正常工作。
在本次设计中，硬件分为语音录放电路、热释电红外感测电路,和串口电路可以分别对这三部分进行检测。
首先对串口电路进行检测。
最开始的时候，先编一个简单的程序，使用keilﻩ软件看看能不能把程序烧进单片机内，如果不行,检查串口电路,直到能烧进为止。
在检测好串口后,再检查语音的录放电路，先编一个简单的控制录放电路看看能不能正常的实现录放音，如果不行检测录放模块的连接电路。
若前两个模块都能正常运行,最后是热释电红外感测电路的调试,将热释电红外感测的处理芯片BISS０0１的输出口接至单片机的P11口。
接通电源后，先将热释电红外感测的探头放入一个封闭的盒子内模拟没有人在的时候的状态，打开开关后,P1１口应该是低电平，将探头从盒中取出靠近人体,P11口变高电平。
若正常则热释电红外感测电路能正常运行。
由于热释电红外感测电路的感测探头相当的灵敏,在实现功能时应先将探头放入盒中一段时间,切远离人群。
最后编好整个完整的程序,调试正确后烧进单片机即可。
6．结论
本系统以ＡT８９C５1为核心芯片,用ISD１420作为语音芯片,以BISS０001作为热释电红外感测电路处理芯片,当有人靠近的时能可以录音,存储以及播放的功能。
系统由软件来控制语音的采集、回放和删除,能够实现对语音的压缩以及无失真传输。
数字化语音存储与回放系统的基本原理是对语音的录音与放音的数字控制。
主要包括为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信号进行压缩后再存储，而在回放时再进行解压缩；同时，对输入语音信号进行数字滤波以抑制杂音和干扰，从而确保了语音回放的可靠质量。
以单片机为核心，采用ISＤ1420语音芯片报警、热释电红外传感器作检测元件的报警系统以其成本低、安装方便、防盗可靠性高等优势在社会各个领域都有着广泛的应用，为用户提供了一种方便实用的家用防盗报警系统。
。
报警系统的发展离不开单片机技术的进步。
早期的报警系统均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一,阻碍了报警系统的发展和应用范围的推广。
随着软件技术的发展和单片机技术的进步,报警系统的功能都能用软件程序和单片机来实现,节约了人力资源和降低了系统成本。
随着单片机技术的日新月异,报警系统的功能也日益完善、多样化,为报警系统的推广打下里无比坚实的基础。
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