家用环境监测系统的设计.docx

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家用环境监测系统的设计

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第1章绪论

1.1引言

随着现代社会的高速发展，对环境参数的测量监控涉及到工农业生产、国防建设、科学实验、人们生活等各个方面。

所以对标准测量室内环境要求越来越高，尤其在人们的日常家庭生活中。

人们会需要一个适宜的温度，不是太冷也不是太热。

同时，人们对室内空气质量的要求更显重要。

抽烟会使室内烟雾弥漫，使用液化气也难免会有泄露，这些气体都是对人体有害的。

因此，把握室内的温度、湿度、空气质量的度，来进行妥善调节，从而避免由于这些环境因素的超标对人体造成的伤害就显得尤为重要。

为了更好的对这些环境参数进行有效快速的测量，传统的人工控制已经不能满足要求。

随着传感器技术的不断发展，单片机的应用不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

现代家庭环境监测中，对家庭环境的温湿度和有害气体浓度会有一定的要求，房主要随时能观看到房间里的温湿度。

当温湿度超过或者低于一定的范围的时候，人会感觉到不舒服，有害气体浓度超过一定的值的时候，会对人们的身体健康造成危害。

这就需要对家庭环境进行监测，使家庭环境达到人们要求的范围，从享受到到健康舒适的生活。

采用51单片机来对这些参数进行控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，从而能大大提高人们的生活质量。

本课题要求根据家庭要求的环境参数，设计一个家用环境监测系统，该系统应以单片机为核心，实现对家庭环境的实时监测。

1.1.1家庭环境监测系统国内外发展趋势

在过去，室内的温湿度主要靠我们的身体感知来感受，对温度的高低没有确切的数值，室内的气体主要靠我们的嗅觉来感受。

但随着社会的发展，我们对这些参数的精度要求也在不断提高，我们要知道温湿度的确切值，要知道有害气体是否超标。

先是温度计、湿度计和气体检测仪的发明，给我们的生活带来了很大的方便，但是温度计和湿度计在显示上不够明了，精度不够，一些气体检测仪只是仅仅能够检测气体浓度，却不能对有害气体浓度的超标进行报警。

所以现在市面上有很多以数码管显示，蜂鸣器报警的环境监测器材问世。

目前，国内外开发出了一些基于单片机计算机的环境监测设备，但是价格比较高，其操作系统均为英文，普及性不强。

环境监测的核心部分是传感器，所以环境监测的发展主要体现在传感器的发展上，根据传感器在信号输出方式上的不同，可以分为模拟传感器和数字传感器。

下面就模拟输出温湿度传感器和数字输出温湿度传感器进行简单介绍。

1、模拟输出温湿度传感器

模拟输出温湿度传感器信号采用模拟电压输出方式，具有精度高，可靠性高，一致性好，且已带温度补偿，稳定性好，使用方便及价格低廉等特点，适合对质量，成本要求比较苛刻的企业使用。

该传感器亮点在于功耗低、体积小、单片机校准线性输出、信号传输距离长，试用于暖通空调，加湿器，除湿机，大气环境监控，测量仪表等应用领域。

2、数字输出温湿度传感器

对于更紧密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求带动了数字温度传感器的发展。

被测温度信号从敏感元件接收的非电量到转换为微处理器可处理的数字信号，环节较多，而且模拟信号在长距离传输的过程中，受到的干扰较多，误差较大。

因此，从非电量转换到数字信号，一般将其处理过程集成在单片IC器件体内部，这样就形成了功能强大，精确的数字传感器。

数字传感器与模拟传感器相比，由于采取高集成度设计和数字化处理，在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点，但受半导体器件本身限制，数字传感器还存在以下不够理想的地方：

（1）数字传感器测量的是其自身管芯的温度，并且管芯温度接近于引线温度，所以每个传感器必须安置在与被监视环境有良好热耦合的位置。

实际应用时会出现传感器所测温度值要小于环境温度，需要加修正值。

图2.1总体设计方框图

2.2设计的总体思路

本次设计要实现对家庭环境的监测，首先选择温湿度采集部分、有害气体浓度采集部分、单片机控制部分和显示部分，同时还要设计按键部分和报警部分，根据设计要求与设计思路，确定该系统的具体设计方案。

2.2.1单片机的选择

现今社会单片机发展很迅猛，出现很多种类单片机如：

STC单片机、PIC单片机、PHLIPIS51PLC系列单片机（51单片机）等；STC单片机：

STC公司的单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8~12倍，带ADC，4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。

适合用于精密仪器和加密仪器但相对家用其性价比太低成本高，很多功能都用不到。

PIC单片机：

是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。

适合用于抗干扰领域，相对于家用其成本也是很高，也没法突出其特性如果用有点暴敛天物。

PHLIPIS51PLC系列单片机（51单片机）：

ATMEL公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列，AT89系列是8位Flash单片机，与8051系列单片机相兼容，静态时钟模式；AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机，也叫AVR单片机。

相对AT90来说AT89功能简单但完全能达到家用的功能要求，而AT90的性价比就有点低。

所以选择了AT89系列。

AT89C51有40个引脚，4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

AT895C51有PDIP、TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

其外形及引脚排列如图2.2所示。

图2.2at89c51芯片模型

主要功能特性：

1、兼容MCS51指令系统。

2、32个双向I/O口。

3、2个16位可编程定时刚／计数器中断。

4、2个串行中断。

5、2个外部中断源。

6、2个读写中断口线。

7、低功耗空闲和掉电模式。

2.2.2温湿度传感器的选择

现在的传感器很多，考虑了两种传感器：

一种是使用铂电阻温度传感器采集温度，湿敏电阻采集湿度，再经由A/D转换器转换成单片机能够处理的数字信号，然后送到单片机中进行处理变换后，最后将温湿度值显示在显示器上并判断是否超限。

其中铂电阻可测﹣200到850℃，但其中需要A/D转换，而且连线时占用的I/O口过多。

另一种是采用SHT11温湿度传感器，它是瑞士Sensirion公司推出的数字温湿度传感器，该传感器高度集成，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，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，并且可根据实际要求通过简单的编程实现8-12位的数字值读数方式。

其外形及引脚排列如图2.3所示。

图2.3SHT11芯片模型

SHT11的性能特点如下：

1、全量程标定，两线数字输出。

2、测量范围广；湿度测量范围：

0~100%RH；温度测量范围：

-40~+120℃。

3、测量精度高；湿度测量精度：

±3%RH：

温度测量精度：

±0.4℃。

4、响应时间短；响应时间：

<4s。

5、低功耗，尺寸小，可完全浸没。

6、提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能。

通过比较，可以看出使用SHT11温室传感器比用铂电阻温度传感器和湿敏电阻方便很多，故选择SHT11作为此次设计的温湿度传感器。

2.2.3A/D转换器的选择

在工业控制和智能化仪表中，常用单片机进行实时控制及实时数据处理。

单片机加工的信息都是数字量，而被控制或测量对象的有关参量往往是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量等，通过传感器将这些信号转成模拟信号。

单片机要处理这种信号，首先必须将模拟量转换成数字量，这一转换过程就是模/数转换，现实的模/数转换的设备称为A/D转换器或ADC。

A/D转换电路种类很多，目前在实用、教学方面使用较多的两种A/D转换器是ADC0809和TLC1543。

在选择A/D转换器时，主要考虑以下的一些技术指标：

转换时间和转换频率、量化误差与分辨率、转换精度、接口形式等。

目前，较为流行的A/D转换器很多都采用了串行接口，这使得这类芯片与单片机的硬件连接非常简单。

出于成本考虑，本次的设计采用串行接口的TLC1543而非并行接口的ADC0809。

下面将简单介绍一下TLC1543。

图2.4是TLC1543的引脚示意图。

图2.4TLC1543芯片模型

TLC1543是由TI公司开发的开关电容式A/D转换器，该芯片具有如下特点：

10位精度、11通道、三种内建的自测模式、提供EOC（转换完成）信号等。

该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单。

其中AIN0~AIN10是11路输入，REF+和REF-分别是参考电源的正负引脚，使用时一般将REF-接到系统的地，达到一点接地的要求，以减少干扰。

其余引脚是TLC1543与CPU的接口，其中CS为片选端，如不需片选，可直接接地。

CLK是芯片的时钟端，ADDR是地址选择端，SDO是数据输出端，这三根引脚分别接到CPU的三个I/O端即可。

EOC用于指示一次A/D转换已完成，CPU可以读取数据，该引脚是低电平有效，根据需要，该引脚可接入CPU的中断引脚，一旦数据转换完成，向CPU提出中断请求。

此外，也可以将该引脚接入一个普通的I/O引脚，CPU通过查询该引脚的状态来了解当前的状态，甚至该引脚也可以不接，在CPU向TLC1543发出转换命令后，过一段固定的时间去读取数据即可。

2.2.4显示方式的选择

LED是发光二极管LightEmittingDiode的英文缩写。

LED应用可分为两大类：

一是LED单管应用，包括背光源LED，红外线LED等；另外就是LED显示屏，目前，中国在LED基础材料制造方面与国际还存在着一定的差距，但就LED显示屏而言，我国的设计和生产技术水平基本与国际同步。

LED显示屏是由发光二极管排列组成的一种显示器件。

发光二极管是由半导体发光材料做成的PN结，只要在发光二极管两端通过正向电流5-20mA就能达到正常发光，发光颜色通常有红、绿、黄、白等颜色。

单个发光二极管通常是通过亮、灭来指示系统运行状态和用快速闪烁来报警。

它采用低电压扫描驱动，具有：

耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点。

通常所说的LED数码管显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器，显示器中还有一个圈点型发光二极管，用于显示小数点。

通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。

LCD显示器的原文是LiquidCrystalDisplay，取每字的第一个字母组成。

其工作原理就是利用液晶的物理特性：

通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。

LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等。

通过比较，LED与LCD有着根本的区别，首先是发光光源的不同，其次是显示效果的区别，LCD可显示精致画面，LED却不能。

由于本设计应用于家庭环境，所以最好不要有辐射，不改变周围温度并且还要直观的多显示信息等。

因此选择LCD。

图2.5是LCD的引脚示意图。

图2.5LCD芯片模型

其中D0~D7为8位双向数据线，与单片机的I/O接口相连；VSS为电源地，VDD接5V正电源；VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”；RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；E为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

2.2.5按键的选择

本次设计中设置有参数设置部分，此部分由按键输入。

常用的按键有独立式按键和行列式按键。

独立式按键就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易地判断哪个按键被按下。

在按键数目较多时，独立式按键电路需要较多的输入口线且电路结构繁杂，故此种按键适用于按键较少或操作速度较高的场合。

独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。

即一个按键对应着一个端口输入，每一个按键都有一个按键电路来判断其是否按下。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。

行列式按键，也称矩阵式按键，用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行，列的交叉点上。

在按键数目较多的场合，行列式按键与独立式按键相比，要节省很多的I/O口线。

由于此次设计需要设置参数上下限，需要输入对应的数字，需要一个类似手机键盘的输入系统，因此选择行列式4x3按键。

对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。

CPU可以采用查询或中断方式了解是否有按键输入并检查是哪一个键按下，通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。

2.2.6设计语言的选择

软件设计的主要任务就是对单片机的控制程序，实现课题所要求的各项功能。

汇编语言作为单片机课程学习时所强化的一门语言，由于时序上很严谨，便于计算运行时间等优点，曾经广泛使用。

但是随着单片机开发技术的不断发展，目前越来越多的人从使用汇编语言转向使用高级语言进行开发工作，尤以C语言为主，目前市场上常见的几种单片机均有C语言开发环境。

下面简单介绍一下汇编语言和C语言。

汇编语言是一种以处理器指令系统为基础的低级程序设计语言，它采用助记符表达指令操作码，采用表示符号表示指令操作数。

利用汇编语言编写程序的主要优点是可以直接、有效地控制计算机硬件，因而容易创建代码序列短小、运行快速的可执行程序。

汇编语言有以下特点：

直接和简捷，可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等，目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。

C语言是高级语言。

它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。

C语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。

C是结构式语言。

结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。

这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。

C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。

C语言适用范围大。

适合于多种操作系统，也适用于多种机型。

C语言对编写需要硬件进行操作的场合也明显优于其它语言。

综合考虑，C语言对我们以后的学习和工作有很大的帮助，所以，最终决定用C语言完成本次设计的软件工作。

第3章硬件设计

根据单片机对家庭环境监测要实现的功能，设计了基于ATMEL公司的AT89C51芯片的室内监测系统。

这是一种低成本的利用单片机I/O口实现的温湿度、有害气体浓度检测电路。

整个系统硬件部分包括温湿度检测系统、A/D转换、单片机、I/O设备、按键系统、报警系统等。

温湿度控制部分用SHT11温湿度传感器、AT89C51单片机及LCD显示的硬件电路完成对家庭环境的实时监测及显示。

3.1系统的硬件简介

硬件大致构成：

核心控制器件AT89C51，温湿度传感器SHT11，A/D转换器TLC1543，显示器LCD1602，键盘，显示及报警电路。

3.1.1硬件设计思想

本设计是以AT89C51为单片机作为控制核心，提出了一种基于温湿度传感器SHT11、A/D转换器TLC1543的家庭环境测控系统。

单片机通过实时监控温湿度和有害气体浓度的变化，通过LCD1602字符型液晶显示温湿度的数值，当温湿度或者有害气体浓度值超出所设定的值时，报警器开始报警，从而实现对环境参数的管理和控制。

这种测量系统具有成本低廉、传感精度高、系统稳定、易于管理等优点。

3.2核心控制器件AT89C51

AT89C51有40个引脚，4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

AT895C51有PDIP、TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

主要功能特性：

1、兼容MCS51指令系统。

2、32个双向I/O口。

3、2个16位可编程定时刚／计数器中断。

4、2个串行中断。

5、2个外部中断源。

6、2个读写中断口线。

7、低功耗空闲和掉电模式。

AT89C51引脚如图3.1所示。

图3.1AT89C51引脚图

概述：

AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，主要管脚有：

XTAL1（19脚）为接外部晶体的一个引脚，该引脚内部是一个反相放大器的输入端，如果采用外接晶体振荡器，该引脚应该接地。

XTAL2（18脚）接外部晶体的另一端，该引脚内部接至内部反相放大器的输出端，若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟震荡的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

RESET（9脚）为复位输入端口，高电平有效，外接电阻电容组成的复位电路，当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE（30脚）为地址锁存信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。

当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿作用单片机发出的低8位地址的锁存控制信号。

PSEN（29脚）为程序存储器允许输出控制端，在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。

EA（31脚）为程序存储器选择控制端，当EA为高电平时，单片机访问片内程序存储器，当EA为低电平时，单片机则只访问外部程序存储器。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。

具体请参见表3.1。

表3.1P3端口引脚兼用功能表

P3引脚

兼用功能

P3.0

串行通讯输入（RXD）

P3.1

串行通讯输出（TXD）

P3.2

外部中断0（INT0）

P3.3

外部中断1（INT1）

P3.4

定时器0输入（T0）

P3.5

定时器1输入（T1）

P3.6

外部数据存储器写选通输出（WR）

P3.7

外部数据存储器读选通输出（RD）

3.2.1AT89C51单片机最小系统设计

单片机最小系统是指能维持单片机运行的最简单的配置系统。

本次设计单片机最小系统以AT89C51为核心，配以一定的外围电路和软件，实现单片机的最小系统功能。

AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚X1和X2分别是该放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体及电容接在放大器反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容虽然没有严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。

CPU振荡器采用了12MHz的石英晶体，33pF的电容。

AT89C51单片机最小系统电路图如图3.2所示。

图3.2AT89C51组成的最小系统电路图

复位电路采用自动上电复位和按键手动复位相结合的复位电路接法，即在Vcc和RST端接一个容量为10μF的电解电容，其两端并接一个轻触按钮，利用RESET内部复位下拉电阻便构成复位电路。

这种接法不仅可以在上电时自动复位，也可以在程序运行时手动进行复位，只需按下复位电路中的复位键即可。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，当电源VCC接通时只要电压上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。

而手动的好处在于能避免死机时关机复位。

其复位过程为：

接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，RST端上的电压接近电源电压，在电容C1充电过程中，RST端电位逐渐下降，当RST端电位小于某一数值后，CPU脱离复位状态；当按钮按下时，电容通过R1放电，当电容放完电后，RST端的电位由VCC电压决定。

因此RST为高电平，CPU进入复位状态，松手后，电容C1开始充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。

3.2.2SHT11工作原理

SHT11是瑞士Sensirion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。

其主要特点如下：

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米选择）；测量精确度高，由于同时集成温湿度传