【正文】 有得到大量使用，但向發(fā)達(dá)國(guó)家學(xué)習(xí)的精神是一直以來(lái)不可動(dòng)搖的，很多廠家或者研究所都在學(xué)習(xí)和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)方案。綜上所述，此設(shè)計(jì)所研究的內(nèi)容有很大的理論意義和重要的實(shí)際使用價(jià)值。 2 設(shè)計(jì)目的及內(nèi)容 通過研究人員的不斷努力，已經(jīng)研發(fā)出一些可用 于檢測(cè)的產(chǎn)品， 但 該產(chǎn)品 在 市場(chǎng)上的占有率 只是一小部分，其中大多數(shù) 價(jià)格偏高，而且 也 只能檢 測(cè)空氣中部分成份 ，功能種類相對(duì)局限單一。因此根據(jù)市場(chǎng) 調(diào)查， 非常需要能夠綜合監(jiān)測(cè)室內(nèi) 有害氣體 和溫濕度 的 智 能系統(tǒng) 來(lái) 保障 人們的 生活環(huán)境，從而有助于 提高人們的生活質(zhì)量。 本設(shè)計(jì)的最終要實(shí)現(xiàn) 的是 適合家用的 實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣中有害氣體成份、濕、 溫度在空氣中的占有量的多功能監(jiān)測(cè)儀器，還要達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果，這對(duì)我們的要求比較嚴(yán)格，并且要達(dá)到操作簡(jiǎn)單方便、價(jià)格低廉的目的。本設(shè)計(jì)采用 了 報(bào)警模塊和 LCD 顯示模塊等，把室內(nèi)檢測(cè)功能 和環(huán)境質(zhì)量控制 有機(jī)的 結(jié)合 在一起，以單片機(jī)和多種傳感器為主體 實(shí)現(xiàn)智能控制 ，從一定程度上增加了人體安全指數(shù)。 該設(shè)計(jì)主要完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下 : （ 1）溫濕度模塊：采用 DHT11 傳感器，該傳感器將數(shù)字采集技術(shù)和信號(hào)處理功能結(jié)合在一起，很大程度上提高了它的工作效率，并且也是產(chǎn)品走向智能化的重要標(biāo)志。我們還采用 LCD 顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路顯示模塊及溫、濕度模塊設(shè)計(jì)。 （ 2）報(bào)警模塊：采用 外接 蜂鳴器的方法， 當(dāng) 檢測(cè)值超限時(shí) ， 實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警的功能。 （ 3） 檢測(cè)模塊： 將單片機(jī)和溫濕度、氣體傳感器相連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集和讀取室內(nèi)溫濕度值以及監(jiān)測(cè)氣體濃度 。該模塊的實(shí)現(xiàn)意味著在室內(nèi)威脅人們身體健康狀況的因素降低了許多。 3 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證以及總體框架設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方案論證 單片機(jī)模塊的選擇及論證 方案一：選用 AT89C51 為主控芯片，它 是 具有低電壓的 一種帶 4K 字節(jié) FLASH存儲(chǔ)器 的高性能 CMOS 8 位 微處理器 ，具有可編程及可擦除的功能。在存儲(chǔ)器中還能將三級(jí)程序快速鎖定， 32 個(gè) I/O 接口，可適用于串行通道模式，兩個(gè) 16 位定時(shí)器和相同數(shù)量的計(jì)數(shù)器， 128*8 位內(nèi)部 RAM，功率消耗低和掉電特有模式， 5 個(gè)中斷控制源，片內(nèi)包含振蕩器和發(fā)出脈沖的時(shí)鐘電路。 方案二：選用 AT89S52 為主控芯片， 它 是一種具有 8K 系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器 的 低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器 。 其中包括 32位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器已達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，具有 256 字節(jié) RAM ，三個(gè)計(jì)數(shù)器和相同數(shù)量的 16 位定時(shí)器，還有 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針。 AT89S52 還能降低到 0Hz 狀態(tài)下進(jìn)行編程，可提供 2 種軟件都能在該單片機(jī)執(zhí)行節(jié)電模式操作。當(dāng) CPU 處于空閑操作狀態(tài)時(shí)，它是不運(yùn)行的，但支持 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷還能持續(xù)運(yùn)行。當(dāng)單片機(jī)處在掉電模式時(shí)， RAM 的內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，振蕩器停止工作， 單片機(jī) 全部的功能均處于睡眠狀態(tài)，一直等到下一個(gè)中斷信號(hào)到來(lái)或者復(fù)位命令執(zhí)行，單片機(jī)才開始在次工作。 通過兩種單片機(jī)的對(duì)比： AT89S52 不僅能夠用于 ISP 在線路功能還可用于并行編程，相比較來(lái)講 AT89C51 只能用于并行編程。在計(jì)算速度方面， AT89C51 的運(yùn)行頻率只有 24MHz，而 AT89S52 極限運(yùn)行頻率可達(dá) 33MHz。從輸出編程電壓的情況可以看出， AT89S52 僅僅為 45V，而 AT89C51 不止要支持正常運(yùn)行工作 5V 還需要 Vpp 供電 12V。 所以選用 AT89S52 單片機(jī)。 溫濕度監(jiān)測(cè)模塊選擇與論證 方案一：采用獨(dú)立元器件連接電路。把溫度傳感器 LTC2996 與濕度傳感器TC623CEOA 一起連接到單片機(jī)上，從單片機(jī)顯示模塊上讀取參數(shù)數(shù)值后送入顯示電路。采用這種方法組成的電路很麻煩，編程比較困難，并且許多元器件在焊接的過程中操作容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，調(diào)試起來(lái)更復(fù)雜一些，與此同時(shí)大大提高了連接電路的成本。 方案二：采用 由數(shù)字采集技術(shù)和溫度傳感器技術(shù)組成的 溫 濕 度傳感器 DHT11 連接電路。它具有較好的實(shí)用性和穩(wěn)固性， 有效的溫度范圍是 0～ 50℃，測(cè)量準(zhǔn)確度 4 是 5%，濕度的范圍是 20%RH～ 90%RH，非常符合系統(tǒng)的需要。 DHT11 的信號(hào)傳輸距離至少 20m，是用單總線數(shù)據(jù)傳輸，有利于各種 MCU 進(jìn)行連接。它的電壓范圍僅有 ～ DC，分辨率為濕度 1%RH，溫度 1℃，具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，完全互換和超低能耗等功能。 綜上所述，方案二不僅操作簡(jiǎn)單，成本低，而且大大降低了外界對(duì)系統(tǒng)的干擾，并且測(cè)量精度較高。數(shù)字傳感器的本質(zhì)上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的程序，并減少了利用空間?？蓮膯纹瑱C(jī)上直接讀取經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器信號(hào)轉(zhuǎn)變輸出的數(shù)字信號(hào)。因此經(jīng)過分析比較，采用第二種方案。 煤氣監(jiān)測(cè)選擇與論證 方案一 ： 選用 催化燃燒式傳感器 。它 是將空氣中可燃?xì)怏w經(jīng)過傳 感器的催化燃燒作用檢測(cè)它在空氣中所占比例濃度是否達(dá)到爆炸燃點(diǎn)。該傳感器 是通化學(xué)反應(yīng)讓金屬表面電阻率發(fā)生改變從而構(gòu)成惠斯登檢測(cè)橋路。當(dāng)空氣中含有可燃性氣體接觸到檢測(cè)元件上時(shí)，該氣體快速無(wú)焰燃燒，并產(chǎn)生熱量，隨熱量的增加金屬表面的電阻值逐漸增大，從電橋上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)強(qiáng)弱與檢測(cè)到的可燃?xì)怏w濃度成正比。它的優(yōu)點(diǎn)是：穩(wěn)定性好、反應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、錯(cuò)誤率低、可控性能強(qiáng) 、使用時(shí)間約為 3 年 。 方案二： 選用 氣體傳感器 MQ5 連接電路。它 選擇的材料是電阻較大的 SnO2，其工作原理為 可燃?xì)怏w在 SnO2表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使電阻跟隨其發(fā)生變化，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。 SnO2 傳感器之所以能夠被很多科學(xué)研究人員所重視原因在于它在低溫的環(huán)境下能夠運(yùn)行、性能相對(duì)比較穩(wěn)定、檢測(cè)范圍比較廣泛等特點(diǎn)。 經(jīng)過兩種方案對(duì)比， 可燃?xì)怏w傳感器 MQ5 操作簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、更適用于家用。 綜上所述，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體式傳感器 MQ5。 總體硬件電路框架 該系統(tǒng) 是以 AT89S52 單片機(jī)為核心，通過連接 A/D 模塊 ，作用于溫濕度傳感器的信號(hào)處理模塊，溫濕度的自動(dòng)報(bào)警功能， LCD1602 顯示及單片機(jī)控制等部分 ，達(dá)到預(yù)期的效果 。通過傳感器來(lái)檢測(cè)室內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度、溫濕度的數(shù)值， 并 把檢測(cè)的數(shù)據(jù)與設(shè)定好的數(shù)值相比較，若大于預(yù)設(shè)值則報(bào)警模塊啟動(dòng)，若小于 預(yù)設(shè)值 則不啟動(dòng)。 從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、可燃?xì)怏w的濃度等數(shù)據(jù)的處理功能，并且和聲報(bào)警系統(tǒng) 5 相連接， 在 LCD1602 上顯示檢測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)，使得人們能夠及時(shí)處理。流程圖如下圖 所示： A T 8 9 S 5 2溫 濕 度 傳 感 器接 口 電 路煤 氣 傳 感 器數(shù) 碼 管 顯 示 電 路報(bào) 警 裝 置A / D 轉(zhuǎn) 換 器 圖 系統(tǒng)流程總圖 6 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與連接 溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) DHT11 是將數(shù)字采集與溫濕度傳感器集成一體、并能夠準(zhǔn)確的將信號(hào)傳輸 給單片機(jī)綜合型傳感器，其技術(shù)參數(shù)如表 所示。 表 溫濕度傳感器 DHT11 技術(shù)參數(shù) 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 供電電壓 DC 輸出 單總線數(shù)字信號(hào) 測(cè)量范圍 溫度 150℃ 濕度 2090%RH 測(cè)量精度 濕度177。 5%RH 溫度177。 2℃ 分辨率 濕度 1%RH，濕度 1℃ 互換性 可完互換 長(zhǎng)期穩(wěn)定性 177。 1%RH/年 此模塊的開發(fā)為人們家庭環(huán)境檢測(cè)提供了重要的保障， 它包含耐用、工作性能穩(wěn)定、供電電壓低等特點(diǎn)。非常便于電路連接的單線制串行接口，持久使用性、超強(qiáng)穩(wěn)定性，讓 DHT11 適用于各類環(huán)境，在類似的模塊中具有其特有的優(yōu)勢(shì)，它是采用單排引腳封裝技術(shù)。 DHT11 與 AT89S52 連線如圖 所示。 圖 DHT11 與 AT89S52 連線圖 R35KG NDVCC4741% R H癈DA T A2V D D1G ND4U3DH T 1 1X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2 7 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0832 為 8 位分辨率在其內(nèi)部設(shè)有模 /數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，另外還有兩個(gè)通道可調(diào)換的特性 ,分辨等級(jí)很高。工作時(shí)每次模 /數(shù)轉(zhuǎn)換間隔只用 32181。s，大大提高了運(yùn)行效率而且可靠性高。通過使能端控制 DI 接口，對(duì)信號(hào)的進(jìn)行處理，從而達(dá)到所需的通道。因此本設(shè)計(jì)將采用具有運(yùn)行效率高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)的轉(zhuǎn)換器 ADC0832 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。 ADC0832 引腳與單片機(jī)的連接，分別是 CS 、 CLK、 DO、 DI。 CS 輸入高 電平指令時(shí) A/D 芯片不運(yùn)行，其他端口的電平?jīng)]有限制。只有當(dāng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，AT89S52 單片機(jī)才 發(fā)出低電平的指令，將 CS 端口與 P10 連接變?yōu)榈碗娖?，并且持續(xù)一段時(shí)間等到電平信號(hào)轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換器芯片才開始信號(hào)轉(zhuǎn)化， 單片機(jī) P12 引腳與 CLK 端相連并發(fā)出時(shí)鐘脈沖指令， DI 端則與單片機(jī) P13 引 腳相連，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)輸入。 該連接圖 如圖 所示。 圖 ADC0832 與單片機(jī)的連接圖 燃?xì)獗O(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì) MQ5 傳感器 MQ5 構(gòu)造主要包括微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感層和一小塊加熱器 。成品氣敏元器件有 6 個(gè)引腳，它上面有 4 個(gè)引腳是用來(lái)接收信號(hào)，剩下的 2 個(gè)引腳通過加熱器輸出電流。 MQ5 數(shù)據(jù)如表 、表 所示。 MQ 這類氣體傳感器是由活性很大的X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 S 5 2CS1CH 02CH 13G ND4V C C8CL K7DI5DO6U2A DC 0 8 3 2G ND 8 金屬經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)得到的其氧化物從而構(gòu)成半導(dǎo)體材料。 MQ5 的電阻變化就是在該過程中實(shí)現(xiàn)的。在條件允許的情況下，傳感器還可以作為還原物，帶有負(fù)電荷的和此條件下的半導(dǎo)體發(fā)生一般化學(xué)反應(yīng)，使半導(dǎo)體表面的氧氣減少，以至于該導(dǎo)體表面電勢(shì)能減小，從而讓傳感器 的阻值降低。在氣體濃度適當(dāng)?shù)那闆r下，傳感器的電阻值與氣體濃度接近成反比，可用以下公式表 示：