【正文】 達(dá)國(guó)家學(xué)習(xí)的精神是一直以來不可動(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。 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。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)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： 系統(tǒng)流程總圖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。 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連線圖 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。 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)引腳是用來接收信號(hào)，剩下的 2 個(gè)引腳通過加熱器輸出電流。、 所示。MQ這類氣體傳感器是由活性很大的金屬經(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：RS=ACα (31)式中：Rs—傳感器電阻；A —常數(shù)；[C]—?dú)怏w濃度；α—曲線斜率。表32 MQ5 標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注VC回路電壓≤15VAC or DCVH加熱電壓177。AC or DCRL負(fù)載電阻可調(diào)RH加熱電阻31Ω177。3ΩPH加熱功耗≤900mVV表33 MQ5 靈敏度特性符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)參數(shù)備注Rs敏感體電阻10KΩ60KΩ （1000ppm甲烷）探測(cè)范圍： 3005000ppm 液化氣、天然氣、 煤氣α濃度斜率≤(R1000ppm/R500ppm標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度、濕度