【正文】 家用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案第1章 緒論 引言隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)環(huán)境參數(shù)的測量監(jiān)控涉及到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、人們生活等各個(gè)方面。所以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測量室內(nèi)環(huán)境要求越來越高，尤其在人們的日常家庭生活中。人們會(huì)需要一個(gè)適宜的溫度，不是太冷也不是太熱。同時(shí)，人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求更顯重要。抽煙會(huì)使室內(nèi)煙霧彌漫，使用液化氣也難免會(huì)有泄露，這些氣體都是對(duì)人體有害的。因此，把握室內(nèi)的溫度、濕度、空氣質(zhì)量的度，來進(jìn)行妥善調(diào)節(jié)，從而避免由于這些環(huán)境因素的超標(biāo)對(duì)人體造成的傷害就顯得尤為重要。為了更好的對(duì)這些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效快速的測量，傳統(tǒng)的人工控制已經(jīng)不能滿足要求。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善?，F(xiàn)代家庭環(huán)境監(jiān)測中，對(duì)家庭環(huán)境的溫濕度和有害氣體濃度會(huì)有一定的要求，房主要隨時(shí)能觀看到房間里的溫濕度。當(dāng)溫濕度超過或者低于一定的范圍的時(shí)候，人會(huì)感覺到不舒服，有害氣體濃度超過一定的值的時(shí)候，會(huì)對(duì)人們的身體健康造成危害。這就需要對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，使家庭環(huán)境達(dá)到人們要求的范圍，從享受到到健康舒適的生活。采用51單片機(jī)來對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行控制，具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，從而能大大提高人們的生活質(zhì)量。本課題要求根據(jù)家庭要求的環(huán)境參數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)家用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。 家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展趨勢在過去，室內(nèi)的溫濕度主要靠我們的身體感知來感受，對(duì)溫度的高低沒有確切的數(shù)值，室內(nèi)的氣體主要靠我們的嗅覺來感受。但隨著社會(huì)的發(fā)展，我們對(duì)這些參數(shù)的精度要求也在不斷提高，我們要知道溫濕度的確切值，要知道有害氣體是否超標(biāo)。先是溫度計(jì)、濕度計(jì)和氣體檢測儀的發(fā)明，給我們的生活帶來了很大的方便，但是溫度計(jì)和濕度計(jì)在顯示上不夠明了，精度不夠，一些氣體檢測儀只是僅僅能夠檢測氣體濃度，卻不能對(duì)有害氣體濃度的超標(biāo)進(jìn)行報(bào)警。所以現(xiàn)在市面上有很多以數(shù)碼管顯示，蜂鳴器報(bào)警的環(huán)境監(jiān)測器材問世。目前，國內(nèi)外開發(fā)出了一些基于單片機(jī)計(jì)算機(jī)的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，但是價(jià)格比較高，其操作系統(tǒng)均為英文，普及性不強(qiáng)。環(huán)境監(jiān)測的核心部分是傳感器，所以環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展主要體現(xiàn)在傳感器的發(fā)展上，根據(jù)傳感器在信號(hào)輸出方式上的不同，可以分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。下面就模擬輸出溫濕度傳感器和數(shù)字輸出溫濕度傳感器進(jìn)行簡單介紹。模擬輸出溫濕度傳感器模擬輸出溫濕度傳感器信號(hào)采用模擬電壓輸出方式，具有精度高，可靠性高，一致性好，且已帶溫度補(bǔ)償，穩(wěn)定性好，使用方便及價(jià)格低廉等特點(diǎn)，適合對(duì)質(zhì)量，成本要求比較苛刻的企業(yè)使用。該傳感器亮點(diǎn)在于功耗低、體積小、單片機(jī)校準(zhǔn)線性輸出、信號(hào)傳輸距離長，試用于暖通空調(diào)，加濕器，除濕機(jī)，大氣環(huán)境監(jiān)控，測量儀表等應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字輸出溫濕度傳感器對(duì)于更緊密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求帶動(dòng)了數(shù)字溫度傳感器的發(fā)展。被測溫度信號(hào)從敏感元件接收的非電量到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號(hào)，環(huán)節(jié)較多，而且模擬信號(hào)在長距離傳輸?shù)倪^程中，受到的干擾較多，誤差較大。因此，從非電量轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)，一般將其處理過程集成在單片IC器件體內(nèi)部，這樣就形成了功能強(qiáng)大，精確的數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器與模擬傳感器相比，由于采取高集成度設(shè)計(jì)和數(shù)字化處理，在可靠性、抗干擾能力以及器件微小化方面都有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但受半導(dǎo)體器件本身限制，數(shù)字傳感器還存在以下不夠理想的地方：（1）數(shù)字傳感器測量的是其自身管芯的溫度，并且管芯溫度接近于引線溫度，所以每個(gè)傳感器必須安置在與被監(jiān)視環(huán)境有良好熱耦合的位置。實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)傳感器所測溫度值要小于環(huán)境溫度，需要加修正值。（2）數(shù)字傳感器對(duì)溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的時(shí)間都較長。（3）測溫范圍不寬（均在40℃至+120℃）。（4）數(shù)字傳感器的傳遞函數(shù)存在有一定的非線性，可由軟件校正。不過，數(shù)字傳感器最好在常溫下應(yīng)用，超過常溫范圍它的誤差較大。所以數(shù)字傳感器目前還不適用于對(duì)溫度變化敏感、環(huán)境惡劣的行業(yè)。（5）眼下，數(shù)字傳感器的價(jià)格比模擬傳感器的高，作大范圍推廣應(yīng)用時(shí)有一定的難度。由于它們各自有其優(yōu)缺點(diǎn)，又各有自己的應(yīng)用范圍和市場，數(shù)字傳感器和模擬傳感器會(huì)并存很長一段時(shí)間，但隨著材料科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的深入發(fā)展與合作，數(shù)字傳感器測溫精度進(jìn)一步提高，測溫范圍拓寬，生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格不斷降低，其發(fā)展趨勢必將取代模擬傳感器。 設(shè)計(jì)的目的和意義現(xiàn)代家庭環(huán)境監(jiān)測中，對(duì)家庭環(huán)境的溫濕度和有害氣體濃度會(huì)有一定的要求，房主要隨時(shí)能觀看到房間里的溫濕度。當(dāng)溫濕度超過或者低于一定的范圍的時(shí)候，人會(huì)感覺到不舒服，有害氣體濃度超過一定的值的時(shí)候，會(huì)對(duì)人們的身體健康造成危害。這就需要對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，使家庭環(huán)境達(dá)到人們要求的范圍，從享受到健康舒適的生活。由于家庭里空間較大，并且每個(gè)房間內(nèi)要求的溫度不同，所以就得實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集。由于環(huán)境參數(shù)對(duì)于人們生活的重要性，這就要求能有一種有效的、低成本的儀表來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測控制功能，使得房主能方便有效地進(jìn)行房間的監(jiān)控操作（溫濕度設(shè)定，實(shí)時(shí)顯示，超標(biāo)報(bào)警）。利用單片機(jī)技術(shù)對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，用戶可以方便地構(gòu)造自己所需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在任何時(shí)候觀察家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)信息，提高了用戶的生活質(zhì)量和舒適度，獲得了家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，智能化。微機(jī)測量是微機(jī)設(shè)計(jì)的第一步，是微機(jī)測量技術(shù)的現(xiàn)場部分，即測量家庭環(huán)境中的環(huán)境參數(shù)，并使用單片機(jī)對(duì)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。第2章 方案設(shè)計(jì)在對(duì)課題進(jìn)行了深入了解的基礎(chǔ)上，形成了最終的設(shè)計(jì)方案，本章的內(nèi)容為了對(duì)本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行較為詳細(xì)的說明。本次設(shè)計(jì)的家用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：溫濕度傳感器、單片機(jī)核心控制電路、鍵盤、溫濕度顯示電路和報(bào)警電路、有害氣體濃度報(bào)警電路。 方案概述本次設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)控制的家用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)屬于多功能系統(tǒng)，可以設(shè)定溫濕度和有害氣體濃度的報(bào)警上下限，當(dāng)溫度不在設(shè)置范圍內(nèi)時(shí)，則報(bào)警提示；當(dāng)有害氣體濃度超過設(shè)定值時(shí)，則報(bào)警提示。該設(shè)計(jì)控制器使用單片機(jī)。本監(jiān)測系統(tǒng)由溫濕度傳感器電路、單片機(jī)系統(tǒng)、溫濕度顯示電路、有害氣體濃度監(jiān)測的A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤、報(bào)警電路構(gòu)成。其基本工作原理：溫濕度傳感器內(nèi)部的溫度敏感元件和濕度敏感元件分別將溫度和濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)首先進(jìn)入內(nèi)部的微弱的信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入一個(gè)14位的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)顯示需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，再送入液晶顯示系統(tǒng)，溫濕度值便在液晶屏上顯示出來了。同理，有害氣體濃度檢測電路接收到電信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)系統(tǒng)判斷是否超過設(shè)定值，超過則報(bào)警。：溫濕度傳感器AT89C51單片機(jī)氣體傳感器鍵盤顯示電路報(bào)警電路A/D轉(zhuǎn)換復(fù)位電路 總體設(shè)計(jì)方框圖 設(shè)計(jì)的總體思路本次設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的監(jiān)測，首先選擇溫濕度采集部分、有害氣體濃度采集部分、單片機(jī)控制部分和顯示部分，同時(shí)還要設(shè)計(jì)按鍵部分和報(bào)警部分，根據(jù)設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)思路，確定該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案。 單片機(jī)的選擇現(xiàn)今社會(huì)單片機(jī)發(fā)展很迅猛，出現(xiàn)很多種類單片機(jī)如：STC單片機(jī)、PIC單片機(jī)、PHLIPIS 51PLC系列單片機(jī)(51單片機(jī))等；STC單片機(jī)：STC公司的單片機(jī)主要是基于8051內(nèi)核，是新一代增強(qiáng)型單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度快8~12倍，帶ADC，4路PWM，雙串口，有全球唯一ID號(hào)，加密性好，抗干擾強(qiáng)。適合用于精密儀器和加密儀器但相對(duì)家用其性價(jià)比太低成本高，很多功能都用不到。 PIC單片機(jī)：是MICROCHIP公司的產(chǎn)品，其突出的特點(diǎn)是體積小，功耗低，精簡指令集，抗干擾性好，可靠性高，有較強(qiáng)的模擬接口，代碼保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存儲(chǔ)器的芯片。適合用于抗干擾領(lǐng)域，相對(duì)于家用其成本也是很高，也沒法突出其特性如果用有點(diǎn)暴斂天物。PHLIPIS 51PLC系列單片機(jī)(51單片機(jī))：ATMEL公司的8位單片機(jī)有AT8AT90兩個(gè)系列，AT89系列是8位Flash單片機(jī)，與8051系列單片機(jī)相兼容，靜態(tài)時(shí)鐘模式；AT90系列單片機(jī)是增強(qiáng)RISC結(jié)構(gòu)、全靜態(tài)工作方式、內(nèi)載在線可編程Flash的單片機(jī)，也叫AVR單片機(jī)。相對(duì)AT90來說AT89功能簡單但完全能達(dá)到家用的功能要求，而AT90的性價(jià)比就有點(diǎn)低。所以選擇了AT89系列。AT89C51 有40個(gè)引腳，4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。AT895C51有PDIP、TQFP及PLCC等三種 封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 at89c51芯片模型主要功能特性： 兼容MCS51指令系統(tǒng)。32個(gè)雙向I/O口。2個(gè)16位可編程定時(shí)剛／計(jì)數(shù)器中斷。 2個(gè)串行中斷。 2個(gè)外部中斷源。 2個(gè)讀寫中斷口線。低功耗空閑和掉電模式。 溫濕度傳感器的選擇現(xiàn)在的傳感器很多，考慮了兩種傳感器：一種是使用鉑電阻溫度傳感器采集溫度，濕敏電阻采集濕度，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，然后送到單片機(jī)中進(jìn)行處理變換后，最后將溫濕度值顯示在顯示器上并判斷是否超限。其中鉑電阻可測﹣200到850℃，但其中需要A/D轉(zhuǎn)換，而且連線時(shí)占用的I/O口過多。另一種是采用SHT11溫濕度傳感器，它是瑞士Sensirion公司推出的數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)812位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 SHT11芯片模型SHT11的性能特點(diǎn)如下： 全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出。測量范圍廣；濕度測量范圍：0~100%RH；溫度測量范圍：40~+120℃。測量精度高；濕度測量精度：177。3%RH：溫度測量精度：177?！妗ｍ憫?yīng)時(shí)間短；響應(yīng)時(shí)間：4s。低功耗，尺寸小，可完全浸沒。提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能。通過比較，可以看出使用SHT11溫室傳感器比用鉑電阻溫度傳感器和濕敏電阻方便很多，故選擇SHT11作為此次設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇在工業(yè)控制和智能化儀表中，常用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)加工的信息都是數(shù)字量，而被控制或測量對(duì)象的有關(guān)參量往往是連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量等，通過傳感器將這些信號(hào)轉(zhuǎn)成模擬信號(hào)。單片機(jī)要處理這種信號(hào)，首先必須將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這一轉(zhuǎn)換過程就是模/數(shù)轉(zhuǎn)換，現(xiàn)實(shí)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)備稱為A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。A/D轉(zhuǎn)換電路種類很多，目前在實(shí)用、教學(xué)方面使用較多的兩種A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0809和TLC1543。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，主要考慮以下的一些技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換頻率、量化誤差與分辨率、轉(zhuǎn)換精度、接口形式等。目前，較為流行的A/D轉(zhuǎn)換器很多都采用了串行接口，這使得這類芯片與單片機(jī)的硬件連接非常簡單。出于成本考慮，本次的設(shè)計(jì)采用串行接口的TLC1543而非并行接口的ADC0809。下面將簡單介紹一下TLC1543。 TLC1543芯片模型TLC1543是由TI公司開發(fā)的開關(guān)電容式A/D轉(zhuǎn)換器，該芯片具有如下特點(diǎn)：10位精度、11通道、三種內(nèi)建的自測模式、提供EOC（轉(zhuǎn)換完成）信號(hào)等。該芯片與單片機(jī)的接口采用串行接口方式，引線很少，與單片機(jī)連接簡單。其中AIN0~AIN10是11路輸入，REF+和REF分別是參考電源的正負(fù)引腳，使用時(shí)一般將REF接到系統(tǒng)的地，達(dá)到一點(diǎn)接地的要求，以減少干擾。其余引腳是TLC1543與CPU的接口，其中CS為片選端，如不需片選，可直接接地。CLK是芯片的時(shí)鐘端，ADDR是地址選擇端，SDO是數(shù)據(jù)輸出端，這三根引腳分別接到CPU的三個(gè)I/O端即可。EOC用于指示一次A/D轉(zhuǎn)換已完成，CPU可以讀取數(shù)據(jù)，該引腳是低電平有效，根據(jù)需要，該引腳可接入CPU的中斷引腳，一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，向CPU提出中斷請(qǐng)求。此外，也可以將該引腳接入一個(gè)普通的I/O引腳，CPU通過查詢?cè)撘_的狀態(tài)來了解當(dāng)前的狀態(tài)，甚至該引腳也可以不接，在CPU向TLC1543發(fā)出轉(zhuǎn)換命令后，過一段固定的時(shí)間去讀取數(shù)據(jù)即可。 顯示方式的選擇LED是發(fā)光二極管Light Emitting Diode的英文縮寫。LED應(yīng)用可分為兩大類：一是LED單管應(yīng)用，包括背光源LED，紅外線LED等；另外就是LED顯示屏，目前，中國在LED基礎(chǔ)材料制造方面與國際還存在著一定的差距，但就LED顯示屏而言，我國的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)水平基本與國際同步。LED顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的一種顯示器件。發(fā)光二極管是由半導(dǎo)體發(fā)光材料做成的PN結(jié)，只要在發(fā)光二極管兩端通過正向電流520mA就能達(dá)到正常發(fā)光，發(fā)光顏色通常有紅、綠、黃、白等顏色。單個(gè)發(fā)光二極管通常是通過亮、滅來指示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和用快速閃爍來報(bào)警。它采用低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有：耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。通常所說的LED數(shù)碼管顯示器由7個(gè)發(fā)光二極管組成，因此也稱之為七段LED顯示器，顯示器中還有一個(gè)圈點(diǎn)型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過七個(gè)發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其它符號(hào)。LCD顯示器的原文是L