【導讀】基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對環(huán)境問題及健康問題日。的時間是在居室內(nèi)度過的。本文研究的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀是以室內(nèi)?？諝庵杏卸居泻怏w的監(jiān)測監(jiān)控為背景，是以ATMEL工公司的一款8位超低功耗。單片機AT89S52為控制核心，一個51單片機的實時操作系統(tǒng)RTX51tiny將被應。濕度、甲醛、CO和甲烷的實時采集處理、顯示及相應的報警等功能。鋰電池供電，具有良好的便攜性和通用性，并且使用LCD1602點陣式液晶屏顯示。菜單，有良好的人機對話界面；同時設(shè)計了聲光報警系統(tǒng)，實現(xiàn)在參數(shù)超標時及。室內(nèi)智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應用于家。庭和社區(qū)的醫(yī)療健康保健，能夠?qū)崟r知道室內(nèi)空氣的質(zhì)量；本設(shè)計選用數(shù)字化溫。濕度傳感器DTH11對室內(nèi)溫濕度測量,CO和甲烷傳感器采用定電位電解式氣體傳。感器所需要的氣體進行測量；用單片機控制模擬開關(guān)達到對CO、甲烷及甲醛的

　　

【正文】 其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。 (2)DHT11 的接口電路及通訊過程 建議連接線長度短于 20 米時用 5K 上拉電阻 ,大于 20 米時根據(jù)實際情況使 用合適的上拉電阻。 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 26 DHT11 的典型應 用電路如圖 ： 圖 DHT11 典型應用電路 DATA 用于微處理器與 DHT11 之間的通訊和同步 ,采用單總線數(shù)據(jù)格式 ,一次通訊時間 4ms 左右 ,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分 ,具體格式在下面說明 ,當前小數(shù)部分用于以后擴展 ,現(xiàn)讀出為零 .操作流程如下 : 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為 40bit,高位先出。 數(shù)據(jù)格式 :8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bi 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 校驗和數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(shù)據(jù)等于“ 8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bi 溫度 整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末 8位。 用戶 MCU 發(fā)送一次開始信號后 ,DHT11 從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式 ,等待主機開始信號結(jié)束后 ,DHT11 發(fā)送響應信號 ,送出 40bit 的數(shù)據(jù) ,并觸發(fā)一次信號采集 ,用戶可選擇讀取部分數(shù)據(jù) .從模式下 ,DHT11 接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集 ,如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號 ,DHT11 不會主動進行溫濕度采集 .采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。 通訊過程如圖 所示 圖 DHT11 的通訊時序圖 總線空閑狀態(tài)為高電平 ,主機把總線拉低等待 DHT11 響應 ,主機把總線拉低必須大于 18 毫秒 ,保證 DHT11 能檢測到起始信號。 DHT11 接收到主機的開始信號后 ,等待主機開始信號結(jié)束 ,然后發(fā)送 80us 低電平響應信號 .主機發(fā)送開始信號 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 27 結(jié)束后 ,延時等待 2040us 后 , 讀取 DHT11 的響應信號 ,主機發(fā)送開始信號后 ,可以切換到輸入模式 ,或者輸出高電平均可 , 總線由上拉電阻拉高，如圖 ： 圖 DHT11 啟動時序圖 總線為低電平 ,說明 DHT11 發(fā)送響應信號 ,DHT11 發(fā)送響應信號后 ,再把總線拉高 80us,準備發(fā)送數(shù)據(jù) ,每一 bit數(shù)據(jù)都以 50us 低電平時隙開始 ,高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是 0 還是 和 ；如果讀取響應信號為高電平 ,則 DHT11 沒有響應 ,請檢查線路是否連接正常 .當最后一 bit 數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11 拉低總線 50us,隨后總線由上拉電阻拉高進入空閑狀態(tài)。 圖 DHT11 數(shù)字 0 信號表示方法 圖 DHT11 數(shù)字 1 信號表示方法 圖 是本設(shè)計 中 DHT11 的接口電路： 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 28 圖 DHT11 的接口電路 AT89S52 單片機簡介 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點而在許多領(lǐng)域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡技術(shù)等方面得到廣泛應用，從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動化程度大大提高。根據(jù)上述幾方面及本課題的實際情況，單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮 : 一是要有較強的抗干擾能力。由于一般室內(nèi)電子電器產(chǎn)品比較多，這對單片機的干擾較大，所以應采用抗干擾性能較好的單片機機 型。 二是要有較高的性價比。由于 MCS51 系列在我國使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是 ATMEL 公司 20xx 年推出的新一代 89S系列單片機，故本文采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機作為本系統(tǒng)控制單元的核心部件。 AT89S52 單片機是 AT89S 系列單片機中的一種，圖 2 是一般常用的雙列直插式，它是在現(xiàn)己廣泛應用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域的 AT89C52 系列單片機的換代產(chǎn)品。因此它具有 89C52 的全部功能： AT89S52 新增加的功能由特殊功能寄存器完成。 AT89S52 最小系統(tǒng)如圖 所示： 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 29 圖 單片機最小系統(tǒng) AT89S52單片機有以下特點：兼容 MCS51微控制器； 8K字節(jié) FLASH存貯器支持在系統(tǒng)編程 ISP1000次擦寫周期， 256字節(jié)片內(nèi) RAM，工作電壓 ，全靜態(tài)時鐘 0Hz到 33MHz，三級程序加密， 32個可編程 I/O口， 3個 16位定時 /計數(shù)器， 8個中斷源，完全的雙工 UART串行口，低功耗支持 Idle和 Powerdown模式， Powerdown模式支持中斷喚醒，看門狗定時器，雙數(shù)據(jù)指針，上電復位標志。 此外， AT89S52和 AT89C系 列單片機相比新增加了許多功能，這將使單片機在工作過程中具備更高的穩(wěn)定性和電磁抗干擾性。首先， AT89S52支持 ISP在線編程，這使生產(chǎn)及維護更為方便。其次， AT89S52內(nèi)部增加了片內(nèi)看門狗定時器，這將有利于堅固用戶應用系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。最后， AT89S52運行速度更高，最高晶振可達到 33MHZ。正因為 AT89S52單片機增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片擴展過多或傳感器輸入信號過多而引起的信號失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生。因此，用它作為室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測控制完全可以滿足實時監(jiān)測、報警等要求 。而且，從經(jīng)濟性的角度來看， AT89S52不但硬件結(jié)構(gòu)簡單，而且價格低、功能好、性價比高，符合我國工業(yè)設(shè)計制造的要求。 設(shè)計中采用 AT89S52單片機作為本系統(tǒng)控制單元的核心部并采用兩片74HC595來進行串轉(zhuǎn)并從而驅(qū)動 8個 LED燈和 LCD1602，這樣能節(jié)省一部分 IO口。硬件連接圖如圖 ，其中用 89S52的 P0口控制兩片 74HC595， P1口做鍵盤 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 30 接口， P2口和 P3作為功能接口。 圖 74HC595 與 AT89S52 的硬件連接圖 電源電路設(shè)計 電源電路如圖 ： 圖 系統(tǒng)電源電路 電源電路中采用 LM7805穩(wěn)壓芯片 。用 lm78/lm79系列三端穩(wěn)壓 IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC型號中的 lm78或 lm79后面 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 31 的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 lm7806表示輸出電壓為正 6V，lm7909表示輸出電壓為負 9V， 因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。 LM7805的實物圖如圖 ： 圖 LM7805 的實物圖 在電源的輸出端接入一個發(fā)光二極管來提示電源的輸出電壓是否有電壓輸出。 聲光報警模塊 聲光報警電路如圖 所示： 圖 聲光報警模塊 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 32 該模塊使用 74HC573對 8個發(fā)光二極管進行驅(qū)動，蜂鳴器只用一個 NPN三極管就可行了；電路比較簡單實用。 鍵盤電路 鍵盤接口電路 鍵盤接口采用中斷處理，這樣的處理方式實時性高，并且不會占用太多的CPU 時間，提高了 CPU 的使用效率，通過一片 74HC08， 74HC08 是 CMOS 的四 2 輸入與門，其接口如圖 所示；并將輸出接到外部 中斷接口引腳 INT0 出，當有鍵按下時立刻進入中斷處理程序處理相關(guān)的數(shù)據(jù)。 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 33 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 軟件系統(tǒng)需求框圖 圖 功能需求框圖 (1)程序模塊化；軟件設(shè)計中包含有：主程序模塊、顯示模塊、 A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊、聲光報警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、中斷處理模塊等。 (2)軟件設(shè)計采用 C51 語言，鍵盤掃描采用中斷處理 (3)本設(shè)計軟件系統(tǒng)的主要特點是應用 Keil自帶的一個專用 于 8051 單片機的實時操作系統(tǒng) RTX51； RTX51 是一個用于 8051 系列處理器多任務實時操作系統(tǒng)，RTX51 可以簡化那些復雜而且時間要求嚴格的工程的軟件設(shè)計工作。 有二個不同的 RTX51 版本可以利用： RTX51 Full 使用四個任務優(yōu)先權(quán)完成同時存在時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和搶先的任務切換 RTX51 工作在與中斷功能相似的狀態(tài)下 信號和信息可以通過郵箱系統(tǒng)在任務之間互相傳遞 你可以從一存儲池中分配和釋放內(nèi)存 你可以強迫一個任務等待中斷 超時或者是從另一個任務或中斷發(fā)出的信號或信息； RTX51 Tiny 是一個 RTX51的子集 它可以很容易地 在沒有任何外部存儲器的單片 8051 系統(tǒng)上運轉(zhuǎn) 除了下列例外 RTX51 Tiny 支持許多在 RTX51 中的特系統(tǒng)軟件 溫濕度傳感器采集 AD 轉(zhuǎn)換 人機接口 聲光報警 循環(huán)采用 轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取 鍵盤檢測 LCD 顯示 蜂鳴器報警 LED 報警 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 34 征； RTX51 Tiny 僅支持時間片輪轉(zhuǎn)任務切換和使用信號進行任務切換 不支持搶先式的任務切換不包括消息歷程沒有存儲器池分配程序。 本設(shè)計選用的事 RTX51 Tiny； 一般地，下面三步是使用 RTX51 Tiny 要實現(xiàn)的： (1) 編寫 RTX51 程序 (2) 編譯并連接程序 (3)測試和調(diào)試程序 軟件系統(tǒng)的流程圖 Y N 圖 主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 采樣子程序 獲取參數(shù) flag LCD 顯示與 flag 對應狀態(tài) 74Hc08是 CMOS 的 四 2輸入與門 參數(shù)是否超標 報警 結(jié)束 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 35 圖 中斷處理 開 始設(shè) 置 相 應 引 腳 電 平獲 取 鍵 盤 鍵 值是 否 是 該 鍵 按 下YN根 據(jù) 鍵 值 設(shè) 置 f l a g的 狀 態(tài)返 回鍵 值 是 否 是 數(shù) 字 0 ~ 9根 據(jù) f l a g 的 狀 態(tài) 處理 參 數(shù)NY 圖 鍵盤處理程序 主程序運行流程圖如圖 所示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實現(xiàn)的主要功能是實現(xiàn)對傳感器信號的數(shù)據(jù)采集，然后進行數(shù)據(jù)的計算、分析、送液晶進行顯示。程序開始時，對系統(tǒng)進行初始化，包括單片機的各寄存器、 RAM、定時器裝載初值、中斷設(shè)置及各模 塊初始化等。完成初始化后，系統(tǒng)開始采集各個傳感器模塊的參數(shù)，并根據(jù)相應的標志 flag 的狀態(tài)，在液晶顯示與標志狀態(tài)對應的參數(shù)，程序會一直判斷 flag 的狀態(tài)從而決定系統(tǒng)要做什么；同時， CPU 會現(xiàn)場保護 鍵盤處理狀態(tài) 恢復現(xiàn)場 返回回 基于單片機的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 36 一直檢測該標志的狀態(tài)，來確定系統(tǒng)怎樣運行；從而完成當前監(jiān)測參數(shù)的正確顯示。 在中斷程序中，本設(shè)計使用到了單片機的兩個外部中斷（ INT0 和 INT1）； INT0被用于鍵盤檢測，當 4*4 鍵盤有鍵被按下時，程序馬上進入鍵盤處理程序；鍵盤掃描使用了中斷，這樣節(jié)省了寶貴的單片機時間，讓 CPU 在只有鍵被按下時再進行鍵盤掃描與相應的參數(shù)處