【正文】 利用傳感器技術(shù)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，和微控制器技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套對(duì)室內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控的操作方便、簡(jiǎn)潔實(shí)用的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本章工作內(nèi)容使得硬件部分與軟件部分結(jié)合實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。圖43 protues仿真調(diào)試圖44 實(shí)物調(diào)試167。調(diào)試完成后將程序?qū)雙rotues中進(jìn)行仿真，觀察系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖43。調(diào)試過(guò)程中單步運(yùn)行和斷點(diǎn)運(yùn)行調(diào)試只能驗(yàn)證程序正確與否，而不能確定定時(shí)精度、CPU的實(shí)時(shí)響應(yīng)等問(wèn)題，故在單步和斷點(diǎn)調(diào)試之后，又進(jìn)行了連續(xù)調(diào)試。圖42 KeilC51軟件調(diào)試截面圖在具體的調(diào)試過(guò)程中，采取以下方法進(jìn)行調(diào)試：在Keil C51編譯環(huán)境中編寫(xiě)、編譯軟件模塊，進(jìn)行軟件仿真調(diào)試，對(duì)功能模塊的軟件仿真。圖41 硬件實(shí)物圖167。若上述的一切都正常，則硬件調(diào)試的準(zhǔn)備工作完成。在插座、元件焊接完畢后，仔細(xì)檢查元件面各元件之間裸露部分有無(wú)相互接觸現(xiàn)象，焊接面的各焊點(diǎn)間、焊點(diǎn)和近鄰線有無(wú)連接。拿到印刷電路板后，用萬(wàn)用表直接檢查線路板各處是否有明顯短路、斷路的地方，尤其是電源是否短路。(4)電源故障：若系統(tǒng)中存在電源故障，則加電后將造成器件損壞。(2)器件失效：元器件失效主要是因?yàn)槠骷旧硪褤p壞或性能不符合要求，或者是由于組裝錯(cuò)誤造成的元器件失效，如電解電容、二極管的極性錯(cuò)誤，集成塊安裝方向錯(cuò)誤等。167。在本章開(kāi)始給出了主程序結(jié)構(gòu)流程圖，然后分別對(duì)各個(gè)子模塊的軟件流程進(jìn)行介紹。在這一章里對(duì)室內(nèi)便攜式只能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。已滿足用戶對(duì)環(huán)境條件檢測(cè)要求的不同，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交流。167。167。系統(tǒng)上電LCD初始化，液晶顯示首先需要要按照時(shí)序給定顯示地址，然后傳送數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)所用的顯示器件為1602液晶面板，該液晶能顯示32個(gè)字符，滿足顯示要求。所用的芯片為AD0809，根據(jù)所需的要求。，設(shè)定一定的時(shí)間讓CPU處于等待狀態(tài)，此時(shí)間足夠AD完成轉(zhuǎn)換，過(guò)了等待時(shí)間CPU再去讀取數(shù)據(jù)。YNYNNYNY進(jìn)入設(shè)定功能按鍵調(diào)整函數(shù)手自動(dòng)切換函數(shù)設(shè)置完成進(jìn)入切換功能自動(dòng)顯示開(kāi)始初始化DHT11傳感器數(shù)據(jù)采集延時(shí)、報(bào)警函數(shù)VOC濃度顯示濕度顯示溫度顯示VOC傳感器數(shù)據(jù)采集延時(shí)、報(bào)警函數(shù)延時(shí)、報(bào)警函數(shù) 圖31 主程序流程圖167。程序開(kāi)始時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的各寄存器、RAM、定時(shí)器裝載初值、中斷設(shè)置及各模塊初始化等。主程序運(yùn)行流程圖如圖31所示。167。軟件抗干擾措施提高了系統(tǒng)的可靠性。，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理事件能力。軟件設(shè)計(jì)中包含有：主程序模塊、顯示模塊、DHT11傳感器檢測(cè)函數(shù)、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊、聲光報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、按鍵函數(shù)。 軟件功能需求室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)儀系統(tǒng)軟件主要由溫濕傳感器采集模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)接口模塊、聲光報(bào)警模塊、核心控制器模塊構(gòu)成，各模塊功能概述如表31所示。基于C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)方法。C語(yǔ)言能直接與存儲(chǔ)器、接口電路打交道，也能申請(qǐng)中斷。C語(yǔ)言主要有以下特點(diǎn)：用C語(yǔ)言編制的程序效率高，占用存儲(chǔ)空間小，運(yùn)行速度快。其中匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言應(yīng)用的較多，匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。保證系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的精度。系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時(shí)做出處理結(jié)果。編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。可靠性是軟件設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 編程語(yǔ)言的選擇在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實(shí)現(xiàn)將依賴于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。）第3章 空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)167。大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。這一章比較具體的說(shuō)明了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)思想，把一個(gè)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)按照功能劃分成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的電路模型，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在集成到一起。本章重點(diǎn)介紹了信號(hào)采集模擬電路和以主控制器為中心的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與工作原理。本章首先介紹了便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，該儀器以8位單片機(jī)STC90C51作為控制核心，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，完成了有毒氣體濃度信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路等的設(shè)計(jì)。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱板。圖223 按鍵電路167。圖222 LCD1602接線電路圖167。167。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。圖221 1602LCD內(nèi)部顯示地址第二行第一個(gè)字符的地址是40H，寫(xiě)入顯示地址時(shí)要求最高位D7恒定為高電平1所以實(shí)際寫(xiě)入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是：01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。指令11：讀數(shù)據(jù)。指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。指令5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。指令4：顯示開(kāi)關(guān)控制。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。（說(shuō)明：1為高電平、0為低電平）指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。167。第15腳：背光源正極。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，夜景模塊執(zhí)行命令。第5腳：R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無(wú)差別，兩者尺寸差別如下圖218所示：圖218 1602LCD尺寸圖1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量：16x2個(gè)字符芯片工作電壓：—工作電流：（5V）模塊兒最佳工作電壓：字符尺寸：(WH)mm引腳功能說(shuō)明：1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無(wú)背光）或16腳（有背光）接口，各引腳說(shuō)明如表26所示：表26 1602引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫(xiě)選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極第1腳：VSS為地電源。下面以長(zhǎng)沙太陽(yáng)人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件了。圖216 聲光報(bào)警電路167。為了使本系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測(cè)更為直觀，采用了如圖216由2個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成的聲光報(bào)警電路。輸入的模擬電壓為0~5V，一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μS。A、B、C地址輸入線ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。圖214 ADC0809管腳示意圖ADC0809各腳功能如表25：表25 ADC0809各腳功能引腳功能介紹D7D0IN0IN78位數(shù)字量輸出引腳8位模擬量輸入引腳VCC+5V工作電壓REF（+）參考電壓正端REF（）參考電壓負(fù)端STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端ALE地址鎖存允許信號(hào)輸入端EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平OE輸出允許控制端，用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。氣體傳感器出來(lái)的信號(hào)是模擬信號(hào)，而微處理器STC90C51只能處理數(shù)字信號(hào)，故需要對(duì)模擬信號(hào)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為處理器能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由于測(cè)試電路出來(lái)的模擬電壓變化范圍在0~5V，故選擇性價(jià)比比較合適的ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。封裝信息如圖212，圖212 DHT11封裝圖 DHT11引腳說(shuō)明見(jiàn)表24。長(zhǎng)時(shí)間暴露在太陽(yáng)光下或強(qiáng)烈的紫外線輻射中，會(huì)使性能降低。如果與釋放熱量的電子元件共用一個(gè)印刷線路板，在安裝時(shí)應(yīng)盡可能將DHT11遠(yuǎn)離電子元件，并安裝在熱源下方，同時(shí)保持外殼的良好通風(fēng)。氣體的相對(duì)濕度，在很大程度上依賴于溫度。置于極限工作條件下或化學(xué)蒸汽中的傳感器，通過(guò)如下處理程序，可使其恢復(fù)到校準(zhǔn)時(shí)的狀態(tài)。下文所述的恢復(fù)處理將加速實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。電阻式濕度傳感器的感應(yīng)層會(huì)受到化學(xué)蒸汽的干擾，化學(xué)物質(zhì)在感應(yīng)層中的擴(kuò)散可能導(dǎo)致測(cè)量值漂移和靈敏度下降。要加速恢復(fù)進(jìn)程/“恢復(fù)處理”。應(yīng)用信息超出建議的工作范圍可能導(dǎo)致高達(dá)3%RH的臨時(shí)性漂移信號(hào)。 數(shù)字0信號(hào)表示方法如圖210所示圖210 數(shù)字0信號(hào)表示方法數(shù)字1信號(hào)表示方法如圖211所示圖211 數(shù)字1信號(hào)表示方法測(cè)量分辨率測(cè)量分辨率分別為 8bit（溫度）、8bit（濕度）。格式見(jiàn)下面圖示，如果讀取響應(yīng)信號(hào)為高電平，則DHT11沒(méi)有響應(yīng)，請(qǐng)檢查線路是否連接正常。主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待2040us后，讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)，主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)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。（1）.通訊過(guò)程如圖28所示圖28 通訊過(guò)程操作時(shí)序如圖29，總線空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒，保證DHT11能檢測(cè)到起始信號(hào)。用戶MCU發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。串行接口 (單線雙向)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(shí)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(shuō)明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。傳感器上電后，要等待 1s 以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。2℃量程范圍050℃響應(yīng)時(shí)間1/e(63%)630S 接口說(shuō)明 建議連接線長(zhǎng)度短于20米時(shí)用5K上拉電阻，大于20米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻接線方式如圖27。1℃精度177。1%RH長(zhǎng)期穩(wěn)定性典型值177。4%RH0－50℃177。表22 傳感器性能說(shuō)明參數(shù)條件MinTypMax單位濕度分辨率111%RH16Bit重復(fù)性177。5％RH177。傳感器信息見(jiàn)表21。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。圖26 DHT11實(shí)物圖具有的特性：相對(duì)濕度和溫度測(cè)量、全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出、卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、無(wú)需額外部件、超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離、超低能耗、4引腳安裝、完全互換。鑒于測(cè)量溫濕度的范圍不大，精度要求不高故采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11。溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的設(shè)備或裝置。實(shí)物如圖24，使用時(shí)的連接電路如圖25?；诒疚牡膶?shí)時(shí)要求和性價(jià)比等方面的原因，本系統(tǒng)選用電化學(xué)傳感器中的定電位電解式氣體傳感器。由于不同氣體對(duì)紅外波吸收程度不同，通過(guò)測(cè)量紅外吸收波長(zhǎng)來(lái)監(jiān)測(cè)氣體。后者因?yàn)榇呋瘎┑年P(guān)系具有廣普特性應(yīng)用更廣。(6)接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w。它介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間。而電化學(xué)傳感器因其良好的選擇性和高靈敏度被廣泛應(yīng)用在幾乎所有工業(yè)場(chǎng)合。不足之處是有壽命的限制一般為兩年。(3)電化學(xué)氣體傳感器的工作原理電化學(xué)氣體傳感器是通過(guò)監(jiān)測(cè)電流來(lái)監(jiān)測(cè)氣體的濃度，分為不需供電的原電池式以及需要供電的可控電位電解式，目前可以監(jiān)測(cè)許多有毒氣體和氧氣，后者還能監(jiān)測(cè)血液中的氧濃度。為了消除氣體分子達(dá)到初始狀態(tài)就必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。(2)半導(dǎo)體傳感器需要加熱的原因半導(dǎo)體傳感器是利用一種金屬氧化物薄膜制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。 (1)半導(dǎo)體型氣體傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)半導(dǎo)體氣體傳感器具有成本低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。167。本設(shè)計(jì)采用的是按鍵復(fù)位電路。其電路如圖22所示：圖22 時(shí)鐘電路模塊167。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。 圖21 STC90C51引腳布置167。1