家用环境监测系统的设计方案

- 1 - 家用环境监测系统的设计方案 第 1 章 绪论 引言 随着现代社会的高速发展，对环境参数的测量监控涉及到工农业生产、国防建设、科学实验、人们生活等各个方面。所以对标准测量室内环境要求越来越高，尤其在人们的日常家庭生活中。 人们会需要一个适宜的温度，不是太冷也不是太热。同时，人们对室内空气质量的要求更显重要。抽烟会使室内烟雾弥漫，使用液化气也难免会有泄露，这些气体都是对人体有害的。因此，把握室内的温度、湿度、空气质量的度，来进行妥善调节，从而避免由于这些环境因素的超标对人体造成的伤害就显得尤为重要。为了更好 的对这些环境参数进行有效快速的测量，传统的人工控制已经不能满足要求。随着传感器技术的不断发展，单片机的应用不断地走向深入， 同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。现代家庭环境监测中，对家庭环境的温湿度和有害气体浓度会有一定的要求，房主要随时能观看到房间里的温湿度。当温湿度超过或者低于一定的范围的时候，人会感觉到不舒服，有害气体浓度超过一定的值的时 候，会对人们的身体健康造成危害。这就需要对家庭环境进行监测，使家庭环境达到人们要求的范围，从享受到到健康舒适的生活。采用 51单片机来对这些参数进行控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点， 从而能大大提高人们的生活质量。 本课题要求根据家庭要求的环境参数，设计一个家用环境监测系统，该系统应以单片机为核心，实现对家庭环境的实时监测。 家庭环境监测 系统国内外发展趋势 在过去，室内的温湿度主要靠我们的身体感知来感受，对温度的高低没有确切的 - 2 - 数值，室内的气体主要靠我们的嗅觉来感受。但随着社会的发展，我们 对这些参数的精度要求也在不断提高，我们要知道温湿度的确切值，要知道有害气体是否超标。先是温度计、湿度计和气体检测仪的发明，给我们的生活带来了很大的方便，但是温度计和湿度计在显示上不够明了，精度不够，一些气体检测仪只是仅仅能够检测气体浓度，却不能对有害气体浓度的超标进行报警。所以现在市面上有很多以数码管显示，蜂鸣器报警的环境监测器材问世。目前，国内外开发出了一些基于单片机计算机的环境监测设备，但是价格比较高，其操作系统均为英文，普及性不强。 环境监测的核心部分是传感器，所以环境监测的发展主要体现在传感器的发展上，根据传感器在信号输出方式上的不同，可以分为模拟传感器和数字传感器。下面就模拟输出温湿度传感器和数字输出温湿度传感器进行简单介绍。 1、模拟输出温湿度传感器 模拟输出温湿度传感器信号采用模拟电压输出方式，具有精度高，可靠性高，一致性好，且已带温度补偿，稳定性好，使用方便及价格低廉等特点，适合对质量，成本要求比较苛刻的企业使用。该传感器亮点在于功耗低、体积小、单片机校准线性输出、信号传输距离长，试用于暖通空调，加湿器，除湿机，大气环境监控，测量仪表等应用领域。 2、数字输出温湿度传感器 对于更紧密控制能力、 更高精度和更大分辨率的需求带动了数字温度传感器的发展。被测温度信号从敏感元件接收的非电量到转换为微处理器可处理的数字信号，环节较多，而且模拟信号在长距离传输的过程中，受到的干扰较多，误差较大。因此，从非电量转换到数字信号，一般将其处理过程集成在单片 件体内部，这样就形成了功能强大，精确的数字传感器。 数字传感器与模拟传感器相比，由于采取高集成度设计和数字化处理，在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点，但受半导体器件本身限制，数字传感器还存在以下不够理想的地方： （ 1）数字传感器测量的是其自 身管芯的温度，并且管芯温度接近于引线温度，所以每个传感器必须安置在与被监视环境有良好热耦合的位置。实际应用时会出现传感 - 3 - 器所测温度值要小于环境温度，需要加修正值。 （ 2）数字传感器对温度转换为数字量的时间都较长。 （ 3）测温范围不宽（均在 至 +120 ）。 （ 4）数字传感器的传递函数存在有一定的非线性，可由软件校正。不过，数字传感器最好在常温下应用，超过常温范围它的误差较大。所以数字传感器目前还不适用于对温度变化敏感、环境恶劣的行业。 （ 5）眼下，数字传感器的价格比模拟传感器的高，作大范围推广应用时有一 定的难度。 由于它们各自有其优缺点，又各有自己的应用范围和市场，数字传感器和模拟传感器会并存很长一段时间，但随着材料科学和半导体技术的深入发展与合作，数字传感器测温精度进一步提高，测温范围拓宽，生产成本和销售价格不断降低，其发展趋势必将取代模拟传感器。 设计的目的和意义 现代家庭环境监测中，对家庭环境的温湿度和有害气体浓度会有一定的要求，房主要随时能观看到房间里的温湿度。当温湿度超过或者低于一定的范围的时候，人会感觉到不舒服，有害气体浓度超过一定的值的时候，会对人们的身体健康造成危害。这就需要 对家庭环境进行监测，使家庭环境达到人们要求的范围，从享受到健康舒适的生活。由于家庭里空间较大，并且每个房间内要求的温度不同，所以就得实现多点采集。 由于环境参数对于人们生活的重要性，这就要求能有一种有效的、低成本的仪表来实现监测控制功能，使得房主能方便有效地进行房间的监控操作（温湿度设定，实时显示，超标报警）。 利用单片机技术对家庭环境进行监控，用户可以方便地构造自己所需要的数据采集系统，在任何时候观察家庭环境的实时信息，提高了用户的生活质量和舒适度，获得了家庭环境的实时管理，实现自动化，智能化。微机测量是 微机设计的第一步，是微机测量技术的现场部分，即测量家庭环境中的环境参数，并使用单片机对测量的数据进行处理。 - 4 - - 5 - 温湿度传感器 片 机 气体传感器 键盘 显示电路 报警 电路 A/D 转换 复位电路 第 2 章 方案设计 在对课题进行了深入了解的基础上，形成了最终的设计方案，本章的内容为了对本设计方案进行较为详细的说明。本次设计的家用环境监测系统主要由以下几部分组成：温湿度传感器、单片机核心控制电路、键盘、温湿度显示电路和报警电路、有害气体浓度报警电路。 方案概述 本次设计的目的是设计一种基于单片机控制的家用环境监测系统。本系统属于多功能系统，可以设定温湿度和有害气体浓度的报警上下限，当温 度不在设置范围内时，则报警提示；当有害气体浓度超过设定值时，则报警提示。该设计控制器使用单片机。本监测系统由温湿度传感器电路、单片机系统、温湿度显示电路、有害气体浓度监测的 A/D 转换电路、键盘、报警电路构成。其基本工作原理：温湿度传感器内部的温度敏感元件和湿度敏感元件分别将温度和湿度转换成电信号，该信号首先进入内部的微弱的信号放大器进行放大，然后进入一个 14 位的内部 A/D 转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号传给单片机系统，单片机系统根据显示需要对数字信号进行处理，再送入液晶显示系统，温湿度值便在液晶 屏上显示出来了。同理，有害气体浓度检测电路接收到电信号，经过 A/D 转换器将其转换成数字信号传给单片机系统，由单片机系统判断是否超过设定值，超过则报警。总体设计方案框图如图 示： 图 总体设计方框图 - 6 - 设计的总体思路 本次设计要实现对家庭环境的监测，首先选择温湿度采集部分、有害气体浓度采集部分、单片机控制部分和显示部分，同时还要设计按键部分和报警部分，根据设计要求与设计思路，确定该系统的具体设计方案。 单片机的选择 现今社会单片机发展很迅猛，出现很多种类单片机 如： 片机、 片机 、 1列单片机 (51 单片机 )等 ； 片机： 司的单片机主要是基于 8051 内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统 8051，速度快 812 倍，带 4 路 串口，有全球唯一 ，加密性好，抗干扰强。适合用于精密仪器和加密仪器但相对家用其性价比太低成本高，很多功能都用不到。 片机：是 司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低， 精简指令集 ，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的 序存储器 的芯片。适合用于抗干扰领域，相对于家用其成本也是很高，也没法突出其特性如果用有点暴敛天物。 1列单片机 (51 单片机 )： 司的 8 位单片机有 个系列， 列是 8 位 片机，与 8051 系列单片机相兼容，静态时钟模式； 列单片机是增强 构、全静态工作方式、内载在线可编程 单片机，也叫 片机 。相对 说 能简单但完全能达到家用的功能要求，而 性价比就有点低。所以选择了 列。 40 个引脚， 4k 字节 速存储器， 128 字节内部 2 个 I/O 口线，两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时， 降至 0静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 工作，但允许 时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 三种 封装形式，以适应不同产品的需求。 - 7 - 其外形及引脚排列如图 示。 图 片模型 主要功能特性： 1、兼容 令系统。 2、 32 个双向 I/O 口。 3、 2 个 16 位可编程定时刚计数器中断。 4、 2 个串行中断。 5、 2 个外部中断源。 6、 2 个读写中断口线。 7、低功耗空闲和 掉电模式。 温湿度传感器的选择 现在的传感器很多，考虑了两种传感器： 一种是使用铂电阻温度传感器采集温度，湿敏电阻采集湿度，再经由 A/D 转换器转换成单片机能够处理的数字信号，然后送到单片机中进行处理变换后，最后将温湿度值显示在显示器上并判断是否超限。其中铂电阻可测 200 到 850 ，但其中需要 A/D 转换，而且连线时占用的 I/O 口过多。 - 8 - 另一种是采用 湿度传感器，它是瑞士 司推出的数字温湿度传感器，该传感器高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、 A/D 转换和加热器等功能 集成到一个芯片上，提供二线数字串行接口 口简单，支持 输可靠性高， 可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 8的数字值读数方式。其外形及引脚排列如图 示。 图 片模型 性能特点如下： 1、全量程标定，两线数字输出。 2、测量范围广；湿度测量范围： 0100%度测量范围： 120 。 3、测量精度高；湿度测量精度： 3%度测量精度： 。 4、响应时间短；响应时间： #50,50,10,10; 24; m=; n=; /*= 函 数 名： 外部中断 0 功能描述：中断入口函数，外部中断 0 的服务程序 =*/ a,b,c,d,e,f,g,h; =0123456789; =; i; ; i=0;if() 100; s-=000+0 /十位 s-=000/100+0 /个位 s-=0s-=00/10+0 /小数点第一位 s-=0+0 /小数点第二位 - 55 - 100; s-=000+0 /十位 s-=000/100+0 /个位 s-=0s-=00/10+0 /小数点第一位 s-=0+0 /小数点第二位 s-100; s-=000+0 /十位 s-=000/100+0 /个位 s-=0s-=00/10+0 /小数点第一位 s-=0+0 /小数点第二位 /*= 函 数 名： 功能描述：测量值温度和湿度的显示函数 =*/ s) i; i=0;i); i + 0; s-i); - 56 - /*= 函 数 名： 主函数 功能描述：整个系统的控制 =*/ a; ; m=0;n=0; ; ; ; /开外部中断 0 ; /1602 初始化 /温度转换 /湿度转换 /温度和湿度的补偿 ; /1602 显示界面初始化 /将浮点数转换成整型，各个位的数分别保存 if(00) ); 1); if(10) ); 1); ); 0); if(); 1); if(10) ); 1); ); 0); if(|(; ); /*文件 */ - 58 - # #0 07; 1=; 36; 35; 2=; =; 2=; 2=; 2=; 2=; ; ; ; ; ; ; ; ; - 59 - ; ; ; ; /*= 函 数 名： 忙程序 =*/ ; ; ; _; ; i; i=0;i0;i/=2) /高位先传送 if(i & Q=1; /循环相与，结果即为要发送的位 Q=0; ; ; ; ; /释放总线 ; Q=1) ; /检查应答，确认通讯正常 ; /1，通讯有误 /*= 函 数 名： 读数据函数 功能描述：接受元器件 送到主机的一个字节的数据， =*/ i,; ; - 62 - i=0i0;i/=2) ; Q) i); ; ; ; ; ; /*= 函 数 名： 复位函数 功能描述：将元器件复位，寄存器的值保持不变 =*/ i; ; ; i=0;s- if( s-s- /*= 函 数 名： 数据处理函数 功能描述：温度和湿度补偿及输出温度值和相对湿度值 =*/ s) /以上为 12 位湿度修正公示取值 /以上为 14 位温度修正公示取值 - 64 - t=s-rh=s-t * 40; /温度的补偿 c3*rh*+ c2* /相对湿度非线性补偿 / 25 ) * ( t2* + ( 100