家庭环境监测平台设计（硬件）制作与研究.doc

家庭环境监测平台设计（硬件）制作与研究摘 要单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制不断更新。该毕业设计主要是运用单片机控制家庭环境检测系统，该系统使用了MC68HC08JL3芯片、MQ-211气敏传感器、温度传感器、湿度传感器、按键等元器件，它的功能可以实现对室内环境进行检测，如果检测到温度、湿度、有害气体超标时，能及时提醒用户对室内环境进行调节。关键词： 单片机的控制原理 传感器 硬件的设计 AbstractMonolithic integrated circuits application is moving toward unceasingly thoroughly, simultaneously leads the traditional control to renew unceasingly. This graduation project mainly utilizes the monolithic integrated circuit control home environment examination system, this system has used the MC68HC08JL3 chip, MQ-211 primary devices and so on gas sensor, temperature sensor, humidity sensor, pressed key, its function may realize to the indoor environment carries on the examination, if examines time the temperature, the humidity, noxious gas exceeding the allowed figure, can remind the user to carry on the adjustment promptly to the indoor environment.Key words: The control principle of MCU； Sensor ； hardware design ； 目 录摘 要第一章 家庭环境检测系统的设计1.1题目背景1.2题目意义1. 3解决方案设计 1.3.1硬件方案设计 1.3.2芯片的选择第二章 功能说明以及系统框图 2.1家庭环境检测系统的基本功能说明 2.2家庭环境检测系统系统框图第三章 硬件设计及电路原理3.1 单片机模块设计3.1.1芯片管脚布局3.1.2芯片管脚的连接3.1.3电源电路3.1.4晶振电路3.2 LCD液晶模块设计3.2 .1 LCD的特点3.2 .2 LCD的管脚3.2. 3 LCD的连接3.3 湿度传感器模块设计 3.3.1湿度传感器的特点及连接 3.3.2湿度传感器的参数计算3.4 温度传感器模块设计 3.4.1温度传感器的特点及连接3.4.2温度传感器的参数计算3.5 气敏传感器模块设计 3.5.1气敏传感器的特点及使用 3.5.2气敏传感器的连接3.6 按键电路3.7 蜂鸣器驱动电路第四章 电路测试及问题分析第五章 结束语参考文献附录一： 家庭环境检测系统模块原理图附录二： 家庭环境检测系统模块PCB图05级电子信息工程技术专业毕业设计制作说明书第一章 家庭环境检测系统的设计1.1题目背景在下雨天的时候，天气会比较潮湿，使人不舒服，有时还会造成电器的损坏。焖热的天气容易使人的心情烦躁，煤气的泄漏威胁着人们的生命安全。为了保证人们生活在相对安全的环境中，利用传感器对温度、湿度和可燃气体的现场检测显得更加重要。1.2题目意义本发明提供一种新的家庭环境检测系统，可以对室内环境进行检测，如果检测到温度、湿度、有害气体超标时，能及时提醒用户对室内环境进行调节。对保护人民的身体健康和财产安全有重要意义。1.3 解决方案设计 为了能实现家庭环境检测系统的功能,分为七大模块电路设计来实现功能,方案设计如下:1.3.1硬件方案设计在家庭环境检测系统硬件设计上，由单片机（MC68HC08JL3）控制整个系统的运作、MQ-211气敏传感器模块实现检测室内可燃气体功能、温度传感器模块实现检测室内的温度功能、湿度传感器模块实现检测室内的湿度功能、按键模块实现设时间、调时间功能、LCD液晶模块实现显示功能、蜂鸣器模块实现报警功能。这七大模块组成的原理图来实现家庭环境检测系统的功能。1.3.2芯片的选择在该设计中，选用了MC68HC08JL3作为控制芯片，该芯片有丰富的内部资源，具有引脚的多功能化，低电压，低功耗等优点。还具有多个ADC引脚，将模拟的信号转换为单片机可以处理的数字信号的功能。可以进行C语言编写程序，易于实现。第二章 功能说明以及系统框图2.1 家庭环境检测系统的基本功能该系统的基本功能如下：（1）电时蜂鸣器响一声，LCD液晶显示室内温度、湿度、可燃气体是否超标、时间。（2）当室内温度大于40度、湿度大于80%、检测到可燃气体时，蜂鸣器报警。（3）一次按键时，蜂鸣器响一声。当第一次按设时按键：小时闪烁、蜂鸣器响一声，这时可以通过按调时按键设定小时时间。第二次按设时按键：分钟闪烁、蜂鸣器响一声，这时可以通过按调时按键设定分钟时间，第三次按设时按键：时间不闪烁、蜂鸣器响一声，不可以设定时间,回到初始状态。2.2家庭环境检测系统框图根据上述基本功能绘画出如下系统框图：家庭环境检测系统框图如图：2-1所示，由单片机（MC68HC08JL3芯片）功能件连接方式入口端分别与MQ-211气敏传感器、温度传感器、湿度传感器、按键模块连接，其出口端分别与LCD液晶显示屏、蜂鸣器连接。湿度传感器气敏传感器 单片机（68HC08JL3）温度传感器按键模块 LCD显示模块蜂鸣器模块 图2-1：系统框图第三章 硬件电路设计及电路原理3.1单片机模块设计在该设计中，为了实现家庭环境检测系统中各个功能，所以选用了单片机（MC68HC08JL3）作为控制芯片，来控制家庭环境检测系统的各个功能。3.1.1芯片管脚布局（1）管脚的名称和说明：管脚名称管脚说明输入/输出管脚电压水平 VDD电源正 输入 5V或3V VSS电源地 输出 0V RST复位管脚，低有效带内部上拉，Schmitt 触发电路 输入 VDD IRQ外中断输入口软件编程内部上拉，输入Schmitt 触发电路也用于芯片工作模式选择 输入VDD至VDD+VHI OSC1X_tal(晶振)或RC振荡输入 输入 模拟量 OSC2对X_tal(晶振)，是OSC1信号的转换输出 输出 模拟量对RC振荡，默认为RCCLK输出同时可选为PTA6普通口，带可编程上拉输入/输出 VDDPTA(0,6)7位普通I/O口输入/输出 VDD全部可选(软件编程)键中断 输入 VDD全部可选(软件编程)上拉 输入 VDDPTB(0,7)8位普通I/O口输入/输出 VDD8位ADC转换口 ADC(0,7) 输入 模拟量PTD(0,7)8位普通I/O口输入/输出 VDDPTD(3,0)4位ADC转换口 ADC(8,11) 输入 模拟量PDT(4,5)2位TIM通道 TCH0和TCH1输入/输出 VDD纵上所述，MC68HC908JL3的28引脚有23位I/O- 其中12路A/D，不做A/D也可定义成普通I/O- 10个LED驱动25mA大电流输出- 2路输入捕捉或输出比较或PWM- 7个键盘中断口（2）芯片的工作条件:若要使得单片机（MC68HC08JL3）能正常工作，必须满足两个条件：1）电源连接正确：必须将单片机的VDD引脚 接上5V电压，为了稳定电压与地接一个C104，另外还要将VSS接地，做低电平，其余空出的脚接地。芯片的工作电压最高为5V，最低为1.5V。2）提供工作时钟：晶振是用来产生单片机的总线频率和定时器频率, 为了时间的准确性，通常采用石英振荡器。石英晶体振荡器采用石英共振或陶瓷共振来提供精确的时钟频率。在实际工作时，这种振荡器有两个外部引脚，即振荡放大器输入端OSC1和振荡放大器输出端OSC2，以便将信号返回芯片，需要在这两个引脚间加入晶振、反馈电阻，以实现稳定的工作频率。在电路设计中选用了8M的晶振，同时并联了8.2M的电阻，为系统提供了总线周期。3.1.2芯片管脚的连接：在该设计中，湿度传感器、温度传感器、气敏传感器所检测到的数据要发送到单片机进行处理。所以使用了三个具有ADC功能的管脚，将数据的模拟信号转换为单片机可以处理的数字信号。芯片管脚的连接如图：3-1所示，MC68HC08JL3芯片3号脚接地线，4号和5号管脚接晶振，6号、8号和9号管脚分别接按键1、按键2、按键3，7号管脚接5V电源，12号管脚（该脚具备ADC功能）接MQ211气敏传感器的输入端。16号管脚接LCD的RS管脚，17号管脚（该脚具备ADC功能）接湿度传感器的输入端。19号管脚接LCD的RW管脚。20号管脚接LCD的E管脚。22号管脚（该脚具备ADC功能）接温度传感器的输入端，26号管脚接蜂鸣器。 图3-1：芯片管脚的连接3.1.3电源电路电源电路如图3-2所示， 12V直流电源经C0、C1电容高低频滤波后，送入三端稳压器7805的输入端，稳压后从输出端输出+5V直流电压经C2、C3电容高低频滤波后，+5V电压供电给单片机、按键、蜂鸣器驱动等电路工作。 图3-2: 电源电路3.1.4 晶振电路外部晶振电路如图3-3所示，MC68HC908JL3的4号管脚OSC1是内部晶振的输入端，5号管脚OSC2是内部晶振电路的输出端。外部晶振XL最高可以接12MHz，典型值为4MHZ和8MHZ；电阻R21是反馈电阻，阻值一般为几兆到十几兆欧姆，当外部晶振的频率比较高时可以不要反馈电阻；电容C13、C14一般为6pF到40pF左右，两个电容可以相等，也可以略有差异，但是不能相差太大，略有差异有利于起振，相差太大则会导致不能起振，一般接两个相同容量的电容，由于实际的电容不可能做到绝对相同，所以数值相同的两个电容实际上也是存在差异的。 图3-3:晶振电路3.2 LCD模块设计 在该设计中,LCD要显示温度、湿度、可燃气体是否超标、时间的功能。所以使用了一块行列点阵数为128*64,每行可以显示8个字符，共显示4行字的LCD。该LCD的型号为ST7920系列。3.2.1 LCD特点（1）LCD工作条件： 1）逻辑工作电压(VDD)：4.55.5V2）电源地(GND)：0V3）工作温度(Ta)：060(常温) （2）外形尺寸：ITEMNOMINAL DIMENUNIT模块体积937812.5mm视域70.738.8mm行列点阵数12864dots点距离0.520.52mm点大小0.480.48mm（3）ST7920系列产品硬件特性如下：1）提供8位，4位并行接口及串行接口可选2）并行接口适配M6800时序3）自动电源启动复位功能4）内部自建振荡源5）64*16位半宽字符显示RAM（DDAM最多16字符*4行，LCD显示范围16*2行）6）2M位中文字型ROM（CGROM），总共提供8192个中文字型（16*16点阵）7）16K位半宽字型ROM（HCGROM），总共提供126个西文字型（16*8点阵）8）64*16位字符产生（CGROM）9）15*16位总共240点的ICON RAM (ICONRAM)（4）中文字库选择：ST79200A内建BIG5码繁体中文字型库ST79200B内建GB码简体中文字型库（5）电气特性：（测试条件Ta=25,Vdd=5.0+10%） 1）输入高电平（V i h）： 0.7VddVdd 2）输入低电平（V i l）： 0.6Vmax 3）输出高电平（V o h）：0.8VddVdd 4）输出低电平（V o l）：0.4Vmax 5）模块工作电流： 1.141.18mA(不含背光) 6）侧白光工作电流： （6） PSB电路： PSB接高时选择并口，接低时选项择串口。模块上一般都有跳线方式将PSB接高或接低，用户可以不处理PSB脚（用户事先需声明是用并口还是串口）。也可以选择不在模块上处理，而由客户自己选择并口还是串口。3.2.2 LCD的管脚（1）管脚名称和说明：引脚名称方向说明引脚名称方向说明1VSS-GND（0V）11DB4I数据42VDD-Supply Voltage For Logic (+5v)12DB5I数据53VO-Supply Voltage For LCD （悬空）13DB6I数据64RS (CS)OH: Data L: Instruction Code14DB7I数据75R/W (SID)OH: Read L: Write15PSBOH: Parallel Mode L: Serial Mode6E (SCLK)OEnable Signal16NC-空脚7DB0I数据017/RSTOReset Signal 低电平有效8DB1I数据118NC-空脚9DB2I数据219LEDA-背光源正极（LED+5V）10DB3I数据320LEDK-背光源负极（LED-OV）（2）管脚功能：3.2.3 LCD的连接当LCD选择并口时，要把8个数据送到芯片，而LCD选择串口时，只需要把3个数据送到芯片。由于芯片的管脚不够用，所以LCD的连接方式选择串口。LCD的连接方法如图3-4所示，LCD 1号管脚接地线，2号和3号管脚接5V电源，4号管脚接MC68HC908JL3的16号管脚PTD0上。5号管脚接MC68HC908JL3的19号管脚PTD1上。6号管脚接MC68HC908JL3的20号管脚PTB1上。19号管脚（背光灯正）接地线，20号管脚（背光灯负）接5V电源。 图3-4：LCD的连接3.3湿度传感器模块设计在该设计中，为了实现家庭环境检测系统可以检测到室内的湿度，所以使用了湿度传感器来实现这个功能的要求。3.3.1湿度传感器的特点及连接（1）湿度传感器的特点如下：1）敏感元件（湿度）：高分子湿敏电阻“CHR-01”2）供电：5V5%3）耗电电流：5mA max.(2mA avg.)4）工作范围：温度060 湿度10% - 95%RH 5）储存条件：温度0-50 湿度60%RH6）湿度变送范围：0100%RH 7）湿度准确度：5%RH（在25，输入电压=5V）一致性： 3%RH/每批8）输出电压信号:A型0-3V；B型1-3V9) 温度系数:0.4%RH/ 输入电压=5V，3080%RH 温度范围1040 (基准点25)10）电源电压范围: 4.755.25V (基准点5V，5%)11）温度敏感元件：可选NTC热敏电阻、LM35，TMP3512）温度输出信号： NTC R（25）=100K5%，B值(25/50)=3990K2% NTC 具体阻值与B值可按用户指定或推荐LM35，TMP35：0-100 输出01V （2）.湿度传感器的连接：1)单湿度模块（CHM-02/N）不含温度输出，参数同上，三个端子2)温度输出：本模块可灵活设置温度输出，可选热敏电阻，集成温度传感器LM35（如选热敏电阻，NTC的一端 可选择与+5V，或GND连接，另一端接T，可选SMD或DIP封装如选LM35，TMP35，T端接温度输出）3)连接线 颜色： 5V电源线为红色，地线为黑色，湿度输出线为黄色接40m特殊要求可定制。在硬件部分，首先就要把湿度传感器连接到芯片上，我选择连接到芯片的第17号管脚上，而且该脚具备ADC功能。所以选择PTB3的端口来作为湿度传感器的输入端。3.3.2传感器的参数计算在该设计中，湿度传感器的输出电压是0V到3V，对应的相对湿度值是0%到100%，且输出电压与相对湿度呈正比关系变化。因此，推导出以下关系: W / 100% = V / 3 V / 5 = AD / 255 上述公式简化得：V = W3 AD= V51 W =AD/153注：W表示湿度、V表示输出电压、AD表示湿度AD值AD与湿度相对应的值如表:ADC值湿度值ADC值湿度值ADC值湿度值ADC值湿度值00400.261438800.5228761200.78431410.006536410.267974810.5294121210.7908520.013072420.27451820.5359481220.79738630.019608430.281046830.5424841230.80392240.026144440.287582840.549021240.81045850.03268450.294118850.5555561250.81699360.039216460.300654860.5620921260.82352970.045752470.30719870.5686271270.83006580.052288480.313725880.5751631280.83660190.058824490.320261890.5816991290.843137100.065359500.326797900.5882351300.849673110.071895510.333333910.5947711310.856209120.078431520.339869920.6013071320.862745130.084967530.346405930.6078431330.869281140.091503540.352941940.6143791340.875817150.098039550.359477950.6209151350.882353160.104575560.366013960.6274511360.888889170.111111570.372549970.6339871370.895425180.117647580.379085980.6405231380.901961190.124183590.385621990.6470591390.908497200.130719600.3921571000.6535951400.915033210.137255610.3986931010.6601311410.921569220.143791620.4052291020.6666671420.928105230.150327630.4117651030.6732031430.934641240.156863640.4183011040.6797391440.941176250.163399650.4248371050.6862751450.947712260.169935660.4313731060.692811460.954248270.176471670.4379081070.6993461470.960784280.183007680.4444441080.7058821480.96732290.189542690.450981090.7124181490.973856300.196078700.4575161100.7189541500.980392310.202614710.4640521110.725491510.986928320.20915720.4705881120.7320261520.993464330.215686730.4771241130.7385621531340.222222740.483661140.745098350.228758750.4901961150.751634360.235294760.4967321160.75817370.24183770.5032681170.764706380.248366780.5098041180.771242390.254902790.516341190.7777783.4温度传感器模块设计在该设计中，为了实现家庭环境检测系统中可以检测到室内的温度，所以使用了热敏电阻式湿度传感器来实现这个功能。3.4.1热敏温度传感器的特点及连接（1）热敏温度传感器的特点如下：热敏电阻是利用半导体材料制成的敏感组件，通常所用的热敏电阻温度传感器都是具有负温度系数的热敏电阻，它的电阻率受温度的影响很大，而且随温度的升高而减小，简称NTC。其优点是灵敏度高，体积小，寿命长，工作稳定，易于实现远距离测量：缺点是互换性差、非线性严重。温度传感器的性能：1）测量温度范围：-501202）R25电阻值： 10K3）B值：3950K4）R25电阻值和B值精度分别可达1%5）采用双层密封工艺，具有良好的绝缘和抗机械碰撞、抗折弯能力 6）保护管直径：4，5 7）外引线采用PVC绝缘电缆或高温电缆（）热敏温度传感器的连接：热敏温度传感器的连接方法如图3-5所示，温度传感器1号管脚经R10电阻接到MC68HC908JL3的22号管脚PTD3上，该脚具备ADC功能，所以选择PTD3的端口来作为温度传感器的输入端。R11电阻起到分压作用。温度传感器的2号管脚接5V电源。 图3-5：温度传感器的连接3.4.2温度传感器的参数计算在该电路中,温度传感器的阻值计算如下:Rt=REXP B（1/T1-1/T2） 注: 1)Rt是热敏电阻在T1温度下的阻值; 2)R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值; 3)B值是热敏电阻的重要参数; 4)EXP是e的n次方; 5)这里T1和T2 指的是K度即开尔文温度,K度=273.15(绝对温度)+摄氏度;上述公式可以算出温度传感器的阻值,则温度传感器的AD值计算如下:V=(5R11) / (Rt +R11)V/5=AD/255上述公式简化得：AD=(255R11) / (Rt +R11)注：AD是温度传感器的AD值Rt 是温度传感器的电阻 (热敏电阻随温度的升高而减小)V 是R11两端的电压 (R11两端的电压相当于PTD3端的电压)AD与温度相对应的值如表:AD温度AD温度AD温度AD温度40-88611132271784441-78711133271794442-78811134271804543-68912135281814544-69012136281824645-59112137281834646-59213138291844747-49313139291854748-49414140291864849-39514141301874850-39614142301884951-29715143301894952-29815144311905053-29915145311915054-110016146311925155-11011614732193515601021614832194525701031714933195535801041715033196535911051715133197546011061815234198546121071815334199556210818154342005563210919155352015664311019156352025765311119157352035766411220158362045867411320159362055968411420160362065969511521161372076070511621162372086171511721163382096172611822164382106273611922165382116374712022166392126475712123167392136476712223168402146577712323169402156678812424170402166779812524171412176880912624172412186981912725173422197082912825174428310129251754384101302617643851013126177443.5 气敏传感器模块设计在该设计中，为了实现家庭环境检测系统中可以检测到室内的可燃气体，所以使用了MQ211气敏传感器来实现这个功能。3.5.1气敏传感器的特点和使用（1）MQ211型气敏元件特点：这是一种通用性较强的气敏元件，气敏传感器的敏感元件是气敏电阻器，气敏电阻器的阻值随吸附气体的浓度变化而变化，利用这一特性检测气体浓度。适用于一般可燃气体（如氢气、液化石油气、煤气、一氧化碳、烷烃类等及酒精、乙醚、汽油、烟雾等有害气体的检测，是制作换气扇、脱排油烟机自动开关、气体报警器，防止环境污染的理想气体敏感器件。） MQ211气敏传感器管脚排列如图：3-6所示，AA两脚短接，构成测量极一端。BB两脚短接，构成测量极另一端。ff加热丝。 图：3-6传感器管脚排列（2）MQ211型气敏元件技术参数: 参数型号元件阻值阻值比S=Rs3000/Rs1000加热功率(mw)响应时间(s)恢复时间(s) 工作条件（允许条件）R0 (k)Rs1000(k)Vc(v)Vh(v) RL(k)MQ211A(黄)100400200.975053010(520)5(50.2)2(自定)B(黑)4010010C(蓝)18 406D(绿)8183E(红) 482注:：1）R0元件在清洁空气中的阻值； 2）Rs1000元件在1000ppm丁烷气中的动态阻值； 3）Rs3000元件在3000ppm丁烷气中的动态阻值； 4）Vc测试电压，Vh加热电压在该设计中, MQ211气敏传感器经过电路测试后,可以推导出是B型传感器。（3）MQ型气敏器件的使用注意事项如下：1）器件开始工作时需加热几分钟后方可正常工作。2）加热电压5V是对丁烷气选择的最佳加热电压，测量其他气体时，为获得R2上最大电压降，可按允许工作条件重新选择。3）回路电压根据电路要求允许范围办任意调节。4）避免油浸各油垢污染，长期使用要防止灰尘堵住不锈钢网。5）不要长期在腐蚀性气氛下工作。6）长期停止使用要放置在干燥无腐蚀性气体的环境中。3.5.2气敏传感器的连接 在该设计中，气敏传感器的连接方法是仿照别人设计的气敏传感器电路连接方法，在试验该电路过程中，可以检测到可燃气体。气敏传感器的连接方法如图3-7所示，MQ211气敏传感器的1号脚接5V电源，3号脚经R12电（起分压作用）接地线。6号脚经R13电阻接到MC68HC908JL3的12号管脚PTB5上，该脚具备ADC功能，所以选择PTB5的端口来作为温度传感器的输入端。R14电阻起到分压作用。AA两脚短接，构成测量极一端。BB两脚短接，构成测量极另一端。ff加热丝。 图3-7：气敏传感器的连接 3.6按键电路图3-8是按键输入的典型电路，按键S1、S2、S3断开时，端口PTA1、PTA2、PTA3上的信号为高电平，按键S1、S2、S3合上时，端口PTA1、PTA2、PTA3上的信号为低电平。电阻起到分压、限流作用。当按键电路设计成这种硬件连接时，按键可以采用中断的形式进行读取，也可以采用循环扫描的形式读取，为程序的编写提供了选择的余地。各个按键功能如下：（1）、设时按键key1：当第一次按设时按键：小时闪烁、蜂鸣器响一声，这时可以通过按调时按键设定小时时间。第二次按设时按键：分钟闪烁、蜂鸣器响一声，这时可以通过按调时按键设定分钟时间，第三次按设时按键：时间不闪烁、蜂鸣器响一声，不可以设定时间,回到初始状态。（2）、调时按键key2：按下调时按键时，可以调分钟、小时的时间。（3）、调时按键key3：该按键晢时没有设定功能。 图3-8按键电路图3.7蜂鸣器驱动电路在本系统中，我们采用了+5V的无源直流蜂鸣器，其控制电路如图3-9所示。蜂鸣器一端接5V直流电源，另一端经过NPN型三极管9014和R8电阻接到MC68HC908JL3的26号管脚PTD4端口上。蜂鸣器输出信号通