基于单片机的空气质量检测仪 -毕业论文

扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕业设计 (论文)作 者: 学 号：教研室: 电气自动化教研室专 业:电气自动化技术 题 目:基于单片机的空气质量检测仪 指导者： 评阅者： 2016 年 5 月扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕业设计（论文）评语学生姓名： 班级、学号： 题 目： 基于单片机的空气质量检测仪 综合成绩： 指导者评语： 指导者(签字)： 2016年5月13日毕业设计（论文）评语 评阅者(签字)： 2016年 05月 13 日答辩委员会负责人(签字)： 2016年5月14日毕业设计说明书（论文）中文摘要 人们的生活伴随着科学技术的日新月异，正在发生翻天覆地的变化，在物质条件达到了的一定程度后，开始注重于饮食和环境等方面对身体健康的影响，其中环境和空气对人身体健康的影响越来越受人们的关注和重视。本文设计的是基于单片机的空气质量检测仪，其控制核心为AT89S52单片机，采用MS1100VOC气体传感器和AM2301温湿度传感器作为采集模块，其采集的的模拟数据由ADC0809转换为单片机可识别的数字信号，由单片机将数据进行分析后送入液晶显示实现对当前空气中VOC的含量进行检测显示及当前环境的温湿度的显示，本设计的显示采用LCD1602点阵式液晶显示测量数据，当所测数据超过其设定值后，会进行相应的声光报警。本设计智能化程度高且具有良好的人机操作界面、体积小、功耗低、便于携带等优点。关键词 AT89S52、VOC、传感器、ADC0809、LCD1602显示 第II页 共 II 页 专科毕业设计说明书（论文）目录1绪论11.1空气质量检测仪研究的目的1第一章22研究的内容、方法及总体方案22.1设计内容22.2设计方法22.3 总设计方案22.3.1系统框图32.3.2功能的设定32.3.3硬件的选择3第二章43基于单片机的空气质量检测仪硬件部分设计43.1空气质量检测仪系统简介43.1.1系统硬件结构及原理43.2 AT89S52单片机简介43.21AT89S52单片机扩充口电路53.2.2复位电路模块53.3传感器的选用63.3.1气体传感器63.3.2温湿度传感器73.3.3AM2301电气特性103.4放大滤波电路的设计143.5 模数转换电路设计153.6声光报警电路设计163.7液晶显示电路设计163.8按键电路设计20本章小结22第三章234基于单片机的空气质量检测仪的软件设计234.1系统软件设计思路234.2主程序设计244.2.1主程序模块244.2.2A/D转换模块254.2.3液晶显示模块254.2.4声光报警模块26本章小结28第四章295仿真测试295.1常见的硬件故障315.2硬件的调试方法31本章小结32结束语33致谢34参考文献35附录一36附录二37第 45 页 共 45 页 专科毕业设计说明书（论文）1绪论1.1空气质量检测仪研究的目的随着科技的日新月异，生活环境的变迁，人们开始追求高质量的生活环境。在人的一生中绝大多数的时间会在室内度过的，这样实际上与室内挥发性有害气体的接触时间会比户外多上很多，因此室内的空气的好坏直接影响的人的身体健康，尤其是弱势群体。本文研究的室内污染物主要是VOC,VOC的定义一般分为两种一是指不会造成危害挥发性有机物；另一种是有害的挥发性有机物。本文研究的是会产生危害的挥发性有机物。VOC包括各种挥发性的有机化合物主（主要指室内），在室内环境中有害的挥发性有机物有上百种之多。在室内主要的VOC气体主要要来自燃烧产物、建筑装饰材料、家具等。VOC是由许多不同部分物体所挥发的有机气体，也被称为碳氢化合物。一般情况下VOC的挥发是由压力引起的。根据调查发现，如果不能使室内空气流通，当室内的VOC气体浓度达到一定的程度时，就会引起头痛、恶心等症状，严重时甚至引发晕厥造成记忆力减退等严重后果。综上所述本文的研究价值就有所体现。本设计另一个功能温湿度的检测则可以提醒使用者当前室内的温度与湿度的情况，进行通风或者加湿，这样给使用者提供一个舒适健康的环境。第一章2研究的内容、方法及总体方案2.1设计内容以单片机为核心、传感器为辅。实现对当前室内的挥发性有害气体的浓度监控和当前温湿度的显示，当超过标准时会进行声光报警。2.2设计方法查阅资料选着所需元器件，设计流程图进行程序的编程使用仿真软件进行仿真调试。2.3 总设计方案本设计用传感器进行数据的采集（挥发性有害气体和温湿度）送入A/D转换器中进行模数转换后，将单片机可识别的数字信号送入单片机内进行数据的处理，显示用LCD点阵式液晶屏显示，使其具有良好的显示界面，电源采用锂电池供电，当超过标准或设定值后会进行声光报警。2.3.1系统框图2.3.2功能的设定显示采用LCD1602液晶显示屏，实现1.温度2.湿度3.挥发性有害气体的浓度显示，当超过安全范围时进行声光报警。其中传感器温度测量的范围为-40C80C、湿度测量范围为099.9%RH。具调查研究表明当室内温度为23C28C（夏季）；18C23C（冬季）湿度在30%RH%RH人体最为舒适。其设定值可根据用户的需求设定。VOC挥发性气体检测值为01000ppm，根据国家规定室内VOC气体低于0.6mg/m3为安全值，当超过时会报警，提醒使用者进行通风。2.3.3硬件的选择AT89S52具有8Kb的ROM，有着上千擦写功能且相关资料多，容易购买，价格低等优点满足本文设计所需，在传感器部分考虑根据性能、价格和合适本设计的需求后，选用MS1100VOC气体传感器和AM2301温湿度传感器。在模数转换器件的选择上考虑本设计的需求精度要求不是很高，所以选择性能满足设计需求的且价格低廉的ADC0809。第二章3基于单片机的空气质量检测仪硬件部分设计3.1空气质量检测仪系统简介基于AT89S52单片机的空气质量检测仪的设计是对当前室内挥发性气体即VOC的浓度进行监控同时显示当前室内的温湿度。本设计显示装置采用LCD1602液晶显示屏，具有良好的操作界面。考虑在测量值超过设定值时需进行报警提醒使用者，所以设计一个声光报警。基于单片机的空气质量检测仪体积小、功耗低、价格低、操作简单，适用于进行当前室内质量的检测。3.1.1系统硬件结构及原理本设计采用的使用的是Atmel公司的一款8位低功耗、高性能的AT89S52单片机做为控制核心，挥发性气体通过MS1100传感器进行检测、采集数据输出与浓度相应的电压信号，将该信号放大后按相应的频率由ADC0809进行模数转换后送进单片机进行数据采集处理后进行显示。单片机对数据进行数字处理后由LCD1602液晶显示屏显示出当前室内VOC气体浓度值及温湿度。若空气中VOC气体的浓度有超过国家标准（0.6mg/m3）将会触发声光报警系统，温湿度显示同理。3.2 AT89S52单片机简介随着计算机技术的飞速发展。单片机作为计算机技术的一个分支，具有集成度高、可靠性高、控制能力强、低电压低功耗、体积小、易于嵌入等优点。广泛应用于工业、自动化行业、家用电器、智能玩具等多方面领域。根据本设计的情况，选用市场上价格低廉满足设计需求的Atmel公司的AT89S52单片机。 图3.23.21AT89S52单片机扩充口电路考虑AT89S52的管脚不够用采用8255A（可编程外设接口电路）进行扩充，其中把AT89S52单片机的P0口作为扩充口，P2口用于LCD1602液晶显示。8255A的PA口用于报警灯的状态，PB口用于A/D转换后输入，PC口按键状态的输入端。如图3.2.1示图3.2.13.2.2复位电路模块复位电路接到AT89S52单片机的RST引脚上，用于实现单片机程序的初始化。当系统发生错误或者操作失误都可以通过复位电路回到初始状态。复位电路有自动复位和手动复位，本设计采用上电/按键手动复，如下图3.2.2示 图3.2.23.3传感器的选用3.3.1气体传感器国内外常见器敏传感器有1.QM-B型薄膜器敏元件2.TGS816型器敏传感器3.TSG109型器敏传感器4.EGS-NO2A型气敏传感器5.TC-4型可燃气体探测器6.氧气测定器7.FT626环境氡 仪8.ZAL型红外气体分析仪。一般可分为固态电解质气敏传感器、声表面波（SAW）气敏传感器、半导体气敏传感器、金属栅MOS气敏传感器、真空度气敏传感器、气体分析传感器、微波气体成分传感器、光成分分析传感器等。固态电解质气敏传感器固体电解质气敏传感器以离子为导体的传感器主要有固体电解质和气敏元件两个部分组成。常用于温室中CO2浓度的检测。具有良好的灵敏性和稳定性。声表面波气敏传感器声表面波气敏传感器的结构通常分为两种一种是采用SAW延迟线，另一种是采用谐振器，在我国常用的SWA延迟线型的声表面波气敏传感器。由于声表面波气敏传感器具有精度高、抗干扰能力强且不需要接模数转换器等优点。虽然其复杂程度高，但在各领域都被广泛使用。半导体气敏传感器半导体气敏传感器主要的组成部分为氧化物半导体材料。半导体材料的特殊性使气体可改变半导体材料载流子的浓度，这样使得的半导体的导电程程度得到了改变。因为半导体气敏传感器理想的工作温度达几百摄氏度，所以一般场合不使用。金属栅MOS气敏传感器采用能溶解氢的金属钯（Pd）作为MOSFET的栅极材料，研制成能对氢气及某些无机含氢气体具有敏感作用的气敏MOSFET,成功地将半导体技术引入到气敏传感器领域。真空度气敏传感器真空度气敏传感器是用在空气稀薄（空气稀薄气体压力1 atm 以下）的场合。是空气稀薄气体压力（1 atm 以下）的真空计，在实际应用中检测的是在一定温度和压力下气体容量器的气体量传感器。微波气体成分传感器微波气体传感器是指在微波范围内，极性气体能够吸收与其转动能级间隔对应的微波，利用极性分子的这一特点可构成对其他成分不起干涉作用的分析仪。光成分分析传感器光成分分析传感器是用光学方法分析试样成分的传感器。本设计采用以MS1100传感器，MS1100传感器主要由气体感应探头、感应灵敏度模块和引脚组成。与其他传感器一样采用5V电压进行供电，检测的浓度范围在01000ppm。如果进行过预热的话，那么其响应的时间只需5S,向AD转换器送模拟信号只需10S左右。工作的温度需要在-20C到60C之内，正常的MS1100传感器工作年限为5年。在进行当前室内挥发性有害气体的检测，MS1100传感器具有很高的灵敏度和稳定性，能够检测到0.1ppm以上的挥发性气体，价格低、响应速率快等优点。3.3.2温湿度传感器温湿度传感器是用于测量温度量和相对湿度量。基于本设计测量的温湿度要求选择价格低廉性价比较高的数字式温度传感器AM2301。实物如图3.2.2所示图3.2.2AM2301引脚分配如图3.3.3图3.2.3电源引脚（VDD GND） AM2301 的供电电压为 5V。 串行数据（SDA）SDA 引脚为三态结构，用于读、写数据。AM2301产品概述AM2301数字式温湿度传感器是一款复合型传感器有着独特的温湿度检测传感技术和数字转换模块技术，有着很强的稳定性。AM2301传感器是由电阻式感湿元件和NTC测温元件组成与所选的AT89S52单片机相连接，具有非常快的响应速度抗干扰能力强和高性价比等优点。AM230传感器在出厂前将校准的系数存储在OTP中，传感器在实际检测过程中会根据事实数据与存储的程序进行比对然后调用这些系数。AM2301采用单线制串行接口，这样使系统集成变得简易且降低系统的功耗。因为采用串行接口使其信号再传输时得到了加强，这样大大超过了使用其他接口所传输的距离，经过多次测量其传输可达20米之远。AM2301传感器采用了4个引脚分别为电源引脚、数据传输口、接地脚和一个空脚这样设计方便与单片机连接。传感器的性能相对湿度表如表3.3.4所示表3.2.4 AM2301相对湿度表 25CAM2301时相对湿度最大误差相对温度性能表3.2.5 表3.2.5相对温度性能 温度传感器的温度最大误差图3.3.3AM2301电气特性单总线通信单片微型计算机（微处理器）与AM2301传感器模块的单总线连接电路如图3.3.3所示。串行数据上拉后与微处理器的I/O 端口相连。 在使用AM2301温湿度传感器时需要考虑数据传输的长度，因为经过多次测量结果中发现如果数据传输线没有30米的话就必须要接上一个约5.1K的上拉电阻，当超过30米的话根据实际情况来减小其上拉电阻的阻值。 在电压供电时应考虑所选电压对接线长度的影响。否则会造成线路压降过使传感器得不到足够的供电，使测量产生偏差。 设计时考还需虑传感器的间隔时间以保证不出差错。传感器的测量一般隔时间为 2S。为保证能准确获得实时准确的数据，需多次进行数据的读取。图3.3.3AM2301 单总线典型电路单总线通信协议 AM2301 采用简化的单总线通信。系统中的数据传输、控制都是由数据据线来实现的。采用三态端口连接该数据线，这样在不需要发送数据的时候，会断开总线，这样其他设备就可以使用单总线进行通信。为了保证在单总线在不工作时保证其状态为高电平，所以需使用单总线连接时外接一个5.1K的电阻。由单总线的定义可以知道使用单总线采用了主从结构，即只有当主机向传感器发出感应信号时传感器才会工作。所以需要严格的遵循单总线的通信协议，当传输时序出现了混乱，那么传感器将不会工作。采用单总线通信传输是由单片微型计算机和传感器同步通信，这样一次可传输40位以上的数据，和其他传输方式相同都是先送高位数据。 通信如图3.3.4所示AM2301 单总线通信协议如表3.3.5所示 表3.3.5AM2301 单总线通信协议单总线通信时序 采用单总线通信时微处理器发出一个需0.8ms响应的起始信号，这样传感器才能从休眠状态转换成运行状态。等到主机初始信号发送结束后，AM2301传感器发送响应信号，从串行口送出数据，其中数据的传输从高位开始；顺序依次为湿度、温度和校验位， 在数据传输结束后进行信息采集，采集结束后传感器进入待机状态，直到下一次通信信号响应，如图3.3.6所示 图3.3.6 M2301单总线通信时序AM2301传感器读取的数据为上一次的数值，如果测量间隔长，那么对上一次的数据进行两次间隔2S的读取 。单总线信号特性如表3.3.7所示表3.3.7单总线信号特性应用信息当超过AM2301传感器设定的工作范围会导致相对湿度漂移3%左右的信号。当回归到正常工作条件后,AM2301传感器会慢慢的恢复到正常状态。在正常环境下的湿度与温度有着密切相关的联系，所以在测量时应保证湿度传感器在相同的温度下工作，及安装时应该和放热元器件共用一个线路板保持良好的通风。如果在不正常工作条件下长时间使用的话会导致传感器的老化速度加快降低产品的使用寿命。所在使用AM2301传感器时应注意需注意使用场合，如果将本传感器长时间放置在太阳光下或着很强的紫外线辐射中，会导致其性能下降。使用时应避免将元件长期放在室外和过于干燥等非正常环境中。 本传感器对化学环境尤其敏感如果长期将AM2301传感器放入化学环境中那么组成传感器中的电容式湿度传感器的感应层会被腐蚀这是所测的测量值将会不稳定且灵敏度下降，严重时会导致传感器彻底损坏。在出现导致传感器所测数据不准确可将其放入在温度大约为45 和10%RH左右的湿度条件下保持 2 小时（烘干）后在将其放入温度在20-30和70%RH左右的湿度条件下保持 5 小时以上，可使其恢复到初始设定状态。数据的通讯方式通用的有并行和串行通讯两种。并行通讯是将数据同时进行传输，而串行通讯则是将数据字节分成一位一位进行传输。本设计传感器与单板机采用采用串行通信。如图示3.3.8示图3.3.83.4放大滤波电路的设计因为所选用传感器输出的被测对象的信号非常小，放大容易引起零点漂移、自激干扰等，因为所测传感器信号变换速度不快。综合实际情况和性价比选用单端供电的仪表放大器AD623来实现信号放大的任务。AD623引脚排列图如图3.4所示 图3.4考虑放大倍数的需求需要在AD623的正向输入端加上一个滤波电容，进行信号的滤波在选择增益电阻上根据计算选择1K电阻，控制放大倍数在100倍左右。该滤波放大电路的输出电压，满足ADC0809的的输入电压的需求，其接线图如图3.4.1所示 图3.4.13.5 模数转换电路设计因为传感器采集的信号为模拟信号，单片机只能识别数字信号不能直接识别模拟信号。所以需要添加一个中间环节进行转换，将传感器采集的信号进行模数转换后送入单片机综合考虑ADC0809足够设计所需。电气原理图如图3.5示 图3.53.6声光报警电路设计为使VOC气体和温湿度的检测效果体现出来，再原设计的基础上添加声光报警系统。声光报警系统主要由VOC气体检测灯、湿度检测灯、温度检测灯和一个蜂鸣器组成。当VOC气体含量超标时等1闪烁并且蜂鸣器报警，当湿度超标时灯2闪烁且蜂鸣器鸣响，当温度超标时灯3闪烁且蜂鸣器鸣响如图3.6示 图3.63.7液晶显示电路设计由于本设计的显示要求不高，只需显示当前室内空气中VOC气体的浓度及室内实时的温湿度测量值，所以选用2*16的LCD1602液晶显示屏即可满足需求。其实物图3.7如下图3.7液晶显示的原理是根据液晶具有的特性，根据电压对液晶影响的原理，从而显示出需要的图形。液晶的显示分为字符式、点阵式等，其显示的数据的颜色可自己选择。LCD1602的基本参数及引脚功能LCD1602在市场上常见得有带背光和不带背光两种，基控制器为HD44780，带背光的LCD1602比不带背光LCD1602的要厚，但有没有背光在实际的使用中没有什么区别。如图3.7.1图3.7.1LCD160技术参数：本设计选用的显示为162 个字符 工作电压为5V 选用的尺寸为2.954.35(WH)mm引脚功能说明LCD1602各引脚接口说明如表3.7.2示表3.72 1602LCD各引脚接口说明LCD1602内部的控制器控制指令如表3.7.3所示表3.7.3LCD1602内部的控制器控制指令读操作时序如图3.7.4所示图3.7.4写操作时序如图3.7.5图3.7.51602LCD 的 RAM 地址映射及标准字库表如图3.7.6所示图3.7.63.8按键电路设计根据设计内容需5个按键，分别为复位按键、设定功能键、切换功能键、确定键和返回键。如图3.8示 图3.8本章小结本章介绍了基于单片机的空气质量检测仪的主要的硬件主成元器件和各元器件组成的硬件电路模块的工作原理。在开始对整个设计的功能进行了介绍，然后对各个组成模块的功能进行了的介绍，然后根据元器件的在设计中的作用，将这些元件件构成的电路进行模块化，即做成一个个块。这样在总电路图设计时，只需将这些模块进行连接即可。这样不仅可以简化电路图的复杂度还可以快速找出问题的出处，便于修改。 第三章4基于单片机的空气质量检测仪的软件设计4.1系统软件设计思路在完成硬件的设计后，如果没软件那么所设计的产品将会是无用的装饰品。如此体现了软硬件之间具有不可分割的关系。编程语言分为机器语言、汇编语言和高级语言三大类。其中机器语言晦涩难懂且编辑周期长不易维护等缺点，虽然实时性、运行的快速性是其他两大语言无法替代，但其缺点难以克服，现已经基本上不在使用。汇编语言也是由指令组成但由于采用助记符，相对机器语言要容易阅读，需要对硬件的结构和性能熟悉，具有实时性、准确性。缺点是出现错误时不易排查且维护比较困难。高级语言是一种接近自然的语言，使用高级语言进行编程时只需对所用单片机的内部结构和外设有一定理解即可。综合本设计涉及的内容的复杂度和学习过的语言，选用C51进行程序的编辑。用C51进行程序的编程有着很高的效率、运行速度快和易移植性且可进行模块化这样使程序变的容易阅读和修改。软件功能功能模块功能描述温湿传感器采集模块对当前室内温度和湿度的检测AD转换模块1.完成模拟信号采样2.实现模数信号的转换与单片机进行数据传输微控制器模块1.系统接口的分配2.人机接口控制3.各模块协调工作人机接口模块1.按键控制2.动态信息显示综合考虑软件设计的要求本设计分为各模块的子程序设计和C51编程。软件设计子程序中包含：主程序模块子程序、液晶显示模块子程序、A/D转换模块子程序和声光报警模块子程序。软件设计采用C51进行编程，保证准确度和易读性。4.2主程序设计4.2.1主程序模块主程序流程图如图4.2.1所示单片机上电复位后进行程序的初始化，由传感器进行信号的采集，送入ADC0809进行模数转换之后再送入单片机由硬件进行数据的计算、分析最后送入LCD1602液晶显示进行当前值的显示，当达到报警值时，进行闪烁报警。通过按键可对当前的显示的内容进行选择。 图4.2.14.2.2A/D转换模块因为模数转换进行转换需要时间，如果不进行设定会与主程序有所冲突。解决的方法有两种中断查询法和延时等待法，由于延时等待会对资源造成不必要的浪费所采用第一种方法。单片机在循环执行主程时由中断程序检测模数转换是否完成，如完成则向单片机提出一个中断请求信号，单片机接受到信号后进行数据读取。当检测到模数转换没有完成