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基于单片机的室内环境监测系统设计 摘要 目前 随着生活水平的提高 人们对室内居住环境的舒适度要求越来越高 住宅和 居室是人们生活的重要物质条件 是人们生活 家庭团聚的场所 但随着装修材料的大 量使用和生活用品的日益广泛 家居环境隐患重重 不仅表现在室内温湿度的影响上 也体现在室内有害气体浓度的大小上 在室内装修之后 甲醛浓度的监测受到人们的关 注 中国环境保护协会有关数据统计表明 每年因室内环境污染患病或死亡的人数比例 已引起专家们的注意 室内环境污染已经成为严重影响现代人类健康的杀手之一 现在 市场也有对室内环境的监测仪器 主要针对的是有害气体检测 功能单一 而且价格较 贵 根据市场调查非常需要家用室内温湿度和室内有害气体的综合检测系统 1 把传感器技术应用与单片机控制技术相结合 实现了对环境温湿度 燃气浓度 和甲醛浓度的采集和读取 2 利用l e d 数码管显示技术完成了环境温度 湿度及显示电路的设计 3 外接了蜂鸣器报警模块 在超过设定燃气浓度上限时自动报警 4 采用发光二极管进行温湿度报警及气体浓度超限报警 5 利用单片机控制光电耦合器关闭燃气阀门和启动换气扇 关键字 单片机 室内环境监测 声光报警 关闭阀门 a b s tr a c t n o w w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s p e o p l eo nt h ei n d o o rc o m f o r to f t h el i v i n ge n v i r o n m e n th a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g l o u s i n ga n dl i v i n g r o o mi sa ni m p o r t a n tm a t e r i a lc o n d i t i o n so f1 i f e p e o p l e f a m i l yr e u n i o ns i t e s b u tw i t ht h ee x t e n s i v eu s eo fd e c o r a t i o nm a t e r i a l sa n dd a il yn e c e s s i t i e so fa n i n c r e a s i n g l yw i d er a n g eo f h o m ee n v i r o n m e n tb r e a c h e s n o to n l y i ni n d o o r t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y b u ta l s or e f l e c t e dt h ec o n c e n t r a t i o no fh a r m f u lg a s e s i nt h er o o ms i z e i nt h ei n t e r i o r t h ef o r m a l d e h y d ec o n c e n t r a t i o nm o n i t o r i n go f p e o p l e sa t t e n t i o n c h i n ae n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na s s o c i a t i o n t h es t a t i s t i c s s h o wt h a t e a c hy e a rd u et oi l l n e s so rd e a t ho fi n d o o re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n h a sc a u s e dt h ep r o p o r t i o no ft h ea t t e n t i o no ft h ee x p e r t s i n d o o rp o l l u t i o nh a s b e c o m eas e r i o u si m p a c to nt h ek i l l e ro fo n eo ft h em o d e r nh u m a nh e a l t h m a r k e t b u ta l s oo nt h ei n d o o re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t s m a i n l y f o r t h e h a z a r d o u sg a sd e t e c t i o n s i n g l ef u n c t i o n a n dh i g h e rp r i c e s a c c o r d i n gt om a r k e t r e s e a r c hi sn e e d e dh o u s e h o l di n d o o rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya n di n d o o rh a r m f u l g a si n t e g r a t e dd e t e c t i o ns y s t e m t h ed e s i g ni sb a s e do n t h ec o n t r o l l e rc h i pa t 8 9 s 5 2 c o l l e c t e db y i n d o o r c o n c e n t r a t i o no fc o m b u s t i b l eg a ss e n s o r m e t h a n e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya n d o t h e ri n f o r m a t i o n w h e ne x c e e d sap r e s e tv a l u e t h et i m e l yc o n d u c to fs o u n da n d li g h ta l a r m t u r no f ft h eg a sv a l v e a n dt i m eo nt h ed i s p l a yd i s p l a yt e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t y t op r o t e c tp e r s o n a la n dp r o p e r t ys a f e t y d e s i g no ft h es y s t e mf u l l y f u n c t i o n a l h i g hs e n s i t i v i t y a n dp r a c t i c a l k e vw o r d m c u in d o o re n v ir o n m e n t aim o nit o rn g s o u n da n d i ig h taia r m 基于单片机的室内环境监测系统设计 1 绪论 1 1 设计背景及意义 随着人们生活水平的提高 人们对居住环境的要求越来越高 家居环境中尤为受到 人们关注的是有害气体的污染 温湿度控制等 有关专家介绍 天然气主要成分为甲烷 气 同时含有少量的乙烷 丙烷 丁烷等烷烃 还含有二氧化碳 氧 氮 硫化氢 水 分等 天然气一般无色 比空气轻 本身无毒 如果含有硫化氢 则对人们有毒害性 当空气中的浓度达到2 5 时 可导致人体缺氧而造成神经系统损害 严重时可表现呼吸 麻痹 昏迷 甚至死亡 甲醛是一种破坏生物细胞蛋白质的原生质毒物 会对人的皮肤 呼吸道及内脏造成损害 麻醉人的中枢神经 可引起肺水肿 肝昏迷 肾衰竭等 1 io 世 界卫生组织确认为致畸 致癌物质 是变态反应源 长期接触将导致基因突变 目前甲 醛污染问题主要集中于居室 纺织品和食品中 居室装饰材料和家具中的胶合板 纤维 板 刨花板等人造板中含有大量以甲醛为主的脲醛树脂 各类油漆 涂料中都含有甲醛 1 2 1 温 湿度在不同季节的变化都会影响到人们的健康 研究结果表明 人体最适宜的 健康温度为1 8 c 一2 4 c 健康湿度为4 5 6 5 r h 在这种环境下人体感觉最舒适 而 当空气湿度低于4 5 r h 的时候 人鼻部和肺部呼吸道黏膜上的纤毛运动减缓 灰尘 细菌等容易附着在黏膜上 使流感病毒和能引发感染的革兰氏阳性菌的繁殖速度加快 引发其他疾病 当空气湿度大于6 5 r h 人体中的松果激素量也较大 使得体内甲状腺 素及肾上腺素的浓度相对降低 人就会感到无精打采 萎靡不振 长时间在湿度较大的 地方工作 生活 还容易患风湿性 类风湿性关节炎等湿痹症 最终导致人体的免疫力 下降 2 0 0 3 年3 月由国家环保总局 卫生部 国家质量监督检验总局共同制定并发布的 我国第一部 室内空气质量标准 指出室内污染对人们健康的重要影响 同时也表明 国家对室内空气污染的高度重视 这个 标准 的颁布不仅使室内空气污染问题引起社 会的广泛关注 也给室内环境的监测仪器仪表带来巨大的市场和商机口3 可见 对室内环 境监测仪的研究具有重要的意义 1 2 室内环境监测系统现状 早在4 0 0 多年前 意大利科学家伽利略用一只一端敝1 3 的玻璃管 另一端带有核桃 大的玻璃泡构成早期的温度计 先给玻璃泡加热 再把玻璃管插入水中 玻璃管中的水 面随着温度的变化上下移动 温度的变化和温度的高低可以根据水面上下移动的多少判 定h 后来法国人布利奥在伽利略制造的温度计基础上 把玻璃泡的体积缩小 并把测 温物质改为水银 形成了现在温度计的雏形 它的优点是结构简单 使用方便和价格低 廉 缺点是测量上下限和精度受玻璃质量与测温介质的性质限制 而且所测数据不能远 传 温度计也易碎 目前 家庭常用的去除甲醛方法就是采用活性炭 活性炭是一种有 很大表面积的细小炭粒 炭粒中还有被称为毛细管的更细小的孔 这种毛细管具有很强 的吸附能力 因为于炭粒的表面积很大 所以在与气体充分接触时 这些气体被毛细管 基于单片机的室内环境监测系统设计 吸附 起净化空气的作用 在制造这种活性炭时 要使其具有与室内有害气体分子大小 相匹配的孔隙结构 能有效地清除室内环境对人体有害的污染气体 如甲醛 苯系物 氨 氡等 使用时将活性炭吸附包 直接放置在居室中需要净化空气的任意位置 使用 活性炭的缺点 其吸附空气中有害物质必须靠空气作为媒介 但室内的空气流动性较差 活性炭在短时间内难以吸附到距离较远空气中的有害物质 因此使用空间范围小 而且 活性炭内的孔隙有限 使用一段时间后会饱和 因此一定要定期爆晒 使活性炭内分子 扩散 随着电子技术的发展 市场上出现各种室内环境测量仪器 包括数字式的温湿度计 甲醛测量仪等 国外早在2 0 世纪8 0 年代就开始对温湿度控制技术进行研究 其采用模 拟式的组合仪表 采集温湿度信息并进行指示 记录以及控制 现在国外温湿度控制技 术发展很快 正向着完全自动化 无人化的方向发展 我国对于温湿度控制技术的起步 较晚 我国工程技术人员在发达国家温湿度控制技术的基础上研究微机控制温湿度技 术 这种技术仅限于温度 湿度和c 0 浓度等单一种类环境因素的控制 在检测有害气 体方面 英国t s l 公司生产的p p m 4 0 0 t m 甲醛检测仪 德国生产的t g 2 0 0 0 系列固定式有 害气体检测仪 国内江苏安普电子工程有限公司生产的4 0 0 型甲醛分析仪 北京宾达绿 创科技有限公司生产的甲醛测定仪x p 一3 0 8 长春吉打小天鹅有限公司生产的全自动室 内空气甲醛 氨测定仪等巧1 这些仪器可检测甲醛等有害气体 但这些装置更适用于专 业的检测部门 不能在家庭中普遍应用 综上 对室内温湿度和室内有害气体的综合检测系统的研究 具有重要意义及实用 价值 尤其在9 0 年代后 以单片机为核心的微芯片技术迅速发展 仪器仪表采用单片 机控制后朝数字化 智能化 微型化方向发展 且功能电子或数字电路更加强大 在系 统中采用单片机技术可将测量结果显示在l e d 数码管上 并与预设值比较进行报警 这 种方式在很大程度上提高了工作效率 1 3 设计目的及内容 本设计最终目的是实现一个家用集有害气体 温度和湿度为一体的多功能监测系 统 要求其精度高 适用于家庭 综合办公楼等室内监测 具有操作简便 成本低的特 点 通过充分的调研 综合分析 比较各种测量方法以及各种改善室内空气质量的方法 本设计以单片机最小系统为核心 采用数码管显示及声光报警系统 将室内环境测量和 控制有机的结合起来 主要完成的设计内容如下 1 主控制器模块 采用a t 8 9 s 5 2 单片机作为主控单元 2 温湿度模块 它使用传感器d h t l l 采集温湿度数据 3 气体检测模块 使用m q 一5 传感器及甲醛气体传感器采集气体浓度 4 报警模块 采用蜂鸣器来进行报警处理 并关闭阀门和启动换气扇 5 显示模块 采用数码管显示模块显示测量值 2 基于单片机的室内环境监测系统设计 2 系统设计方案论证和总体框架设计 2 1 设计方案论证 2 1 1 单片机模块选择与论证 方案一 a t 8 9 c 5 1 是4 k 字节的高性能c m o s8 位微处理器 1 2 8 8 位内部r a m 3 2 可编程i o 线 两个1 6 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲 置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 方案二 a t 8 9 s 5 2 单片机含8 位c p u 具有8 k 在系统可编程f l a s h 存储器及2 5 6 字节数据存储器 有3 2 位i o 端口线和2 个数据指针 3 个1 6 位定时 计数器 一个 2 级中断结构 还具有看门狗定时器 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 掉电保护方 式下 数据存储器中的内容被保存 单片机工作停止 直到下一个中断或硬件复位时为 止 通过以上两种单片机性能比较 a t 8 9 s 5 2 内部集成看门狗计时器 而a t 8 9 c 5 1 需外接 看门狗计时器电路 或者是用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰 a t 8 9 c 5 1 仅支持并行编程 而a t 8 9 s 5 2 不但支持并行编程还支持i s p 在线编程 在编程 电压方面 a t 8 9 c 5 1 的编程电压除正常工作的5 v 外 另外v p p 需要1 2 v 而a t 8 9 s 5 2 仅仅 需要4 5 v 即可 a t 8 9 c 5 1 极限工作频率是2 4 m i l z 而a t 8 9 s 5 2 最高工作频率是3 3 1 d h z 从 而具有更快的计算速度 所以本设计选用a t 8 9 s 5 2 单片机 2 1 2 温湿度监测模块选择与论证 方案一 采用分立元件搭建电路 分别采用温度传感器d s l 8 8 2 0 舳1 和湿度传感器 h s l1 0 0 作为测量温湿度的器件 单片机分别读取温度和湿度值后送显示电路 这种方法 构建的电路复杂 增加编程的复杂性 而且元件多给电路板的焊接与调试等都造成了很 大的不便 同时也增加了系统设计的成本 方案二 采用数字温湿度传感器d h t l1 它包括数字采集技术和温湿度传感技术 具有很高的可靠性和稳定性 d h t l1 传感器包括一个阻式感湿元件和一个测温元件 供 电电压为3 3 5 5 vd c 测量范围为湿度2 0 一9 0 r h 温度0 5 0 测量精度为湿度 5 r h 温度 2 c 分辨率为湿度i r t t 温度1 综合以上分析与比较 方案二既可以减小外界对系统的干扰 又可以降低系统的成 本 且能达到测量要求 数字式传感器内部自带a d 转换 输出直接为数字信号可直接 被单片机读取 简化电路的同时也简化了系统的程序 所以本设计中采用第二种方案 2 1 3 煤气监测模块选择与论证 方案一 催化燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理 由检测元件和补偿 元件配对构成测量电桥 在一定温度条件下 可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的 作用下发生无焰燃烧 载体温度就升高 通过它内部的铂丝电阻相应升高 从而使平衡 电桥失去平衡 输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号 1 通过测量铂丝的电阻变化 基于单片机的室内环境监测系统设计 的大小 就知道可燃性气体的浓度 主要用于可燃性气体的检测 具有输出信号线性好 指数可靠 价格便宜 不会与其他非可燃性气体发生交叉感染 方案二 半导体式气体传感器m q 一5 所使用的气敏材料是电导较低的s n 0 当传感器 所处的环境中存在污染空气时 传感器的电导随空气中污染物浓度的增大而增大 可将 电导的变化量转换为与之对应的输出信号 这种传感器可以检测多种有害气体 是一种 多应用低成本的传感器 通过以上比较 半导体式传感器m q 一5 使用方便价格低廉 适用于普通家庭 所以 本设计采用半导体式传感器m q 一5 2 1 4 甲醛气体监测模块选择与论证 用于检测甲醛的传感器有电化学传感器 光学传感器和光生化传感器等 相对说电 化学传感器的结构简单 成本较低 性能稳定 测量数据的范围和传感器的分辨率基本 能达到室内环境检测的要求 光学传感器因为价钱较高 体积较大 因此不适用于实时 监测系统 虽然光生化传感器选择性提高了 但是酶的活性以及其它因素可能导致传感 器不稳定 缺乏实用性 因此 本设计中采用c h 2 0 c 1 0 电化学传感器 2 2 总体硬件电路框架设计 本系统以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心 主要包括传感器温湿度采集 传感器气体采集 a d 模 数转换 按扭操作 单片机控制 数码管数字显示等部分 系统通过各种传感电 路检测室内温度 湿度 可燃气体浓度等参数值 然后与键盘预置的参数临界值进行比 较 启 停风扇来改变室内可燃气体浓度 关闭燃气阀门 实时显示当前温度 湿度 可 燃气体浓度等参数值 并与声光报警装置配合 等待房主处理 系统整体设计如图2 1 所示 图2 1 系统设计整体框图 4 基于单片机的室内环境监测系统设计 3 系统的硬件设计和连接 3 1 温湿度监测模块设计 d h t l l 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器 它 采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 确保产品具有极高的可靠性与卓越的 长期稳定性 传感器包括一个阻式感湿元件和一个测温元件 可与一个高性能8 位单片 机相连接 8 1 如图3 一l 所示 每个d h t l1 传感器都在精确的湿度校验箱中进行校准 校 准系数以程序的形式储存在o t p 内存中 传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这 些校准系数 单线制串行接口 使系统集成变得简易快捷 超小的体积 极低的功耗 信号传输距离可达2 0 米以上 使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则 产品为4 针单排引脚封装四1 如图3 2 所示 d h t l l 的参数如表3 一l 所示 因d h t l l 是数字式传感器 所以本设计中将d h t l l 直接与单片机的p 1 口线连接 进 行温湿度数据的传输 g n d 图3 1d h t l l 接口电路图3 2 温湿度芯片d h t l l 表3 1 温湿度传感器d h t l l 技术参数 参数名称技术条件参数名称技术条件 供电电压 3 3 5 5 vd c 输出单总线数字信号 湿度2 0 9 0 r l q 温 湿度 一5 r h 温度 测量范围测量精度 度0 5 0 c 2 湿度1 r h 温度 分辨率互换性可完全互换 l 长期稳定性 i r h 年 3 2 甲醛监测模块设计 3 2 1 甲醛传感器简介 甲醛传感器由甲醛探头和c h 2 0 传感器组成 当室内空气被采样系统吸收后 产生 基于单片机的室内环境监测系统设计 一个与甲醛浓度成正比的电流信号 该电流信号经i u 变换器r c v 4 2 0 转换成0 5 v 的电 压 该电压信号经过a d c 0 8 3 2 与a t 8 9 s 5 2 单片机相连 在显示器上显示出甲醛的浓度值 当超过预设规定的标准时报警 甲醛传感器c h 2 0 s 一1 0 技术参数如表3 2 所示n 0 表3 2 甲醛传感器c h 2 0 s i 0 技术参数 参数名称技术条件参数名称技术条件 测量范围 o l o p p m 温度范围 2 0 o c t 0 4 5 c 最大负载 5 0 p p m响应时问 t g o 5 0 s e c 工作寿命空气中2 年湿度范围 1 5 t 0 9 0 1 2 0 0 3 0 0 n a p p m 输出信号推荐加载电阻1 0 0 h m 8 0 0 2 0 0 n a p p m 分辨率 0 0 5p p m 典型信号漂移 2 s i g n a ll o s s m o n t h s 基准线 一2 p p m t o o p p m 3 2 2r c v 4 2 0 电流电压转换器简介 r c v 4 2 0 是美国r u r r b r o w n 公司生产的精密电流环接收器芯片 用于将4 2 0 m a 输 入信号转换成为0 5 v 输出信号 具有很高的性能价格比 它包含一个高级运算放大器 一个片内精密电阻网络和一个精密1 0 v 电压基准 其总转换精度为0 1 共模抑制比 c m r 达8 6 d b 在使用中1 0 1 1 和1 2 脚相连 2 5 和1 3 脚相连接地 1 4 和1 5 脚相连 接 作为0 5 v 电压信号的输出端 当需要调整增益时1 4 和1 5 脚之间接入电位器来调 整增益 但这样会减小共模抑制比 减少量是增益增加1 共模抑制比将减少6 d b 因 此在使用时一般直接将1 4 和1 5 脚短接 7 和8 脚悬空 4 和1 6 脚分别接一个1pf 的 电容接地 i n 或i n 端接输入的电流信号 其主要参数如表3 3 所示 表3 3r c v 4 2 0 电流电压转换器主要参数 主要参数最小值典型值最大值 单位 输出额定电压 1 0 1 2v i o 1 0 m a 5m a 输出额定电流 e o 1 0 v 1 0 5 m a 输入检测电阻 7 4 2 57 57 5 7 5q 输入共模阻抗 2 0 0k q 输入共模电压 4 0v 电源额定值 1 5v 电源电压范围 1 8v 3 2 3a d 转换器简介 a d c 0 8 3 2 为8 位分辨率模 数转换芯片 具有双通道转换的特点 分辨可达2 5 6 级 一次模 数转换时间仅为3 2us 转换速度快而且稳定性能强 通过使能控制端控制芯片 6 基于单片机的室内环境监测系统设计 工作状态 通过d 工数据输入端 可以轻易的实现通道功能的选择 适合本系统的应用 所以我们采用a d c 0 8 3 2 为模数转换器件n 川 1 a d c 0 8 3 2 的特点 1 8 位分辨率 2 双通道模 数转换模式 3 输入输出电平与t t l c m o s 相兼容 4 0 5 v 之间的输入电压 5 2 5 0 k h z 的工作频率 转换时间为3 2us 2 芯片接口说明 1 c s 片选使能 低电平有效 2 c h o 模拟输入通道0 3 c h l 模拟输入通道1 4 g n d 芯片参考零电位 5 d i 通道选择控制端 6 d 0 数据输出端 7 c l k 时钟输入端 8 v c c r e f 电源输入 参考电压输入 3 a d c 0 8 3 2 与单片机的连接 a d c 0 8 3 2 与单片机用4 条数据线连接 分别是c s c l k d o d i c s 输入端为高 电平时a d c 0 8 3 2 芯片禁止工作 时钟端 通道选择控制端和转换数据输出端的电平可以 任意 当要进行a d 转换时 单片机输出低电平将c s 使能端置低 并保持低电平直到 转换完全结束 在单片机的控制下芯片开始转换工作 单片机向时钟输入端c l k 输入时 钟脉冲 使用d i 端选择所输入数据的信号端 d i 端保持高电平到第1 个时钟脉冲的下 降沿之前 这时表示启始信号 在第2 3 个脉冲信号的下降沿到来之前d i 端输入的数 据用于选择通道 如果数据为 1 0 时 只对c h o 输入端信号进行转换 当数据为 1 1 时 只对c h l 输入端信号进行转换 当数据为 0 0 或 0 1 时 c h o c h l 分 别作为正输入端i n 和负输入端工n 一进行输入 到第3 个脉冲的下降沿之后d 工端的输入 电平失去数据选择端作用 可从数据输出端d 0 读取转换数据 转换数据最高位在第4 个脉冲下降沿开始由d 0 端输出 之后每一个脉冲下降沿来到时d o 端输出下一位数据 直到第1 1 个脉冲来到时 d 0 端输出最低位数据后 一个字节的数据输出完成n 引 在第 1 1 个字节的下降沿输出最低位数据 之后输出8 位数据 到第1 9 个脉冲时数据输出完 成 一次完整的a o 转换结束 这里因为d 0 d i 引脚功能的不同 在与单片机通信时 未同时有效 可以采用引脚复用的方法与单片机相连 如图3 3 所示 基于单片机的室内环境监测系统设计 图3 3a d c 0 8 3 2 与单片机连接 3 2 4 甲醛检测模块设计 1 甲醛检测模块设计精度 本设计甲醛模块计的量程为0 1 0 p p m 由于所使用的是8 位a d c 0 8 3 2 所以本设计的 精度为 1 0 p p m 2 5 6 0 0 3 9 p p m 2 甲醛传感器检测到的 气信号一电信号 传送到r c v 4 2 0 电流电压转换器 转换为 电压信号 此信号传送到a d 转换器转换为单片机识别的数字信号 再去控制报警电路 甲醛检测电路图如图3 4 所示 r s c c h 2 0 s 1o li 焉r c v 二霸 c 6 0 1 u f g n d 图3 4 甲醛传感器检测电路图3 一甲醛传感器检测电路 r p 3 2 0 0 c h l r p 4 2 0 k i c a d c 0 8 3 2 3 3 燃气监测模块设计 3 3 1m q 一5 传感器简介 m q 一5 气敏传感器适用于家庭或工业上对液化气 天然气及煤气的监测 对液化气 天然气 城市煤气有较好的灵敏度 对乙醇 烟雾几乎不响应 具有抗干扰能力强和快 上汀 一 l 坐丌 m 征 基于单片机的室内环境监测系统设计 速的响应恢复的特性 有长期的使用寿命和可靠的稳定性 测试电路比较简单等优点 m q 5 气敏元件的结构和外形如图3 5 所示 由微型a l 2 0 3 陶瓷管 s n 0 2 敏感层 测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内 加热器为气敏元 件提供了必要的工作条件 封装好的气敏元件有6 只针状管脚 其中4 个引脚用于取信 号 2 个用于提供加热电涮1 3 m q 5 传感器技术参数如表3 4 表3 5 所示 m q 系列 气体传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体 在空气中将金属氧化物半导体 加热到一定温度时 在带负电荷的半导体表面就吸附了很多氧原子 半导体表面的电子 会被转移到吸附氧上 形成氧负离子 半导体表面产生一个正的空间电荷层 使得表面 的势垒升高 阻碍电子流动 传感器的电阻即缘于这种势垒 在适合的条件下 传感器 置于还原性气体中时 氧负离子与还原性气体发生氧化还原反应 导致其表面浓度降低 势垒随之降低 使得传感器的阻值减小n 在适合的工作条件下及适当的气体浓度范围 内 传感器电阻值和还原性气体浓度之间的关系可近似由下面方程表示 r s a c 一口 r s 传感器电阻 a 常数 c 气体浓度 q r s 曲线的斜率 图3 5 d o 5 结构外形图 表3 4m q 5 标准工作条件 b h 符号参数名称技术条件备注 v c回路电压 1 5 va co r d c v h 加热电压 5 0 v o 2 va co r d e r l 负载电阻可调 r h 加热电阻 3 1q 3q 室温 p h 加热功耗 9 0 0 m w 9 基于单片机的室内环境监测系统设计 表3 sm q 5 灵敏度特性 符号参数名称技术参数备注 r s 敏感体电阻 1 0 k q 6 0 k q 探测范围 1 0 0 0 p p m 甲烷 3 0 0 5 0 0 0 p p m c i 1 0 0 0 p p m 5 0 0 0 浓度斜率 0 6液化气 天然气 煤 p mc h 4 气 准工作条件温度 2 0 c 2 c v c 5 o v o 1 v 相对湿度 6 5 5 v h 5 o v o 1 v 预热时间不少于2 4 小时 3 3 2 燃气监测模块设计 m q 5 将采集到的燃气浓度信号转换为电信号 燃气浓度的变化转化为m q 5 传感器 内阻的变化 再转换为电压的变化 即将燃气的浓度信号转换为模拟电信号 该模拟电 信号经过l m 3 5 8 放大后传送到a d 转换器a d c 0 8 3 2 转换为数字信号后被送入单片机内部 a d c 0 8 3 2 的c l k 端 d o d 1 端和 端分别由单片机来控制 当 片选端选中时 单片 机通过a d c 0 8 3 2 的d o d 1 来选择从引脚输出的数字量是甲醛检测量还是燃气检测量 m q 5 传感器与a d c 0 8 3 2 转换器连接电路如图3 6 所示 i 心1 1 0 0 a 瓜b l h m q 5i h i 心2 2 k 1 蕞门l i c 2i h 1 3 58 竺 g n d 18 27 36 45 c h 0 o u t 2 坠堕 型盥 i c i a d c 0 8 3 2 图3 6m q 一5 传感器与a d c 0 8 3 2 转换器连接 3 4 控制模块设计 3 4 1a t 8 9 s 5 2 单片机简介 a t 8 9 s 5 2 是一种功耗低 性能高的8 位单片机 包含在线可编程f l a s h 存储器 与 8 0 c 5 1 产品完全兼容 芯片上的8 位c p u 和在线可编程f l a s h 存储器 为众多嵌入式控 制应用系统提供方便 a t 8 9 s 5 2 单片机内部有一个功能相对独立的位处理机 即布尔处理 机 因而其有较强的位处理功能1 1 5 l 一 主要特性 基于单片机的室内环境监测系统设计 1 与m c s 一5 1 单片机产品兼容 2 8 k 字节可编程闪烁存储器 3 1 0 0 0 次擦 写循环 4 全静态工作 0 h z 3 3 h z 5 3 级加密程序存储器 6 3 2 个可编程t 0 口线 7 3 个1 6 位定时器 计数器 8 8 个中断源 9 全双工串行通道 1 0 低功耗空闲和掉电模式 1 1 掉电后中断可唤醒 1 2 看门狗定时器 二 引脚功能 a t 8 9 s 5 2 引脚结构如图3 7 所示 盯2 j 1 0 me x j 1 1 0 1 3 1 1 城 s i 3 5 阱船 1 o c 咐卅 7 嘟 o t o 殆 0 f r f n r 3 上 c 丽 蹭 3 r r 珀 4 m 码 5 m 履 趵 e r d j 均 7 x t l2 x t a i1 v c c p o c a d o p n c 如 尸0 2e d 2 p k 0 秭 p p o i t 妒 铆 p o e a 0 固 p 仉7 嘲 e f p p a l e p r o g p s n p 工7f a 5 1 眩e c a l 毒j p 2 c a l 警 p 王 f 墨 p 2 3 c a 1 j p e a l i f p 2 1 a 9 f 王e p 啭 图3 7a t 8 9 s 5 2 引脚结构 1 并行输入 输出引脚 p 0 口 3 2 3 9 脚 在不外接存储器和不外扩展时 p 0 口为8 位漏极开路的准双向输 入 输出端口 当访问外部程序和数据存储器时 p 0 口作为低8 位地址 数据复用端 自 身不带锁存器 做通用输入 输出端口时需外接上拉电阻 p l 口 卜8 脚 8 位双向输入 输出端口 具有内部上拉电阻 p 1 0 引脚有第二 功能 即可用作定时器 计数器2 的外部计数输入端 p 1 2 可作为定时器 计数器2 的触 柑骆聃汀嚣箝 诒 i甜雏嚣姐打想嚣冀抬苎动 2 乌4 5 6 7 8 9 铊髓 钙髓盯伯的趵 基于单片机的室内环境监测系统设计 发输入端 具体如表3 6 所示 在f l a s h 编程和校验时 p 1 口接收低8 位地址信息 表3 6p 1 口引脚的功能 引脚号第二功能 p 1 o t 2 定时器 计数器t 2 的外部计数输入 时钟输出 p 1 1 t 2 e x 定时器 计数器t 2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 p 1 5 i o s i 在系统编程用 p 1 6 m i s o 在系统编程用 p 1 7 s c k 在系统编程用 p 2 口 2 1 2 8 脚 具有内部上拉电阻 做为准双向输入 输出口 当访问外部程序 和数据存储器或者扩展i 0 口时 p 2 口作为高8 位地址数据端 p 3 口 1 0 1 7 脚 具有内部上拉电阻 准双向i o 口 p 3 口除做通用i o 外还可 作为a t 8 9 s 5 2 第二功能引脚使用 如表3 7 所示 表3 7p 3 口引脚的第二功能 引脚号第二功能 p 3 0 r x d 串行输入 p 3 1 t x d 串行输出 p 3 2 2 胛0 外部中断0 p 3 3上w 1 外部中断1 p 3 4 t o 定时器0 外部输入 p 3 5 t 1 定时器l 外部输入 p 3 6 w r 外部数据存储器写选通 p 3 7 兄d 外部数据存储器读选通 2 控制线引脚 r s t 9 脚 复位信号输入端 当单片机工作时 在引脚加上持续2 个机器周期的 高电平将使单片机复位 a l e p r o g 3 0 脚 地址锁存允许信号输出引脚 访问外部程序存储器时 锁存 低8 位地址信息 此引脚也用作编程脉冲输入引脚 p s e n 2 9 脚 外部程序存储器选通信号输出引脚 低电平有效 当单片机执行 片外程序存储器程序时 每个机器周期引脚被激活两次 而访问外部数据存储器r a m 时 引脚将不被激活n 6 e a v p p 3 1 脚 内外程序存储器选择引脚 引脚为低电平时 选用片外程序存 储器 v p p 做为f l a s h 编程电压输入引脚 3 电源及时钟引脚 基于单片机的室内环境监测系统设计 x t a l l 1 9 脚 晶体振荡器接入的一个引脚 x t a l 2 1 8 脚 晶体振荡器接入的另一个引脚 v c c 4 0 脚 电源接入引脚 g n d 2 0 脚 接地引脚 3 4 2a t 8 9 s 5 2 单片机时钟电路 单片机时钟信号通常用两种电路形式得到 内部振荡方式和外部振荡方式 1 内部振荡方式 a t 8 9 s 5 2 单片机内部带有时钟电路 因此 只需要在片外通过 x t a l l 和x t a l 2 引脚接入晶振元件 晶体振荡器和电容 即可构成一个稳定的自激振荡 器 2 外部振荡方式 把外部的时钟信号引入单片机内部 此方式可使单片机的时钟 与外部信号保持同步n 7 1 在本设计中采用第一种方式 在x t a l l 和x t a l 2 引脚分别接一个3 0 p f 的电容 两个 引脚之间接入一个1 2 m h z 的晶振 电路如图3 8 所示 图3 8 单片机时钟电路 3 4 3a t 8 9 s 5 2 单片机复位电路 复位是使单片机或系统中的其他部分处于初始状态 初始化后程序计数器p c 为 0 0 0 0 h 程序从0 0 0 0 h 地址单元开始执行 如果程序运行时出错或操作错误使系统处于 死锁状态时 可通过按键复位重新启动 当r s t 引脚加高电平复位信号 信号保持2 个以上机器周期时 单片机内部执行复 位操作 复位操作有两种基本形式上电自动复位和按键电平复位 在本设计中复位电路 采用按键电平方式 电路如图3 9 所示 使r s t 引脚 图中悬空脚 经过l o u 电解电容 与v c c 电源接通 同时经过电阻与地连接而实现 当按下按键s 时 r s t 引脚置高 系 统进入复位状态 基于单片机的室内环境监测系统设计 vv c 1 l l i 图3 9 单片机复位电路 3 4 4 换气扇控制电路设计 本设计采用过零双向可控硅型光电耦合器m o c 3 0 4 1 控制换气扇的启停 当燃气传感 器检测到气体浓度超过设定值时 通过单片机输出一个高电平信号 经反相器c d 4 0 6 9 反 相之后产生一个低电平信号送到光耦 使光耦导通 同时触发双向可控硅 启动换气扇 使电路工作 如图3 1 0 所示 v c c 0 1 2 i c 6 c d 4 0 6 9 r 16 1 k i c 7m d c 3 0 4 1 16 25 34 r 17 2 7 q 1 b t a 0 6 6 0 0 r 18 i 也1 1 0 0 c 7 2 2 n 6 3o v m a c 2 2 0 v 上 33u 图3 1 0 换气扇控制电路 3 4 5 燃气阀门控制电路设计 电磁阀启闭由光电耦合器 晶闸管和电磁阀组成 采用a i d e 的m 系y j 位二通节 能型燃气电磁阀 直动式 其特点是 低电压 小能耗 当正向脉冲供电时阀门开启 并保持 此时电源切断阀门为开启位置 当反向脉冲供电时阀门关闭并保持 此时电源 切断阀门为关闭位置 控制电路如图3 1 1 所示 1 4 基于单片机的室内环境监测系统设计 3 5 显示电路设计 3 3 0 图3 1 1 燃气阀门控制电路 0 v 本设计采用动态显示方式驱动8 个数码管工作 通过按键选择显示温度 湿度 燃 气浓度及甲醛浓度值 用7 4 l s l 3 8 的输入端来选择位码 单片机控制数码管的断码 如 检测到的温度发生变化时 数码管即会发生相应的变化 起到实时显示功能 电路如图 3 1 2 所示 p 2 0a 0 吓而 邛蕊 一百 陌 v c c 广百 市 g n d 16 l 5 1 4 l3 12 l 1 la 9 1 1 u 1 q 1 叫k l d 剐d d d d d j d 蛊 爿叫叼q 1 嘲嘲嘲弯 瘦癌p d i g ld i 9 2 斑p 癌p d i g ld i 9 2 斑p 斑p d i g l d i 9 2 c c y o y l y 2 y 3 y 4 y 5 y 6 p l 3 s n 4 6 0 4 0 1p l 2s n 46 0 4 0 1p l l 3 6 报警模块设计 图3 一1 2 数码管显示电路 声 光报警电路如图3 一1 3 图3 一1 4 所示 由单片机的p 2 3 p 2 4 p 2 5 和p 2 6 引脚控制 当燃气浓度超出安全值时 引脚置高 三极管导通 进而蜂鸣器及发光二极 管导通 蜂鸣器和发光二极管实现蜂鸣 发光 即实现了声光报警的功能 s n 4 6 0 4 0 1 基于单片机的室内环境监测系统设计 v c c i c 4 a t 8 9 s 5 2 v c c 图3 1 3 声报警电路 j n d 图3 1 4 光报警电路 3 7 电路电源部分设计 电源部分提供整个电路所需各种电压 由电源变压器 整流电路 滤波电路及稳压 电路构成 电源变压器的功率由需要输出的电流大小决定 确保有充足功率余量 本设计中供电电源电路如图3 1 5 所示 2 2 0 v 电压经降压变压器降压至1 2 v 1 2 v 交流电输入二极管整流桥 整流桥选用1 n 4 0 0 7 二极管 输出方向单一但大小还是处在 不断地变化之中的脉动直流电压 再经过电容滤波进入稳压块l m 7 8 0 5 及l m 7 8 1 2 其中 电容滤波电路中大的电解电容滤掉大幅值的低频成分 小无极电容滤掉脉动直流中的高 次谐波 经过滤波后的电信号经过l m 7 8 0 5 和l m 7 8 1 2 后输出得到的是 5 v 和 1 2 v 电源 可供电路中元器件供电使用 基于单片机的室内环境监测系统设计 v i nv o u t 39 1 v i nv o u t 3 凸 i o i z c l6i 刁 c 9 c 1 1 z a 尘一一c 1 5 o 1 卜j 一 一 o 7 一 一一 1 0 4 2 2 0 u f 而一 1 0 4 2 2 0 u f 万 一 j n j 上 c 1 4l 一 2 2 c j 1 一叫 0 4 6 g n d c l o c 1 2 一一 4 7 0 u f 2 5 1 1 軎 i t n 1 1 i c l lu 订7 9 1 2 图3 1 5 电源电路 1 7 基于单片机的室内环境监测系统设计 4 系统的软件设计 4 1 软件设计环境 k e i1u v is i o n 2 是美国k e i ls o f t w a r e 公司出品的与5 1 系列单片机兼容的c 语言 软件开发系统 k e i lu v i s i o n 2 提供了c 编译器 宏汇编 连接器 库管理和仿真调试 器等工具 是在线编程更加容易 一 编辑器和调试器 1 源代码编辑器 u v i s i o n 2 编辑器包含用户常用到的所有特性 语法彩色显像和文件识别都对c 源代 码进行和优化 可以在编辑器内调试程序 它能提供一种自然的调试环境 使你更快速地 检查和修改程序n 8 j 2 调试器 u v i s i o n 2 源代码级调试器是一个理想 快速可靠的程序调试器 调试器包含一个 高速模拟器 可以模拟整个8 0 5 1 系统 包括片上外围器件和外部硬件 当你从器件库 中选择器件时 这个器件的特性将自动配置 二 c 5 1 编译器 k e i lu v i s i o n 2 编译器在语言上的扩展功能为用户使用软件资源提供方便 对于 8 0 5 1 系列资源c 5 1 编译器都可以进行操作 s f r 和s b i t 两个关键字对s f r 实行存取 变量可转移到任意地址空间 变量还可以通过关键字 a t 一放入固定的存储器中 存 储模式决定了变量的存储类型 k e i lu v i s i o n 2 的编译器和高性能仿真器 支持应用程 序的调试 软件界面如图4 一l 所示 不 图4 1i e i lc 5 1 软件界面 三 软件开发流程 1 点击p r o j e c t 工程下面的菜单 选择弹出对话框中的n e wp r o j e c t 如图4 2 所 基于单片机的室内环境监测系统设计 图4 2 创建文件 在弹出的文件对话窗口中输入程序项目名称 保存 后的文件扩展名为u v 2 这是 k e i lu v i s i o n 2 项目文件的扩展名 以后可以直接点击此文件以打开以前做的项目 2 选择符合要求的单片机 a t e m l