单片机课程设计——环境参数综合监控系统.docx

设计题目：基于单片机的多探头环境监测系统一、 题目简介本系统的主要任务是以一块单片机控制多个不同功能的探头，以实现对所处环境的多方面指数实时监控。进一步地，通过单片机的实时处理，通过蓝牙模块发送至PC机，可以实现对环境质量的综合评估。本系统可用于有多方面指数要求的环境检测场合，并且可为进一步的环境控制提供实时准确的综合信息。二、 小组分工(一) 硬件设计：三名学员协作完成。在合作完成的原理图基础上，每人独立完成PCB的设计。(二) 软件设计与调试：三人分工完成部分模块的程序设计与调试，再进行系统的整合与优化。三、 预期性能指标(一) 主要功能：1. 温度测量、相对湿度测量、空气CO2浓度监测、光照强度测量；2. 蓝牙发送数据至PC端；3. 键盘控制、LCD实时显示测量结果；4. 检测量超出指定范围后蜂鸣器报警。(二) 技术指标：1. 功耗：（见下表）电压电流功耗备注MSP430f149单片机1.8-3.6V225A(活动)0.8A（待机）运行下保持在0.81mW以下DHT25数字温湿度传感器3.5-5.5V0.3mA(测量)60A（待机）1.5mWTSL2561光强-数字传感器0.75mW低功耗模式下MG811型气体传感器6.00.1V200mA1200mW总功耗小于1.5W.2. 测量精度：（见下表）输出测量范围精度响应时间备注温度数字输出负40到80度0.2摄氏度（室温时）10s相对湿度数字输出2%RH，16位6s室温下二氧化碳浓度模拟输出（30-50mV）使用温度范围：-20到50度光照强度数字输出通过系统设计，使该仪器完全可以用于一体化环境监测领域，且具有小型化、数字化、低功耗等优点。四、 主要器件：MSP430f149单片机、DHT25数字温湿度传感器、TSL2561光强-数字传感器、MG811型CO2气体传感器、LCD1602液晶显示屏、蓝牙串口以及其他小型外围辅助电路元件。五、 工作原理(一) 工作原理概述1. 温湿度传感器探测的原理1) 温湿度传感器DHT25的基础知识简介相对湿度和温度测量全部校准，数字输出卓越的长期稳定性无需额外部件超长的信号传输距离超低能耗4 引脚安装完全互换DHT25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。它应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。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT25传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP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20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。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。DHT25数字温湿度传感器的基本参数：2) 接口说明建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻3) 电源引脚DHT25的供电电压为 35.5V。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。4) 串行接口（单线双行）2. 光强传感器探测的原理1) TSL2561光学传感器基础知识简介TSL2561是光数字转换器，它将光强转换成数字信号输出，具有直接l2C接口或者SMBus接口。每个设备都连接一个带宽的光敏二极管和在单独CMOS集成电路上的一个红外响应的光敏二极管，这个集成电路具有提供20bit动态范围的近-适光响应的能力。两个集成的ADCs将光敏电流换换一个数字输出，这个数字输出表示测量每一个通道的发光。这个数字输出可以是一个微处理器的输入。在这个微处理器里亮度（周围光的水平）使用实验化公式来得到。TSL2560设备允许SNB。2) TSL256x的引脚功能TSl256x有2种封装形式：6LEAD CHIPSCALE 和6LEAD TMB。封装形式不同，相应的光强度计算公式也不同。图1为这两种封装形式的引脚分布图。各引脚的功能如下：脚1和脚3：分别是电源引脚和信息地。其工作电压范围是2.73.5V。脚2：器件访问地址选择引脚。由于该引脚电平不同，该器件有3个不同的访问地址。访问地址和电平的对应关系如表1所列。表1器件访问地址和引脚2电平的对应关系脚4和脚6：l2C或SMBus总线的时钟信号线和数据线。脚5：中断信号输出引脚。当光强度超过用户编程配置的上或下阈值时，器件会输出一个中断信号。3) TSL256x的硬件设计TSL2561能够通过l2C总线访问，所以硬件接口电路很简单。假如所选用的微处理器带有l2C总线控制器，则将该总线的时钟线和数据线直接和TSL2561的l2C总线的SCL和SDA分别相连；假如微控制器内部没有上拉电阻接到总线上。假如微控制器不带l2C总线控制器，则将TSL2561的l2C总线的SCL和SDA和普通I/O口连接即可；但编程时需要模拟l2C总线的时序来访问TSL2561，INT引脚接微控制器的外部中断。硬件连接如图所示。3. MG8气体传感器原理本传感器采用固体电解质电池原理，由下列固体电池构成：空气，Au|NASICON|碳酸盐|Au,空气，CO2当传感器置于CO2气氛中时，将发生以下电极反应：负极：2Li+CO2 +12O2+2e-=Li2CO3正极：2 Na+12O2+2e-=Na2O 总电极反应：Li2CO3+2 Na+=Na2O +2 Li+CO2传感器敏感电极与参考电极间的电势差（EMF）符合能斯特方程：EMF=Ec-(RxT)/(2F)ln(P(CO2)上式中：P(CO2)CO2分压Ec常量R气体常量T绝对温度（K）F法拉第常量(二) 设计方案与原理框图本设计为体验数据间通信，运用两个MSP430F149控制器，使传感器探头内部的单片机与主机中的单片机通过RS485总线相互通信，完成修改参数，传输数据的功能。液晶显示屏 仪器键盘MSP430F149RTC时钟复位电路JTAG电路数据地址总线放大电路与甄别成型电路几种环境监测传感器被测目标(三) 硬件电路设计设计过程中的关键问题有两个：一是多个数字探头的高压供电问题，解决办法是采用D/A转换模块与单片机连接，通过软件控制来提供可变的低电压，然后将此低压接入能线性放大的高压转换模块为探头供电;二是多个探头的识别与数据传输问题，解决办法是将探头编号，并在数字探头与单片机间采用RS 485串口连接，共连接四根线，分别是电源线，地线，A头，B头。探头接收到传送ID指令时就将自己特有的编号传给主机，主机进行判断，看是哪种探头，进而转到相应的软件处理程序。当测完数据后采用第一片MSP430与第二片MSP430单片机双机通信方式将数据送至主机。图1中虚线框内就是数字探头部分，这里的AN种探测器和信号处理电路并不是指同时挂接在主机上，而是指可更换的意思。其余模块包括12864液晶显示屏，底色为白色，显示十分清晰;外部存储器，可存储实时数据和历史数据;时钟芯片，显示年、月、日、时;报警电路，当数据过大时蜂鸣报警;22键盘，控制仪