室内环境智能监控系统设计.doc

本科生毕业设计 论文 I 摘 要 室内环境是人的一生中接触时间最长 关系最为密切的环境 室内环境的质 量关系到每一个人的生活质量及健康 良好的室内环境是一个能为大多数人认可 的 舒适的湿热环境 光环境 声环境和电磁环境 同时也能够提供新鲜宜人 激发活力并且对健康无负面影响的高品质空气 以满足人体的舒适感和健康的需 要 本次设计的是一个室内环境智能监控系统 该系统可以让人们能够在室内生 活更舒适 更放心 设计主要由硬件和软件两部分组成 硬件部分采用 51 系列 单片机 AT89S52 外加键盘电路 液晶显示电路 时钟电路 环境中的温度 湿 度 苯含量和 TVOC 含量检测电路 数据 A D 转换电路以及系统的控制输出电 路 通过系统的程序 软件部分主要完成以下几种功能 通过键盘扫面子程序 系统可以识别出人按下的按键 从而完成对系统时间的设定和系统显示器上所显 示内容的切换等功能 通过定时中断程序 系统可以定时地采集室内环境中的温 度 湿度 苯和 TVOC 等有害气体含量的数据 通过软件中的数据比较程序 将 采集回来的数据与设定数据相比较并能判断出数据是否正常 从而系统会采取相 应的措施和报警 通过显示子程序 系统可以将数据 时间以及报警等信息显示 出来 该系统的设计具有控制装置简单 成本低 易于实现等特点 关键词 室内环境 单片机 智能监控 定时采样 A D 转换 本科生毕业设计 论文 II Abstract Indoor environment is the longest exposure time in one s life and the closest environment Indoor environmental quality concerns everyone s quality of life and health Not only it is a good indoor environment for most members of the Interior approved comfortable in hot and humid environment lighting acoustic and electromagnetic environments but also it provides fresh and pleasant stimulating activity and no negative health effects of high quality air in order to meet the needs of comfort and health of the human body The system is an intelligent monitoring system for indoor environment and it allows people to live in the environment of more comfortable more easily This design consists of both hardware and software components of the system hardware using AT89S52 which is 51 series MCU plus keyboard circuit LCD circuits clock circuitry temperature and humidity in the environment content of formaldehyde and TVOC measurement circuit data conversion circuits and systems for controlling the output circuit Software part mainly completes following several features through external interrupted program system can recognition out people through press on system time of set value and on environment indicators normal range of set value through timed interrupted program system can timed to collection indoor environment in the of temperature and humidity and formaldehyde and TVOC harmful gas content of data through software in the of comparison program will collection back of data and set data phase comparison and can judgment out data whether normal thereby take corresponding of measures through displayed program system data time and alarm information can be displayed The design of the system has a simple control device low cost easy to implement and so on Keywords indoor environment MCU intelligent monitoring data regularly sampling A D transform 本科生毕业设计 论文 III 目 录 第 1 章 绪 论 1 1 1 题目的来源和现状 1 1 2 影响室内环境质量的因素以及危害 2 1 3 本设计的主要工作及技术要求 3 第 2 章 系统控制方案的选择 4 2 1 系统的概述 4 2 2 控制方案的设计 4 第 3 章 系统的硬件设计 7 3 1 核心控制系统的设计 7 3 1 1 核心控制芯片的选型 7 3 1 2 AT89S52 核心控制器最小系统的设计 9 3 2 系统数据采集电路的设计 10 3 2 1 室内温度数据采集电路的设计 10 3 2 2 室内湿度数据采集电路的设计 11 3 2 3 室内苯含量检测电路的设计 14 3 2 4 室内 TVOC 含量检测电路的设计 16 3 3 系统 A D 转换电路的设计 19 3 4 系统显示器的设计 21 3 4 1 系统显示器的选型 21 3 4 2 LCD1602 显示器电路的设计 23 3 4 3 LCD1602 显示器的用法及性能参数 24 3 5 系统键盘电路的设计 26 3 6 系统时钟电路的设计 29 3 6 1 时钟芯片的选型 29 3 6 2 时钟电路的设计 30 3 7 系统报警电路的设计 30 3 8 系统控制输出机构电路的设计 31 3 9 系统串口通讯电路的设计 33 3 10 系统电源电路的设计 34 本科生毕业设计 论文 IV 第 4 章 系统的软件设计 35 4 1 系统主体程序的设计 35 4 2 系统定时采集数据程序的设计 36 4 3 系统数据显示程序的设计 36 4 4 系统键盘扫描程序的设计 37 4 5 系统数据处理以及控制输出程序的设计 38 4 6 系统时钟应用程序的设计 39 4 7 系统报警程序的设计 40 4 8 VB 监控界面的设计 41 第 5 章 结 论 43 参考文献 44 致 谢 46 附 录 I 47 附 录 II 49 附 录 III 62 本科生毕业设计 论文 1 第 1 章 绪 论 1 1 题目的来源和现状 室内环境是人的一生中接触时间最长 关系最为密切的环境 特别是老 弱 病 残 幼 孕等体弱者在室内活动时间更长 室内环境的质量关系到每一个人 的生活质量及身心健康 良好的室内环境是一个能为大多数人认可的 舒适的湿 热环境 光环境 声环境和电磁环境 同时也能够提供新鲜宜人 激发活力而且 对健康无负面影响的高品质空气 以满足人体的舒适感和健康的需要 因此加强 室内环境的监测与治理 对保证人民的健康 提高国民的整体素质十分重要 尤 其像我国这样人口众多 而医疗保健水平又一般的国家 加强室内环境监测 维 持一个绿色的居住 办公场所 让广大人民都拥有一个健康的体魄 显得尤为重 要 据世界银行估计 中国每年因室内空气污染所造成的经济损失约 32 亿美元 另据国际有关组织调查统计 世界上 30 的建筑物中存在有害于健康的室内空气 这些有害气体已经引起全球性的人口发病率和死亡的增加 室内环境污染已经列 入对公众健康危害最大的五种环境因素之一 人们在经历了 煤烟型污染 和 光化学污染 后 正进入以 室内空气污染 为标志的第三污染时期 近几年来 随着我国城镇居民的生活水平的提高 人们对自身的居住环境要 求越来越高 不断改善着住房条件 从单一的增加居住面积到对住房的豪华装修 目前 我国城镇居民每年有 1500 亿元花费在居室装修上 据不完全统计 上海 市 仅家庭装修市场每年产值可达 200 250 亿元 而且以每年 10 15 的速度递增 据报道 找个室内装饰工程的市场需求量到 2005 年已经超过 6000 亿元 它所带 动的装饰材料和家电等超过 4000 亿元 由室内装饰装修材料引起的室内环境污 染也日益严重 另据统计 我国由于室内空气污染造成的损失 如果按支付意愿 价值估计 约为 106 亿美元 在工业 经济和开发高度发展的同时 我们的室内 环境也日益地被严重污染 在我国 近年来我国室内空气污染状况惊人 室内空气污染对人体健康造成 的威胁触目惊心 污染净化与治理刻不容缓 某专门机构对室内空气研究发现 许多民用和商用建筑的室内空气污染程度是室外空气污染的 4 10 倍 有的甚至超 过 100 倍 北京市儿童医院从 2004 年开始 对白血病患儿进行了家庭居住环境 本科生毕业设计 论文 2 调查 发现 90 的小患者家中半年之内曾经装修过 而且大多是豪华装修 全世 界每年有 30 万人因为室内空气污染而死于哮喘病 其中 35 为儿童 我国肺癌 发病率以每年 26 9 的速度递增 因装修污染引起的上呼吸道感染而导致重大疾 病的儿童约有 210 万名 在我国 室内环境问题从来没有像今天这样受到重视 国务院两位副总理连 续 3 次批示 指出室内环境问题关系到居民身体健康 因此 在我国室内环境污 染已经成为国家 政府 企业和消费者关注的热点 据中国消费者协会的统计显 示 近年来家庭装饰投诉列前 5 位 而且室内环境污染投诉在家庭装修投诉中名 列首位 2004 年初 经民政部批准成立了中国室内装饰协会室内环境检测工作委 员会 它是目前我国室内环境检测和治理行业唯一的社团组织 它的成立标志着 我国的室内环境污染的管理进入了新的阶段 1 2 影响室内环境质量的因素以及危害 影响室内环境的质量的因素有很多 主要包括以下几个方面 1 有害气体的污染 美国专家检测发现 在室内空气中存在 500 多种挥发性有机物 其中致癌物 质就有 20 多种 致病的病毒 200 多种 危害较大的主要有 氡 甲醛 苯 氨 以及酯 三氯乙烯等 中国消费者协会公布过一项调查结果 抽样检测的新装修 的住房中有七成含有有毒气体 在这样的新居中 人们往往出现头痛 头晕 过 敏性疲劳和眼 鼻 喉刺痛等不适感 世界卫生组织 WHO 将此现象称为 病态 建筑物综合征 2002 年 8 月初 中国消费者协会公布了一项调查结果 北京对 30 户装修后的室内环境污染物进行检测 发现甲醛浓度超标达 73 杭州对 53 户装修后的室内环境污染物进行检测 发现甲醛浓度超标达 79 最高的超标达 30 倍以上 2 浮游粒子的污染 浮游粒子中危及人类健康的主要是粒径小的所谓的飘尘 浮游粒子的发生源 主要有 人体头皮 皮肤屑 衣物上的污垢和人体活动如室内步行 扫除等 建筑材料和设备石棉纤维 玻璃纤维 螨虫等 吸烟烟雾烟尘 焦油等 其他空调系统产生的粉尘等 3 香烟烟雾的污染 本科生毕业设计 论文 3 香烟烟雾是室内空气的主要染源 烟雾中既有气态分子状污染物 占 91 8 又有浮游粒子状污染物 占 8 2 这些粒子状污染物还会吸附在墙壁等地方 随 着低沸点成分的挥发和气态污染物一起构成室内的臭气源 4 放射性污染物的污染 室内放射性污染物主要是氡 氡是一种惰性气体 多用做保护气 它是自然 界中唯一的天然放射性气体 室内空气中的氡来源于建筑水泥 矿渣和装饰石材 5 生物性污染物的污染 生物性污染主要是细菌 细菌主要来源于地毯 毛绒玩具和被褥等 1 3 本设计的主要工作及技术要求 本课题的研究重点在于设计出一个单片机智能监控系统以此来实现对室内环 境的温度 湿度及污染气体 苯 TVOC 等 参量的智能监控 该系统使用 4 种 传感器检测电路来检测室内环境指标 通过软件设计的程序将设定值与测量值相 比较得到数据的偏差 以此进行相应的控制 使环境得到改善 本课题的主要研 究内容如下 1 查阅并研究室内环境检控系统的相关资料 了解室内环境影中响人们 生活的主要指标 了解室内环境的好坏给人们生活带来的影响 研究多种控制方 案 确定出一种最适合的方案 2 设计出室内环境智能监控系统的核心控制部分 即单片机最小系统 其中包括复位电路 电源电路 晶振电路 I O 口扩展电路等 3 设计出系统的外围电气结构 包括检测电路 显示电路 键盘电路 控制输出电流 数据转换电路 时钟电路和报警电路等 4 学习单片机的软件设计资料 完成系统的软件设计 包括中断程序 控制程序 数据比较程序 显示程序 键盘输入程序等 5 改善系统的性能和修改系统出现的小问题并做出总结 本科生毕业设计 论文 4 第 2 章 系统控制方案的选择 2 1 系统的概述 在人们的日常生活中 环境是每一个人都离不开的 它包括室外环境和室内 环境两种 室外环境就是人们一直关心和了解的大自然环境 它的好坏对人类生存具有 重要意义 衡量它的好坏有很多方面 如空气质量 绿化面积的大小 是否有沙 尘暴天气 人们生活的排气污染和垃圾污染程度等方面 室内环境也是一种重要的 人们生活不可缺少的场所 在室内环境中 人们 可以生活 睡觉 学习和工作 除此之外 人们可以呆着室内环境中去躲避自然 灾害等 衡量室内环境的好坏与衡量室外环境的好坏有些差别 它包括室内的温 度 湿度 苯和 TVOC 等有害气体的含量等 良好的室内环境会使人的身体更健 康 更舒适 本次设计的系统是室内环境智能监控系统 它可应用在家庭 办公室 教学 楼等室内场所 其功能是它可以实时检测室内环境中的温度 湿度 苯和 TVOC 有害气体的含量 并可以通过系统的显示器显示出来 如果所检测的室内环境环 境质量指标超标 系统就会自动报警 并且通过控制输出电路来控制排气扇 吹 风机 电热丝和加湿器等电器工作 从而使室内空气质量得到改善 让室内工作 生活和学习的人们感觉更舒适 2 2 控制方案的设计 该设计方案选择了 AT89S52 单片机作为核心控制芯片 系统外接具有 10 按 键的矩阵键盘和 LCD1602 显示器 使系统具有良好的人机交互界面 这样人们 可以方便地通过键盘对系统进行信息输入和调整 通过外部精确的时钟电路 能 够保证时间的精确性 从而使系统在时间控制模式下运行稳定 可靠 系统通过检测电路来采集室内环境的各项指标数据 通过 A D 转换将模拟信 号变成数字信号并传送到单片机控制器中 单片机通过控制算法对数据进行处理 通过 LCD1602 将处理后的数据进行显示 除此之外 系统根据处理的数据来控 制室内环境 使人们一直处在良好的环境中 本科生毕业设计 论文 5 该设计的室内环境智能监控系统的结构框图如图 2 1 所示 单片机 AT89S52 晶振电路 12MHz 稳压电源 5V 时钟模块 键盘输入电路 温度检测电路 温度传感器 LED灯和蜂鸣器 组成的报警电路 复位电路 LCD1602 液晶显示 控制电路1 继电器1 控制排气机开关 控制电路3 继电器3 控制热风机开关 控制电路2 继电器2 控制加湿器开关 4路A D 转换电路 湿度检测电路 湿度传感器 苯浓度检测电路 苯浓度检测传感器 屋顶中央排气扇 加湿器 吹风机 制造流动风 控制电路4 继电器4 控制加热丝开关 加热电阻丝 制造热风的加热器 TVOC浓度检测电路 TVOC浓度检测传感器 串口通信 RS 232 上位机人机监控界面 图 2 1 室内环境智能监控系统结构原理图 室内环境智能监控系统的设计主要包括以下几个部分 1 设计一组室内环境信息采集电路 该电路可以实现采集室内环境中的 温度 湿度 苯含量和 TVOC 含量数据 采集电路功能的实现是利用温度传感器 湿度传感器 苯含量传感器 TVOC 含量传感器来对信号进行采集 2 设计一种数据转换电路 因为系统采集回来的数据都是模拟信号 要 想让控制器识别和应用 则应该将数据转换成数字信号 系统采用一个集成的 A D 转换芯片 PCF8591 来进行数据转换 3 设计一个单片机最小系统作为控制核心 该最小系统的硬件包括单片 机芯片 系统电源电路 系统复位电路 晶振电路 时钟电路 键盘电路等 其 中时钟电路是该系统的时间基准 利用它可以识别出春 夏 秋 冬四个季节 也可以进行时间计算 键盘电路是系统的输入 人们可以应用键盘来对系统的一 些控制数值进行设置 也可以对时间进行校准 4 设计一个室内环境监控系统的显示模块 本设计采用的是 LCD1602 液 晶显示模块作为整个系统的显示器 该显示器可以显示系统实时采集回来的温度 湿度 苯含量和 TVOC 含量数值 还可以显示当前的时间 系统运行正常和异常 的报警状态等信息 本科生毕业设计 论文 6 5 设计一组系统对室内环境控制的执行机构 该设计是一组应用单片机 控制的继电器 该执行机构由 4 路继电器构成 单片机通过信号控制继电器的通 断 并分别控制加湿器的开关 排气扇的开关 吹风机的开关和加热丝的开关 使这 4 个电器相互协调工作 从而使室内的环境保持良好的状态 6 设计一组环境异常的报警电路 该报警电路包括 LED 报警信号灯和蜂 鸣器 当检测的某种环境指标出现异常的时候 相应的 LED 灯闪烁 与此同时 蜂鸣器也进行报警 本科生毕业设计 论文 7 第 3 章 系统的硬件设计 3 1 核心控制系统的设计 核心控制系统是室内环境监控系统的一个子系统 它就像系统的 心脏 一 样重要 它可以控制整个系统的运行状态 也可以智能地分析数据和实现数据采 集 数据显示和控制等功能 因此选择和设计一个稳定 良好的核心控制系统是 十分重要的 3 1 1 核心控制芯片的选型 该设计的室内环境智能监控系统是用在室内的 它的核心控制模块采用小型 芯片单片机 这样可以使系统的运行更加智能化 自动化 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统 尽管它的大部分功能 集成在一块小芯片上 但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件 CPU 内存 内部和外部总线系统 目前大部分芯片还具有外存 同时它还集成诸如通 讯接口 定时器 实时时钟等外围设备 而现在最强大的单片机系统甚至可以将 声音 图像 网络 复杂的输入输出系统集成在一块芯片上 单片机也被称为微控制器 Microcontroler 是因为它最早被用在工业控制 领域 单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来 最早的设计理念是通 过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中 使计算机系统更小 更容易集成 极复杂的而对系统要求严格的控制设备当中 控制器采用的单片机型号为 AT89S52 它是 51 系列单片机的一种 AT89S52 单片机是一种低功耗 高性能的 CMOS 的 8 位微控制器 内置 8KB 可在线编程闪存 该器件采用 Atmel 公司的高密度非易失性存储技术生产 其指令与工业标准的 80C51 指令集兼容 片内程序存储器允许重复在线编程 允 许程序存储器在系统内通过 SPI 串行口改写或用同用的非易失性存储器改写 通 过把通用的 8 位 CPU 与可在线下载的 Flash 集成在一个芯片上 AT89S52 便成为 一个高效的微型计算机 它的应用范围广且成本较低 可用于解决复杂的控制问 题 如广泛应用于工业控制 仪器仪表 外设控制 顺序控制等方面 AT89S52 单片机 DIP 封装方式有 40 个引脚 因此它具有很多种功能特性 它与同系列产品相比 性价比很高 单片机的 40 个引脚大致可分为 4 类 分别 本科生毕业设计 论文 8 是 电源 时钟 控制和 I O 引脚 该单片机引脚图如图 3 1 所示 ATS89S52 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 VCC P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 VPP EA ALE PROG PSEN P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1 P2 0 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 RST P3 0 P3 1 P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 XTAL2 XTAL1 GND T2 T2 EX MOSI MISO SCK RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 图 3 1 AT89S52 单片机引脚图 1 电源 VCC 芯片电源 接 5V VSS 接地端 2 时钟 XTAL1 XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端 3 控制线 4 根 ALE PROG 地址锁存允许 片内 EPROM 编程脉冲 ALE 功能 用来锁 存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编 程期间 此引脚输入编程脉冲 PSEN 外 ROM 读选通信号 RST VPD 复位 备用电源 RST Reset 功能 复位信号输入端 VPD 功能 在 Vcc 掉电情况下 接备用电源 EA Vpp 内外 ROM 选择 片内 EPROM 编程电源 EA 功能 内外 ROM 本科生毕业设计 论文 9 选择端 Vpp 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 施加编程电 源 Vpp 4 I O 总线 AT89S52 共有 4 个 8 位并行 I O 端口 P0 P1 P2 P3 口 共 32 个引脚 P3 口还具有第二功能 用于特殊信号输入输出和控制信号 属于控制总线 AT89S52 单片机是一种数字型的 8 位控制芯片 其主要有以下几种性能 1 可编程 Flash 存储器存储空间是 8K 2 具有 32 个可编程的 I O 口总线 3 有 256 字节的 RAM 4 有 1 个看门狗定时器和 3 个 16 位定时器 计数器 5 有 6 个中断向量 并具有 2 个中断优先级控制功能 6 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中 断等模块继续正常运行 7 支持 2 钟软件可选择节电模式 8 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作 都停在 直到下一个中断或者硬件复位为止 3 1 2 AT89S52 核心控制器最小系统的设计 单片机的最小系统是整个系统的核心装置 它的主要部分是控制器的芯片 除此之外 AT89S52 单片机的最小系统包括单片机的电源电路 单片机的晶振电 路和单片机的复位电路 3 个主要部分 AT89S52 单片机的最小系统如图 3 2 所示 本科生毕业设计 论文 10 5v P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RE ST 9 P3 0 RX D 10 P3 1 TX D 11 P3 2 INT 0 12 P3 3 INT 1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XT AL2 18 XT AL1 19 GN D 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSE N 29 AL E PR OG 30 EA EPP 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VC C 40 U1 AT 89S52 CR Y1 12M HZ C1 60PF C2 60PF R9 200 C1 22uF 5V R10 1K S1 SW PB 图 3 2 AT89S52 单片机最小系统 本科生毕业设计 论文 11 3 2 系统数据采集电路的设计 该室内环境智能监控系统的功能之一是对室内环境中的温度 湿度 苯含量 和 TVOC 含量的检测 因此系统的数据采集电路分为四种 分别是室内温度采集 电路 室内湿度采集电路 苯含量采集电路和 TVOC 含量采集电路 3 2 1 室内温度数据采集电路的设计 LM35 系列是美国 NS 公司生产的精密集成电路温度传感器 其输出的电压 线性地与摄氏温度成正比 因此 LM35 比按绝对温标校准的线性温度传感器敏 感得很多 LM35 系列传感器生产制作时已经过校准 输出电压与摄氏温度一一对应 使用极为方便 它的灵敏度为 10 0mV 精度在 0 4 至 0 8 55 至 150 温度范围内 重复性好 低输出阻抗 线性的输出和内部精密的校准使其与读出 或控制电路接口连接简单和方便 可选单电源和正负电源两种方式工作 系统采用 LM35 系列的温度传感器来采集室内的温度 根据测量温度的范围 则选择的型号为 LM35DZ LM35DZ 的封装方式是 TO 92 塑封 其外形如图 3 3 所示 LM35DZ 的性能指标及特性如下所示 1 在摄氏温度下直接校准 2 10 0mV 的线性刻度系数 3 确保 0 5 的精度 在 25 4 额定温度范围为 0 至 100 5 适合于远程应用 6 工作电压范围宽 4V 至 30V 7 输出阻抗 通过 1mA 电流时仅为 0 1 本科生毕业设计 论文 12 图 3 3 LM35DZ 温度传感器的外形 该设计的系统温度检测电路的原理图如图 3 4 所示 它包括检测电路 放大 电路和数据转换电路三部分 VCC 1 VOUT 2 GND 3 U5 LM35DZ 5V R17 1K A1 R18 5K R19 1K 12V R20 1KA2 R21 1K R22 1K 12V 470uF OPAMP 5V NC AIN0 1 AIN1 2 AIN2 3 AIN3 4 A0 5 A1 6 A2 7 VSS 8 SDA 9 SCL 10 OSC 11 EXT 12 AGND 13 Vref 14 Aout 15 VDD 16 U3 PCF8591P 图 3 4 温度采集电路原理图 系统的温度采集电路包括两个部分 一部分是 LM35DZ 的温度采集电路 另 一部分是放大电路 系统的设计采用 LM35DZ 单电源供电的工作方式 在温度传 感器的电源端分别加上 5V 和 GND 这样在传感器的输出端就能得到模拟信号 其输出公式为 Vout 0mV 10mV 系统采集的温度输出的信号很小 不便于数据的处理 为了提高数据处理的 精度和减小数据经过 A D 转换后产生的误差 在信号输出的部分加上两级放大 第一级放大倍数为 5 倍 第二级不放大而是让其信号转换成正电压 该温度采集 电路的输出接到 PCF8591 的模拟输入通道 AIN0 上 这样所得到的整个采集的模 拟电压数据可以通过 A D 转换器进行模数转换送入控制器中 3 2 2 室内湿度数据采集电路的设计 该系统的设计要求是将室内的湿度控制在两种范围内 冬季 30 60 和夏季 40 65 为了满足系统的测量精度和范围 本次设计选用型号为 HM1500 的湿度 本科生毕业设计 论文 13 传感器作为检测室内环境湿度的工具 HM1500 的外形如图 3 5 所示 它有 W1 白色 W2 蓝色 W3 黄色 3 条引线 分别是地线 电源线和输出线 图 3 5 HM1500 湿度传感器 HM1500 是专门适用于需要精确可靠检测湿度的系统 其最大的优点是有很 小的易于安装的接头 可以非常节省机械自动安装的成本 由于它是线性的电压输出湿度检测模块 输出范围是 1V 4V 并且内部具有 放大电路 因此可直接与微控制器的 A D 转换模块相连接 不需要另外设计放大 电路 除此之外 它还具有尺寸小 防水 互换性好 可靠性高 漂移小 极低 的温度依赖性 比例输出于电源电压 响应时间短 对化学品具有高体抗性等特 点 HM1500 的特性参数详见表 3 1 表 3 1 HM1500 的特性参数 参数符号最小值典型值最大值单位 湿度量程RH199 RH 相对湿度精度 10 99 RH RH 3 5 RH 供电电压Vs4 755 005 25V 输出范围Vout10004000mV 典型输出 RH 55 Vout2 422 482 54V 消耗电流Ic0 40 8mA 温度系数 10 50 Tcc 0 1 RH 平均灵敏度 33 75 RH mV RH 25mV RH 吸收电容容量 R 15K Is300 A 本科生毕业设计 论文 14 150 小时结露恢复时间t10s 湿度迟滞 1 5 RH 漂移0 5 RH yr 响应时间 5 10 RH 静态 63 10s 湿度传感器 HM1500 内部结构具有温度系数补偿 非线性温度补偿作用 因 此 可以使采集的湿度信号与其输出的模拟电压信号成线性关系而不受温度等因 素的影响 输出的拟合多项式为 单位 Vout mV RH 3 1 1030851 303 19 2134 RHRHERHEVOUT 温度系数补偿为 单位 RH Ta 3 2 4 2 23 1 3 ETaRHRH readCor 非线性与温度补偿为 单位 RH Ta 3 3 3 35 3 9 4 2 23 1 75 21607 9 335 1 919 1 ETa VEVEVE RH outout out HM1500 温度传感器的输出特性参考数值详见表 3 2 公式为 3 4 5 420391 0 OUT VRH 表 3 2 HM1500 模拟线性电压输出值 RH Vout mV RH Vout mV 101325552480 151465602605 201600652730 251735702860 301860752990 351990803125 402110853260 452235903405 502360953555 该设计的室内环境智能监控系统的湿度检测电路如图 3 6 所示 本科生毕业设计 论文 15 VCC 1 VOUT 2 GND 3 U6 HM1500 5V NC AIN0 1 AIN1 2 AIN2 3 AIN3 4 A0 5 A1 6 A2 7 VSS 8 SDA 9 SCL 10 OSC 11 EXT 12 AGND 13 Vref 14 Aout 15 VDD 16 U3 PCF8591P 5V 图 3 6 室内湿度检测电路 在湿度检测电路中 用 5V 给 HM1500 传感器供电 HM1500 的输出口直接 连接到能实现 A D 转换的 PCF8591 芯片的模拟输入通道 AIN1 上 3 2 3 室内苯含量检测电路的设计 本次设计的室内环境智能监控系统所监测的环境指标之一是苯的含量 苯是 一种无色具有特殊芳香气味的液体 甲苯 二甲苯属于苯的同系物 都是无色液 体 住宅环境里的苯主要来自建筑装饰中使用大量的化工原材料 如涂料 填料 及各种有机溶剂等 都含有大量的有机化合物 经装修后大量挥发到室内各个角 落 污染范围之大难以考量 苯是致癌物质 主要损害人的中枢神经及肝功能 医学研究表明 苯可以危 及血液及造血器官 易引起白血病及败血症等疾病 尤其是对孕妇的危害 极为 严重 因此 对室内环境中苯含量进行监测和控制是很重要的 检测苯含量的传感器采用 MQ138 传感器模块 它是一种可用于检测苯 甲 本科生毕业设计 论文 16 醛 甲苯 酒精 甲醇等气体浓度的气敏型半导体传感器 具有价格低廉 响应 速度快 灵敏度高 性能稳定及外围驱动电路简单等特点 MQ138 传感器模块可测量的气体种类有苯 甲醇 丙酮 甲苯 酒精 甲醛 等 其测量的范围详见表 3 3 表 3 3 MQ138 模拟线性电压输出值 气体名称测量范围气体名称测量范围 苯1 100ppm甲苯10 100ppm 甲醇5 100ppm酒精30 300ppm 丙酮10 300ppm甲醛1 10ppm MQ138 半导体气体传感器模块由微型陶瓷管 敏感层 测量电极和加热器构 成的敏感组件 这些元件固定在不锈钢制成的腔体内 并和一些电阻 放大器等 元件组成检测电路固定在电路板上形成模块 其外部构造如图 3 7 所示 图 3 7 MQ138 苯含量检测模块 MQ138 传感器模块的特性有以下几点 1 具有信号输出指示灯指示 2 双路信号输出 模拟量输出及 TTL 电平输出 3 TTL 输出有效信号为低电平并且信号灯亮 可接单片机 I O 口 4 模拟量输出随浓度增加而增加 浓度越高 输出的模拟电压越高 5 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 6 快速的响应恢复特性 本科生毕业设计 论文 17 7 探头可以插拔设计 方便试验和调试 MQ138 模块有四个引脚 分别是 VCC DOUT AOUT GND VCC 是传 感器模块的电源 一般使用 5V 直流电源 DOUT 和 AOUT 分别是传感器的数字 信号输出端和模拟信号输出端 GND 是传感器模块的电源地端 本设计使用该模块的模拟输出端进行数据传输 AOUT 引脚与 A D 转换器 PCF8591 的 AIN2 相连接 其设计的电路原理图如图 3 8 所示 3 14 6 AB 25 H QM N11 R40 R41 R42 Rp 3 2 1 84 U1A LM393 LED C 104 1 2 3 4 JP1 VCC DOUT AOUT GND 5V 5V NC AIN0 1 AIN1 2 AIN2 3 AIN3 4 A0 5 A1 6 A2 7 VSS 8 SDA 9 SCL 10 OSC 11 EXT 12 AGND 13 Vref 14 Aout 15 VDD 16 U3 PCF891P MQ138 图 3 8 苯含量检测电路原理图 3 2 4 室内 TVOC 含量检测电路的设计 室内环境智能监控系统所监测的室内重要环境指标之一是有害气体 TVOC 的 含量 TVOC 是空气中三种有机污染物 多环芳烃 挥发性有机物和醛类化合物 中影响较为严重的一种 TVOC 的主要成分有 烃类 卤代烃 氧烃和氮烃 它 包括 苯系物 有机氯化物 氟里昂系列 有机酮 胺 醇 醚 酯 酸和石油 本科生毕业设计 论文 18 烃化合物等物质 室内环境中都会含有 TVOC 有害气体 常温下它是以蒸发的形 式存在于空气中 其安全浓渡范围在 0 16mg m 至 0 3mg m 之间 在室外 TVOC 主要来自燃料燃烧和交通运输 而在室内则主要来自燃煤和 天然气等燃烧产物 吸烟 采暖和烹调等的烟雾 建筑和装饰材料 家具 家用 电器 清洁剂和人体本身的排放等 TVOC 的毒性 刺激性 致癌性和特殊的气味性 会影响皮肤和黏膜的功能 对人体产生急性且严重的损害 因此监测和控制室内 TVOC 的含量是极为重要的 本系统采用型号为 MS1100 P111 的传感器模块作为室内 TVOC 含量检测电 路的传感器 MS1100 P111 传感器模块选用 MS1100 为核心传感器探头 它是一 款原装进口的半导体式 TVOC 气体传感器 具有极高的灵敏度和稳定性 能够侦 测 0 1ppm 以上的气体 除此之外 它还具有体积小巧 价格便宜 响应速度快 等优点 MS1100 P111 模块的外形如图 3 9 所示 图 3 9 MS1100 P111 传感器模块的实物图 MS1100 P111 模块的具体技术参数如表 3 4 所示 表 3 4 MS1100 P111 传感器模块的技术参数 加热电压5V 2 DC 工作电流100mA max 本科生毕业设计 论文 19 回路电压 3 元件功耗430mW 模拟信号输出范围0 5V 模拟信号可以直接接 AD 采集 输出方式模拟信号输出 数字信号输出 响应时间 VCC1 0 2V 时 由 VCC2 向 DS1302 供电 工作电压宽达 2 5 5 5V 当 VCC2 VCC1 时 由 VCC1 向 DS1302 供电 一般情况下 为了保持系统断电的时候时钟继续工作 VCC1 引脚都会连接扭扣电池作为副电源 2 SCLK 串行时钟 输入 控制数据的输入与输出 3 I O 三线接口时的双向数据线 可以双向传输数据或指令 4 CE 输入信号 在读 写数据期间 必须为高电平 该引脚有两个功 能 第一 CE 开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑 其次 CE 提供结束单字 节或多字节数据传输的方法 5 X1 X2 连接晶振的引脚 一般连接晶振为 32 768KHz 3 6 2 时钟电路的设计 DS1302 与单片机的连接仅需要 3 条线 CE 引脚 SCLK 串行时钟引脚 I O 串行数据引脚 分别于单片机的 P3 2 P3 3 P3 4 三个 I O 口相连接 虽然单片 机的 P3 口是有第二功能的 但系统没有用到第二功能 在这里仅当普通的 I O 数 据口使用 系统时钟电路的设计和与单片机连接的电路如图 3 20 所示 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 REST 9 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA EPP 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 U1 AT89S52 VCC2 1 X1 2 X2 3 GND 4 CE 5 I O 6 SCLK 7 VCC1 8 U9 DS1302 5V CRY2 32 768KHz 1 2 1 5v 图 3 20 系统时钟电路原理图 VCC2 为主电源 与系统的 5V 电源箱连接 以此来为时钟芯片提供电源 VCC1 为备用电源 外接一个扭扣电池 起断电保护时间数据的作用 X1 X2 本科生毕业设计 论文 33 两引脚之间外接 32 768kHz 晶振 为芯片提供计时脉冲 3 7 系统报警电路的设计 该设计的室内环境智能监控系统可以实现对室内环境的温度 湿度 TVOC 含量 苯含量 4 种指标进行检测盒控制 当系统运行时 所检测的 4 种室内环境 指标处于正常范围 系统的 LCD1602 上显示出各项指标的数值 当所检测的环 境指标任何一种超出正常范围时 系统就会报警一分钟 并采取通风 排气 加 湿 加热等控制措施来改善室内环境 该系统设计的报警电路采用 LED 灯和蜂 鸣器两种器件 称为声光报警电路 报警电路包括 5 个 LED 灯和一个蜂鸣器 5 个 LED 分别是 LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 其设计的报警电路如图 3 21 所示 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 REST 9 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA EPP 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 U1 AT89S52 R23 1K R24 1K R25 1K R26 1K R27 1K LED3 LED5 LED4 LED2 LED1 5V R28 0 1K 8550 Q1 5V R28 5K BZ 图 3 21 系统报警电路原理图 该设计的系统报警电路 5 个 LED 灯分别与单片机 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 口相连接 并分别连接 5K 的上拉电阻到 5V 电源 上 单片机可以控制 I O 口的高低电平来控制报警指示灯的关断和导通 蜂鸣器 电路需要加入一个三极管的驱动电路 单片机可以通过控制 P2 7 口来控制蜂鸣器 发声和关闭 系统对应的报警指示如下所示 本科生毕业设计 论文 34 LED1 点亮 蜂鸣器报警 监控系统数据处理发生错误而不能正常运行报警 LED2 点亮 蜂鸣器报警 温度超出或低于正常范围报警 LED3 点亮 蜂鸣器报警 湿度超出或低于正常范围报警 LED4 点亮 蜂鸣器报警 苯含量超出正常范围报警 LED5 点亮 蜂鸣器报警 TVOC 含量超出正常范围报警 3 8 系统控制输出机构电路的设计 本次设计的室内环境智能监控系统的功能是监测和改善室内环境 系统通过 传感器以及检测电路可以采集出室内环境的温度 湿度 苯含量和有毒气体 TVOC 含量数据 并通过设计的程序将采集的数据和设定值比较 如果采集数据 超出设定的正常范围 系统就会控制 4 路继电器 以此来控制排气扇 吹风机 加湿器 电热丝相互配合工作 使所检测的 4 项指标达到正常范围 从而改善室 内环境质量 该设计的系统控制输出机构的电路如图 3 22 所示 R28 0 33K R29 0 33K R30 0 33K R31 0 33K 5V C 0 1uF U6 TP521 4 U7 TP521 4 U8 TP521 4 U9 TP521 4 R32 0 51K R33 0 51K R34 0 51K R35 0 51K R32 0 5K R33 0 5K R34 0 5K R35 0 5K K1 RELAY SPST K2