基于单片机空气质量检测仪设计(毕业设计)

基于单片机空气质量检测仪设计 摘 要 随着我国经济的发展 人民生活水平的提高 人们对环境问题及健康问题日 益重视 室内空气品质 IAQ 状况受到越来越多的关注 人的一生中有三分之 二的时间是在居室内度过的 本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以室 内空气中有毒有害气体的监测监控为背景 是以 STC 工公司的一款 8 位超低功耗 单片机 STC90C51 为控制核心 能够实现对室内温度 湿度 VOC 气体的实时采 集处理 显示 报警等功能 仪器采用锂电池供电 具有良好的便携性和通用性 并且使用 LCD1602 点阵式液晶屏显示菜单 有良好的人机对话界面 同时设计 了声光报警系统 实现在参数超标时及时的报警 室内智能空气品质监测仪体积 小 功耗低 操作简单 适合应用于家庭和社区的医疗健康保健 能够实时知道 室内空气的质量 关 键 词 STC90C51 室内空气品质 LCD 显示 温湿度 VOC 气体 BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER AIR QUALITY TESTER DESIGN ABSTRACT We paid more attention to the environment and health problems especially indoor air quality IAQ conditions with the development of the national economy and the improvement of people s living standard In that about two thirds of people s life spent in the house In this paper Indoor Air Quality Portable Intelligent Monitor which will be studied in this paper is on the background of toxic and harmful gases and based on an STC 8 bit working ultra low power MCU STC90C51 as control core It can process display and alarm the real time acquisition indoor temperature humidity VOC gas and so on The instrument is powered by lithium batteries with a good portability and versatility What s more it uses the LCD1602 dot matrix LCD screen to display menu and has a good interactive interface At the same time sound and light alarm system is designed to achieve a timely manner when the parameter level exceeds the limit With the features of small size low power consumption operating easily Indoor Air Quality Portable Intelligent Monitor is suitable for family and community health care for its real time acquisition of indoor air quality KEY WORDS STC90C51 IAQ LCD display Temperature and humidity VOC gas 目 录 前 言 1 第 1 章本课题的主要研究内容 方法及总体设计 3 1 1 课题设计的内容 3 1 2 课题设计的方法 3 第 2 章 空气质量检测仪的硬件设计 5 2 1 空气质量检测仪系统简介 5 2 1 1 系统硬件结构及原理 5 2 2 STC90C51 单片机简介 5 2 2 1STC90C51 主要性能参数 6 2 2 2 时钟电路模块 7 2 2 3 复位电路模块 7 2 3 传感器的选用 8 2 3 1 气体传感器 8 2 3 2 温湿度传感器 10 2 4 模数转换电路设计 16 2 5 声光报警电路设计 18 2 6 液晶显示电路设计 18 2 6 1LCD1602 的基本参数及引脚功能 19 2 6 2LCD1602 的指令说明及时序 20 2 6 31602LCD 的 RAM 地址映射及标准字库表 23 2 6 4LCD1602 的一般初始化过程 24 2 7 按键电路设计 25 2 8 电路电源设计 25 2 9 本章小结 26 第 3 章 空气质量检测仪的软件设计 27 3 1 系统软件设计思路 27 3 1 1 编程语言的选择 27 3 1 2 软件功能需求 27 3 2 软件模块设计 28 3 2 1 主程序模块 28 3 2 2AD 转换模块 30 3 2 3 液晶显示模块 30 3 2 4 声光报警模块 30 3 2 5 按键模块 30 3 3 本章小结 31 第 4 章 仿真调试 32 4 1 系统硬件调试 32 4 1 1 常见的硬件故障 32 4 1 2 硬件调试方法 32 4 2 系统软件调试 33 4 3 本章小结 34 结 论 35 1 主要结论 35 2 展望 35 参考文献 37 致 谢 38 附 录 39 附录一 39 附录二 40 1 前前 言言 一 课题研究的目的及意义 空气质量的好坏反映了空气污染程度 它是依据空气中污染物浓度的高低来 判断的 来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要 因素之一 空气质量检测种类包括装修污染 办公室内空气检测 作业场所有害 物质检测 食堂油烟检测 锅炉大气及工业窑炉检测及工厂排放工业废气检测 当今 人类正面临 煤烟污染 光化学烟雾污染 之后 又出现了 室内空气 污染 为主的第三次环境污染 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 大量触目惊心的事实证实 室内空气污 染已成为危害人类健康的 隐形杀手 也成为全世界各国共同关注的问题 据统 计 全球近一半的人处于室内空气污染中 室内环境污染已经引起35 7 的呼吸 道疾病 22 的慢性肺病和15 的气管炎 支气管炎和肺癌 本课题主要研究设计基于量化检测的 空气质量检测仪 系统 此系统旨在 实现室内空气温度 湿度 有害气体的预警监测 有利于进行全方位的评价室内 空气质量 为人类营造一个健康的室内生存空间 空气质量检测仪体积小 功耗 低 操作简单 适合应用于家庭和社区的医疗健康保健 能够实时知道室内空气 的质量 二 国内外的研究状况 气体传感器测定甲醛成为近年来甲醛检测研究的新热点 早在 1983 年 压 电类甲醛传感器就已问世 这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测 定 但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移 故基本无实用性 为适应 室内空气甲醛现场快速检测的要求 目前已开发出不少甲醛快速测定仪 这些仪 器可直接在现场测定甲醛浓度 操作方便 适用于室内和公共场所空气中甲醛浓 度的现场测定 也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量 但这些仪 器的工作原理 响应性能 适应范围等都不同 在测试甲醛 苯等害气体方面 国外比较出名的有 美国 ESC 公司生产的 Z 一 300 甲醛检测仪 英国 PPM 公司生产的 PPM 400 甲醛检测仪 国内的有 江苏安 2 普电子工程有限公司生产的 400 型甲醛分析仪 北京宾达绿创科技有限公司生产 的甲醛测定仪抑一 308 等 这些仪器可实现对有害气体的检测功能 适用于专业检测机构或实验研究机 构 准确测定甲醛 苯 氨等有害气体的设备昂贵 如英国 PPM 公司生产的 PPM400 甲醛仪约两万多元 测定时间较长 每隔一段时间就需进行重新标定 需要专业人员进行操作 很难连续测定 目前国内外产品的设计差异主要集中在 监测传感器和控制单片机芯片的选用 操作方面国外的产品操作界面方便 功能 加完备 3 第第 1 章章本课题的主要研究内容 方法及总本课题的主要研究内容 方法及总 体设计体设计 1 1 课题设计的内容 以单片机为核心 选择合适的传感器 实现对空气质量的检测 1 2 课题设计的方法 查阅相关资料 应用电脑软件进行仿真 调试 制作硬件设备 在实际环境 中测试并进行修改 调试 直至达到课题要求 1 3 总体方案设计 本设计集 VOC 气体及温湿度监测 显示与报警于一体 利用 MCU 进行数据 采集保证了前台数据的及时 准确 有利于进行全方位的评价 仪器采用锂电池 供电 具有良好的便携性和通用性 并且使用 LCD 点阵式液晶屏显示菜单 有 良好的人机对话界面 1 3 1 系统框图 图 1 1 系统总框图 主控制器 气体传感 器 电源 数字式温湿度传 感器 AD 转 换 输入键盘 声光报警 显示模块 4 1 3 2 功能设定 1 显示部分采用 LCD1602 显示屏 循环显示各项测量值的上下限及实际浓 度 实际温度 湿度 并在按键选择情况下连续显示一个测量值的变化 2 当有害气体浓度超出安全范围时进行声光报警 3 按键操作可进行测量值范围的调整 及手动和自动测量的转换 5 第第 2 章章 空气质量检测仪的硬件设计空气质量检测仪的硬件设计 2 1 空气质量检测仪系统简介 基于 STC90C51 的室内便携式智能空气质量监测仪是以室内空气中有毒有害 气体的监测监控为背景 能够实现对室内温度 湿度 VOC 气体的实时采集处理 显示 报警等功能 仪器采用锂电池供电 具有良好的便携性和通用性 并且使 用 LCD 点阵式液晶屏显示菜单 有良好的人机对话界面 同时设计了声光报警 系统 实现在参数超标时及时的报警 室内智能空气品质监测仪体积小 功耗低 操作简单 适合应用于家庭和社区的医疗健康保健 能够实时知道室内空气的质 量 2 1 1 系统硬件结构及原理 本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以 STC 工公司的一款 8 位超低 功耗单片机 STC90C51 为控制核心 室内空气中有害气体通过传感器输出一个与 气体浓度相对应的电压信号 该信号经过 A D 转换电路按一定得采样频率将模拟 信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理 温湿传感器直 接与单片机相连 单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被 测室内空气中的 VOC 气体浓度值及温湿度 若被测室内空气中 VOC 气体的浓度 有超过国家标准或设定的危险值或温湿度超出设定范围时报警电路对应的发出声 光报警信号 2 2 STC90C51 单片机简介 随着计算机技术的发展 单片机因具有集成度高 体积小 速度快 价格低 等特点而在许多领域如过程控制 数据采集 机电一体化 智能化仪表 家用电 器以及网络技术等方面得到广泛应用 从而使这些领域的技术水平 自动化程度 大大提高 根据上述几方面及本课题的实际情况 单片机型号的选择主要从以下 6 两点考虑 一是要有较强的抗干扰能力 由于一般室内电子电器产品比较多 这对单片 机的干扰较大 所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型 二是要有较高的性价比 由于高度的通用性和出色的稳定性 本系统采用宏 晶公司产的低功耗 高性能CMOS 8位单片机的STC90C51作为控制器 片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器 器件采用ATMEL公司的高密度 非 易失性存储技术生产 兼容标准8051指令系统及引脚 它集Flash程序存储器既可 在线编程 ISP 也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中 可提 供许多高性价比的应用场合 可灵活应用于各种控制领域 2 2 1STC90C51 主要性能参数 1 与MCS 51产品指令系统完全兼容 2 4k字节在系统编程 ISP Flash闪速存储器 3 1000次擦写周期 4 4 0 5 5V的工作电压范围 5 全境态工作模式 0Hz 33MHz 6 三级程序加密锁 7 128 8字节内部RAM 8 32个可编程I O口线 9 2个16位定时器 计数器 10 6个中断源 11 全双工串行UART通道 12 低功耗空闲和掉电模式 13 中断可从空闲模唤醒系统 14 看门狗 wDT 及双数据指针 15 掉电标识和快速编程特性 16 灵活的在线系统编程 STC90C51芯片管脚如图2 1 7 图 2 1 STC90C51 引脚布置 2 2 2 时钟电路模块 时钟电路由一个晶体振荡器 12MHZ 和两个 30pF 的瓷片电容组成 时钟电路 用于产生单片机工作所需要的时钟信号 而时序所研究的是指令执行中各信号之 间的相互关系 单片机本身就如一个复杂的同步时序电路 为了保证同步工作方 式的实现 电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作 其电路如图 2 2 所示 图 2 2 时钟电路模块 2 2 3 复位电路模块 复位电路是使单片机的 CPU 或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态 并从这状态开始工作 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程序运行出错或 操作错误使系统处于死锁状态时 为摆脱困境 也需按复位电路以重新启动 本 设计采用的是按键复位电路 其电路如图 2 3 所示 8 图 2 3 复位电路模块 2 3 传感器的选用 2 3 1 气体传感器 1 气体传感器基础知识 按照气敏特性来分 气体传感器主要分为 半导体型 电化学型 固体电解 质型 接触燃烧型 光化学型等气体传感器 又以前两种最为普遍 1 半导体型气体传感器的优缺点 半导体气体传感器具有成本低廉 制造简单 灵敏度高 响应速度快 寿命 长 对湿度敏感低和电路简单等优点 不足之处是必须在高温下工作 对气体或 气味的选择性差 元件参数分散 稳定性不理想 功率高等方面 2 半导体传感器需要加热的原因 半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件 其电阻随着气体 含量不同而变化 气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化 为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应 传感器内的加热器可 以加速氧化过程 这也是为什么有些低端传感器总是不稳定 其原因就是没有加 热或加热电压过低导致温度太低反应不充分 3 电化学气体传感器的工作原理 电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度 分为不需供电的原电 池式以及需要供电的可控电位电解式 目前可以监测许多有毒气体和氧气 后者 还能监测血液中的氧浓度 电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好 的选择性 不足之处是有寿命的限制一般为两年 9 4 半导体传感器和电化学传感器的区别 半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用 但是又因为它的选择性差和 稳定性不理想目前还只是在民用级别使用 而电化学传感器因其良好的选择性和 高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合 5 固态电解质气体传感器 顾名思义 固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池 它介于半 导体和电化学之间 选择性 灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学 所以也得 到了很多的应用 不足之处就是响应时间过长 6 接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体 又分为直接接触燃烧式和催化接 触燃烧式 原理是气敏材料在通电状态下 可燃气体在表面或者在催化剂作用下 燃烧 由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化 后者因为催化剂的关系 具有广普特性应用更广 7 光学式气体传感器 光学式气体传感器主要包括红外吸收型 光谱吸收型 荧光型等等 主要以 红外吸收型为主 由于不同气体对红外波吸收程度不同 通过测量红外吸收波长 来监测气体 目前因为它的结构关系一般造价颇高 基于本文的实时要求和性价 比等方面的原因 本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器 本设计针对 VOC 气体选用能够侦测 0 1ppm 以上的气体的空气质量 VOC 气 体浓度传感器 MS1100 用于检测空气中的甲醛 苯 二甲苯等检测空气中的甲醛 苯 二甲苯等多种有机挥发成分 具有极高的灵敏度和稳定性 体积小巧 实物 如图 2 4 使用时的连接电路如图 2 5 图 2 4 VOC 传感器实物图 图 2 5 VOC 传感器接线图 10 2 3 2 温湿度传感器 温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设 备或装置 温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量 鉴于测量温湿度的范围不大 精度要求不高故采用数字温湿度传感器 DHT11 实物如图 2 6 图 2 6 DHT11 实物图 具有的特性 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 DHT11产品概述 DHT11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DHT11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 应用领域 暖通空调 测试及检测设备 汽车 数据记录器 消费品 自动控制 气象 站 家电 湿度调节器 医疗 除湿器 传感器信息见表2 1 表2 1 DHT11传感器信息 11 型号测量范围测湿精度测温精度分辨力封装 DHT1120 90 RH 0 50 5 RH 2 14 针单排直插 1 传感器性能说明见表2 2 表2 2 传感器性能说明 参数条件MinTypMax单位 湿度 111 RH分辨率 16Bit 重复性 1 RH 25 4 RH精度 0 50 5 RH 互换性可完全互换 0 3090 RH 25 2090 RH 量程范围 50 2080 RH 响应时间1 e 63 25 1m s 空气 61015S 迟滞 1 RH 长期稳定性典型值 1 RH yr 温度 111 分辨率 161616Bit 重复性 1 精度 1 2 量程范围050 响应时间1 e 63 630S 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 适的上拉电阻接线方式如图2 7 12 图2 7 典型接线电路 3 电源引脚 DHT11的供电电压为3 5 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 单线双向 DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步 采用单总线数据格式 一次通讯时间4ms左右 数据分小数部分和整数部分 具体格式在下面说明 当 前小数部分用于以后扩展 现读出为零 操作流程如下 一次完整的数据传输为40bit 高位先出 数据格式 8bit湿度整数数据 8bit湿度小数数据 8bi温度整数数据 8bit温度 小数数据 8bit校验和 数据传送正确时校验和数据等于 8bit湿度整数数据 8bit湿度小数数据 8bi 温度整数数据 8bit温度小数数据 所得结果的末8位 用户MCU发送一次开始信号后 DHT11从低功耗模式转换到高速模式 等待 主机开始信号结束后 DHT11发送响应信号 送出40bit的数据 并触发一次信号采 集 用户可选择读取部分数据 从模式下 DHT11接收到开始信号触发一次温湿 度采集 如果没有接收到主机发送开始信号 DHT11不会主动进行温湿度采集 采集数据后转换到低速模式 1 通讯过程如图2 8所示 图2 8 通讯过程 13 操作时序如图2 9 总线空闲状态为高电平 主机把总线拉低等待DHT11响应 主 机把总线拉低必须大于18毫秒 保证DHT11能检测到起始信号 DHT11接收到主 机的开始信号后 等待主机开始信号结束 然后发送80us低电平响应信号 主机 发送开始信号结束后 延时等待20 40us后 读取DHT11的响应信号 主机发送开 始信号后 可以切换到输入模式 或者输出高电平均可 总线由上拉电阻拉高 图2 9 操作时序 总线为低电平 说明DHT11发送响应信号 DHT11发送响应信号后 再把总 线拉高80us 准备发送数据 每一bit数据都以50us低电平时隙开始 高电平的长 短定了数据位是0还是1 格式见下面图示 如果读取响应信号为高电平 则 DHT11没有响应 请检查线路是否连接正常 当最后一bit数据传送完毕后 DHT11拉低总线50us 随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态 数字0信号表示方法如图2 10所示 图2 10 数字0信号表示方法 数字1信号表示方法如图2 11所示 14 图2 11 数字1信号表示方法 5 测量分辨率 测量分辨率分别为 8bit 温度 8bit 湿度 6 电气特性如表2 3 表2 3 电气特性 参数条件mintypmax单位 供电DC355 5V 测量0 52 5mA 平均0 21mA供电电流 待机100150uA 采样周期秒1次 注 采样周期间隔不得低于1秒钟 7 应用信息 7 1工作与贮存条件 超出建议的工作范围可能导致高达3 RH的临时性漂移信号 返回正常工作 条后 传感器会缓慢地向校准状态恢复 要加速恢复进程 可参阅7 3小节的 恢 复处理 在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程 7 2暴露在化学物质中 电阻式湿度传感器的感应层会受到化学蒸汽的干扰 化学物质在感应层中的 扩散可能导致测量值漂移和灵敏度下降 在一个纯净的环境中 污染物质会缓慢 地释放出去 下文所述的恢复处理将加速实现这一过程 高浓度的化学污染会导 15 致传感器感应层的彻底损坏 7 3恢复处理 置于极限工作条件下或化学蒸汽中的传感器 通过如下处理程序 可使其恢 复到校准时的状态 在50 60 和70 RH的湿度条件下保持5小时以上 7 4温度影响 气体的相对湿度 在很大程度上依赖于温度 因此在测量湿度时 应尽可能 保证湿度传感器在同一温度下工作 如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线 路板 在安装时应尽可能将DHT11远离电子元件 并安装在热源下方 同时保持 外壳的良好通风 为降低热传导 DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可 能最小 并在两者之间留出一道缝隙 7 5光线 长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中 会使性能降低 7 6配线注意事项 DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量 推荐使用高质量屏蔽线 8 封装信息如图2 12 图2 12 DHT11封装图 9 DHT11引脚说明见表2 4 表2 4 引脚说明 16 Pin名称注释 1VDD供电 3 5 5VDC 2DATA串行数据 单总线 3NC空脚 请悬空 4GND接地 电源负极 本设计采用的为DHT11模块 原理图为图2 13 图2 13 DHT11模块接线图 2 4 模数转换电路设计 气体传感器出来的信号是模拟信号 而微处理器 STC90C51 只能处理数字信 号 故需要对模拟信号信号进行转换 将其转换为处理器能识别的数字信号 由 于测试电路出来的模拟电压变化范围在 0 5V 故选择性价比比较合适的 ADC0809 进行模数转换 其管脚定义如图 2 14 所示 图2 14 ADC0809管脚示意图 17 ADC0809 各脚功能如表 2 5 表 2 5 ADC0809 各脚功能 引脚功能介绍 D7 D0 IN0 IN7 8 位数字量输出引脚 8 位模拟量输入引脚 VCC 5V 工作电压 REF 参考电压正端 REF 参考电压负端 STARTA D 转换启动信号输入端 ALE地址锁存允许信号输入端 EOC转换结束信号输出引脚 开始转换时为低电平 当转换结 束时为高电平 OE输出允许控制端 用以打开三态数据输出锁存器 CLK时钟信号输入端 一般为 500KHz A B C地址输入线 ADC0809 对输入模拟量要求 信号单极性 电压范围是 0 5V 若信号太小 必须进行放大 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变 如若模拟量变化太快 则需在输入前增加采样保持电路 ADC0809 的时序接口为 51 系列单片机的标准 总线接口 操作方便 如同对存储器或 I O 操作一样 A D 转换精度为 8 比特 满足本课题要求 输入的模拟电压为 0 5V 一次 A D 转换时间为 100 S ADC0809 与单片机及 VOC 传感器的接线方式如图 2 15 图2 15 ADC0809接线原理图 18 2 5 声光报警电路设计 为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观 采用了如图 2 16 由 2 个发光 二极管和一个蜂鸣器构成的声光报警电路 其中 VOC 气体含量超标时双灯闪烁 蜂鸣器报警 温度超标时 D1 灯亮蜂鸣器报警 湿度超标时 D2 灯亮蜂鸣器报警 图2 16 声光报警电路 2 6 液晶显示电路设计 本课题所要显示的数据一共有 6 个 分别是有毒气体的浓度和室内的温度 湿度的范围和测量值 故选用 2 行 16 个字符的 LCD1602 作为显示模块 满足显 示要求 液晶显示模块具有体积小 功耗低 显示内容丰富等特点 现在字符型 液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母 数字 符号等点阵式 LCD 目前常用 16 1 16 2 20 2 和 40 2 行等的模块 下面以长沙太阳人电子有限公 司的 1602 字符型液晶显示器为例 介绍其用法 一般 1602 字符型液晶显示器实 物如图 2 17 19 图2 17 1602字符型液晶显示器实物图 2 6 1LCD1602 的基本参数及引脚功能 1602LCD 分为带背光和不带背光两种 基控制器大部分为 HD44780 带背 光的比不带背光的厚 是否带背光在应用中并无差别 两者尺寸差别如下图 2 18 所示 图2 18 1602LCD尺寸图 1602LCD 主要技术参数 显示容量 16x2 个字符芯片 工作电压 4 5V 5 5V 工作电流 2 0Ma 5V 模块儿最佳工作电压 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 W H mm 引脚功能说明 1602LCD 采用标准的 14 脚 无背光 或 16 脚 有背光 接口 各引脚说明如表 2 6 所示 表 2 6 1602 引脚说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9D2数据 2VDD电源正极10D3数据 20 3VL液晶显示偏压11D4数据 4RS数据 命令选择12D5数据 5R W读 写选择13D6数据 6E使能信号14D7数据 7D0数据15BLA背光源正极 8D1数据16BLK背光源负极 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VDD 接 5V 正电源 第 3 脚 VL 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地时对比 度最高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对 比度 第 4 脚 PS 为寄存器选择 高电平时选择数据寄存器 低电平时选择指令寄存器 第 5 脚 R W 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 当 RS 和 R W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS 为低电平 R W 为 高电平时可以读忙信号 当 RS 为高电平 R W 为低电平时可以写入数据 第 6 脚 E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 夜景模块执行命令 第 7 14 脚 D0 D7 为八位双向数据线 第 15 脚 背光源正极 第 16 脚 背光源负极 2 6 2LCD1602 的指令说明及时序 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 如表 2 7 所示 表2 7 控制命令表 序号指令RSR WD7D6D5D4D3D2D1D0 1清显示0000000001 2光标返回000000001 21 3置输入模式00000001I DS 4显示开 关控制0000001DCB 5光标或字符移位000001S CR L 6置功能00001DLNF 7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址 8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址 9读忙标志或地址01BF计数器地址 10写数到 CGRAM 或 DDRAM10要写的数据内容 11从 CGRAM 或 DDRAM 读数11读出的数据内容 1602 液晶模块的读写操作 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的 说 明 1 为高电平 0 为低电平 指令 1 清显示 指令码 01H 光标复位到地址 00H 位置 指令 2 光标复位 光标返回到地址 00H 指令 3 光标和显示模式设置 I D 光标移动方向 高电平右移 低电平左移 S 屏幕上所有文字是否左移或者右移 高电平表示有效 低电平则无效 指令 4 显示开关控制 D 控制整体显示的开与关 高电平表示开显示 低电 平表示关显示 C 控制光标的开与关 高电平表示有光标 低电平表示无光标 B 控制光标是否闪烁 高电平闪烁 低电平不闪烁 指令 5 光标或显示移位 S C 高电平时移动显示的文字 低电平时移动光标 指令 6 功能设置命令 DL 高电平时为 4 位总线 低电平时为 8 位总线 N 低 电平时为单行显示 高电平时双行显示 F 低电平时显示 5x7 的点阵字符 高电 平时显示 5x10 的点阵字符 指令 7 字符发生器 RAM 地址设置 指令 8 DDRAM 地址设置 指令 9 读忙信号和光标地址 BF 为忙标志位 高电平表示忙 此时模块不能 接收命令或者数据 如果为低电平表示不忙 22 指令 10 写数据 指令 11 读数据 与 HD44780 相兼容的芯片时序如表 2 8 表 2 8 基本操作时序表 读状态输入 RS L R W H E H输出 D0 D7 状态字 写指令输入 RS L R W L D0 D7 指令码 E 高脉冲输出 无 读数据输入 RS H R W H E H输出 D0 D7 数据 写数据输入 RS H R W L D0 D7 数据 E 高脉冲输出 无 读写操作时序如图 2 19 和 2 20 所示 图2 19 读操作时序 图2 20 写操作时序 23 2 6 31602LCD 的 RAM 地址映射及标准字库表 液晶显示模块是一个慢显示器件 所以在执行每条指令之前一定要确认模块 的忙标志为低电平 表示不忙 否则此指令失效 要显示字符时要先输入显示字 符地址 也就是告诉模块在哪里显示字符 图 2 21 是 1602 的内部显示地址 图2 21 1602LCD内部显示地址 第二行第一个字符的地址是 40H 写入显示地址时要求最高位 D7 恒定为高 电平 1 所以实际写入的数据应该是 B 40H B 80H B C0H 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式 在液晶模块显示字符时光标 是自动右移的 无需人工干预 每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的 状态 1602 液晶模块内部的字符发生存储器 CGROM 已经存储了 160 个不同的 点阵字符图形 这些字符有 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号 和 日文假名等 每一个字符都有一个固定的代码 2 6 4LCD1602 的一般初始化过程 延时 15mS 写指令 38H 不检测忙信号 延时 5mS 写指令 38H 不检测忙信号 延时 5mS 写指令 38H 不检测忙信号 以后每次写指令 读 写数据操作均需要检测忙信号 写指令 38H 显示模式设置 24 写指令 08H 显示关闭 写指令 01H 显示清屏 写指令 06H 显示光标移动设置 写指令 0CH 显示开及光标设置 LCD1602 的具体接线路图如图 2 22 所示 图2 22 LCD1602接线电路图 2 7 按键电路设计 考虑到整个测量系统中不同环境对气体浓度及温湿度范围要求不同 故设置 了按键功能 用于实现测量范围的调整 参考单片机引脚使用情况 共设置五个 独立按键如图 2 23 实现功能为设定键可进行设定的进入与退出 同时可实现三 种范围的切换 另设左右移位键 上下调值键各两个 与此同时考虑到用户可能 需要在一定时间内连续测量一种量 故设计了上调键的第二功能 当只有上调键 按下时完成显示的自动与手动的切换以实现良好的人机对话 25 图 2 23 按键电路 2 8 电路电源设计 本设计采用集成稳压器 7805 C29 C30 分别为输入端和输出端滤波电容 D1 为续流二极管 当输出电流较大时 7805 应配上散热板 电源电路如图 2 24 所示 图2 24 电源电路 2 9 本章小结 本章首先介绍了便携式室内空气质量监测仪的硬件结构以及系统功能 该仪 器以 8 位单片机 STC90C51 作为控制核心 设计并构建了系统的硬件平台 完成 了有毒气体浓度信号的采集转换电路 液晶显示电路 声光报警电路等的设计 该仪器能够实现有毒气体浓度信号和温湿度信号采集与显示及超标声光报警等功 能 本章重点介绍了信号采集模拟电路和以主控制器为中心的数字电路的设计与 工作原理 首先讨论了有毒气体采集模块中传感器选择问题 最后讨论了系统的 外围接口电路模块 包括液晶显示 声光报警等 实现了各外围接口电路模块与 26 STC90C51 的硬件接口设计 这一章比较具体的说明了系统硬件设计的内容 通过模块化的设计思想 把 一个复杂的单片机系统按照功能划分成一个个单独的电路模型 分别进行设计 最后在集成到一起 这种方法对于设计复杂的单片机系统很有效 大大提高系统 设计的效率与质量 说明 系统硬件设计的电路原理图附在论文的附录里面 第第 3 章章 空气质量检测仪的软件设计空气质量检测仪的软件设计 3 1 系统软件设计思路 3 1 1 编程语言的选择 在系统硬件电路确定以后 其主要功能的实现将依赖于软件来实现 对同一 硬件电路 配以不同的软件 它所实现的功能也就不同 其设计软件基本要求 1 可靠性 可靠性是软件设计的重要指标 具有较强的抗干扰能力 27 2 易理解性 易维护性 编制的软件要求易阅读 容易发现和纠正错误 容 易修改和补充 3 实时性 系统能够及时响应外部事件的发生并能及时做出处理结果 4 准确性 保证系统进行计算数据的精度 目前存在有 4 种编程语言支持单片机 即汇编语言 PL M51 语言 C 语言 和 BASI 语言 其中汇编语言和 C 语言应用的较多 汇编语言的机器代码生成效 率高 控制性好 但就是移植性不高 结合本系统的特点 这里选用了功能强 效率高的 C 语言 C 语言主要有以下特点 用 C 语言编制的程序效率高 占用存 储空间小 运行速度快 C 语言能写出最优化程序 且能反映出计算机的实际运 行情况 C 语言能直接与存储器 接口电路打交道 也能申请中断 具有良好的 模块化 容易阅读 维护等优点 且编写的模块程序易于移植 基于 C 语言和汇 编语言的优缺点 本系统采用 C 语言编写方法 3 1 2 软件功能需求 室内空气质量检测仪系统软件主要由温湿传感器采集模块 AD 转换模块 人 机接口模块 声光报警模块 核心控制器模块构成 各模块功能概述如表 3 1 所 示 表 3 1 各功能模块功能描述 功能模块功能描述 温湿传感器采集模块对室内温湿度测点进行实时监测 AD 转换模块1 完成信号采样 2 完成与核心处理器间的数据传输 核心控制器模块1 系统时基分配 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 根据软件设计的基本要求 采取了如下的措施 1 程序模块化 软件设计中包含有 主程序模块 显示模块 DHT11 传感器 28 检测函数 A D 数据转换子模块 声光报警模块 数据转换模块 按键函数 2 软件设计采用 C 语言编程 3 中断响应外部事件 提高了系统的实时处理事件能力 4 软 硬件抗干扰 软件抗干扰措施提高了系统的可靠性 以下就对一些主要模块进行详细的阐述 3 2 软件模块设计 3 2 1 主程序模块 主程序运行流程图如图 3 1 所示 由主程序流程图可以看出 软件要实现的 主要功能是实现对传感器信号的数据采集 然后进行数据的计算 分析 送液晶 进行显示及报警功能 程序开始时 对系统进行初始化 包括单片机的各寄存器 RAM 定时器装载初值 中断设置及各模块初始化等 完成初始化后 CPU 等 待传感器传入信号及 AD 转换结束 从而完成当前监测参数的正确显示 Y N Y N N Y N Y 进入设定功能 按键调整函数 手自动切换函数 设置完成 进入切换功能 自动显示 开始 初始化 DHT11 传感器 数据采集 延时 报警函数 VOC 浓度显示 湿度显示 温度显示 VOC 传感器数 据采集 延时 报警函数 延时 报警函数 29 图 3 1 主程序流程图 3 2 2AD 转换模块 AD 完成转换需要一定的时间 AD 应用中我们可以有两种方法来 1 中断查询法 AD 完成模数转换后会向中断输出端输出一个中断请求信号 告 诉 CPU 转换已经完成 CPU 可以读取数据 2 延时等待法 设定一定的时间让 CPU 处于等待状态 此时间足够 AD 完成转换 过了等待时间 CPU 再去读取数据 综合考虑各方面的因素 本研究采用第一种方法 延时等待法 所用的芯片为 AD0809 根据所需的要求 3 2 3 液晶显示模块 本设计所用的显示器件为 1602 液晶面板 该液晶能显示 32 个字符 满足显 示要求 1602 液晶与 CPU 是并口通信 由单片机的 P2 5 P2 6 P2 7 引脚来控 制 1602 的读写数据命令功能 单片机 P0 口传输数据到 1602 进行显示 系统上电 LCD 初始化 液晶显示首先需要要按照时序给定显示地址 然后 传送数据 上电后液晶显示开始循环显示三个被测量的范围和测量结果 30 3 2 4 声光报警模块 声音报警采用的是蜂鸣器 光报警是通过 6 个发光二极管来显示 3 个绿色 和三个红色的 当毒气含量没超标时显示绿色 超标时显示红色并启动蜂鸣器 报警子程序执行之前 设定的报警阈值存放在两个变量中 传感器输入 AD 转换 值后 调用比较程序 小于阈值则执行显示程序 若大于阈值进行声光报警 3 2 5 按键模块 本设计设定按键功能为调整测量数据的安全范围并可进行手动和自动的切换 考虑到实现按键功能所用按键数目不多及单片机引脚数量决定选用五个独立式按 键 其中设定键用于进入和退出上下限的调整 上下左右四个键在设定键被按下 的情况下可以对数值进行调整 同时 当设定键未按下且上调键被按下时进入上 调键的第二功能 实现用户手动控制和自动控制的切换 已满足用户对环境条件 检测要求的不同 实现良好的人机交流 3 3 本章小结 在这一章里对室内便携式只能空气品质监测仪的软件设计进行了较详细的介 绍 软件采用了模块化设计的思路 以单片机高级语言 C51 编程 在本章开始给 出了主程序结构流程图 然后分别对各个子模块的软件流程进行介绍 说明 程序见附录二 31 第第 4 章章 仿真调试仿真调试 4 1 系统硬件调试 4 1 1 常见的硬件故障 1 逻辑错误 硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误 所造成的 主要包括 错线 开路 短路等 其中短路最为常见 在印刷电路板 布线密度高的情况下 极易因工艺原因造成短路 2 器件失效 元器件失效主要是因为器件本身已损坏或性能不符合要求 或者是由于组装错误造成的元器件失效 如电解电容 二极管的极性错误 集成 块安装方向错误等 3 可靠性差 系统不可靠可能受多种因素影响 如金属化孔 接插件接触 不良会造成系统时好时坏 内部和外部的干扰 器件负载过大等造成逻辑电平不 稳定 另外 走线和布局的不合理等也是系统可靠性差的重要因素之一 32 4 电源故障 若系统中存在电源故障 则加电后将造成器件损坏 4 1 2 硬件调试方法 拿到印刷电路板后 用万用表直接检查线路板各处是否有明显短路 断路的 地方 尤其是电源是否短路 接着 焊接各元器件及插座 在焊接过程中要对各 元件做逐一检查 比如二极管极性 电容容量及耐压 电阻值大小等 在插座 元件焊接完毕后 仔细检查元件面各元件之间裸露部分有无相互接触现象 焊接 面的各焊点间 焊点和近邻线有无连接 最后 再给电路板空载上电 未插芯片 检查线路板各管脚及插件上的电位是否正确 特别是单片机管脚上的各点电压 若上述的一切都正常 则硬件调试的准备工作完成 硬件实物如图4 1 图4 1 硬件实物图 4 2 系统软件调试 对系统软件编写完成之后 可以利用 Keil C51 仿真软件进行仿真运行调试 其调试界面如图 4 2 所示 33 图4 2 KeilC51软件调试截面图 在具体的调试过程中 采取以下方法进行调试 在 Keil C51 编译环境中编写 编译软件模块 进行软件仿真调试 对功能模块的软件仿真 通过 Keil C51 的调 试窗口观察各个寄存器 变量以及并行口输出的结果 监测软件模块运行的状态 在调试过程中不断地调整修改系统的软件程序 使系统实现预定功能 调试过程中单步运行和断点运行调试只能验证程序正确与否 而不能确定定 时精度 CPU 的实时响应等问题 故在单步和断点调试之后 又进行了连续调试 待全部完成后 应反复运行调试多次 对系统的稳定性和操作是否符合原始设计 要求 安排的操作是否合理等都要进行详细的观察 必要时作适当的修正 调试完成后将程序导入 protues 中进行仿真 观察系统运行结果如图 4 3 通 过调试 确定基本可行后 将程序烧写单片机进行实物调整 通过不断烧写 试 验 最终完成整个软件 准确实现要求的功能如图 4 4 图 4 3 protues 仿真调试 34 图 4 4 实物调试 4 3 本章小结 本章首先详细描述用 Keil C51 对软件进行调试的过程以及其方法 通过输入 不同的数据对系统进行调试 以确定本设计方案的正确性 本章工作内容使得硬 件部分与软件部分结合实现预定的功能 35 结结 论论 1 主要结论 1 本系统综合利用传感器技术 自动监测技术 和微控制器技术 开发了 一套对室内的空气质量进行监控的操作方便 简洁实用的自动监测系统 2 系统软硬件设计合理 其中单片机软件采用模块化的程序设计方法 各 模块相互独立 提高了系统的可靠性和可扩展性 整个系统具有较高的性能价格 比 3 系统 C51 语言编程 程序结构清晰 显示板界面非常友好 使得操作者 在使用该系统时就像是在操作一台实际的控制仪器一样 4 系统功能独立 配置合理 键盘设置为不同的