基于单片机控制的环境信息监测系统设计实现

i基于单片机控制的环境信息监测系统设计实现【摘要】：本课题的研究目的是为人们提供一种能够实时了解所处环境质量信息的仪器，包括温度、湿度、光照度、一氧化碳含量、紫外线强弱，使人们能够及时获知信息并做出相应的调整。本文采用STC89C52单片机作为控制核心，实现对温、湿度的检测、光照度检测、一氧化碳含量检测、紫外线强弱检测，并通过1602液晶显示电路显示数据。由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，这就降低了硬件电路的复杂性，其成本也有所降低，而且还能够完成复杂硬件电路难以实现的任务。配置新式的微型低功耗传感器，如温湿度传感器为DHT11，光照度传感器光敏电阻，一氧化碳传感器MQ-9，还有紫外线传感器，实现了环境参数的采集、存储、显示等功能。【关键词】：单片机；传感器；环境信息；iiAbstract:Thistopicresearchaimistoprovidepeoplewithatoreal-timeunderstandtheirenvironmentqualityinformationofinstruments,includingtemperature,humidity,light,carbonmonoxidecontent,ultravioletstrength,sothatpeoplecantimelyaccesstoinformationandtoadjustaccordingly.Inthisarticle,thesinglechipmicrocomputertocontrolSTC89C52ascore,realizethehumidityandtemperaturedetection,lightdetection,carbonmonoxidecontentdetection,ultravioletstrengthtestingand1602LCDdisplaycircuithardwarecircuitdesign,becauseitsmainthroughtherealizationofthefunctionofsoftwareprogrammingtocomplete,thisreducesthecomplexityofthehardwarecircuit,andthecostisreduced,butalsocancompletecomplexhardwarecircuittorealizethetask.Theallocationofnewminiaturelowpowersensor,thetemperatureandhumiditysensorforDHT11,lightwithphotoconductiveresistance,carbonmonoxidesensorforMQ-9,andultravioletluminescencesensors,realizetheenvironmenttemperatureandhumidity,lightintensity,carbonmonoxidecontent,ultravioletstrengthfourparametersoftheacquisition,storage,display,andotherfunctions.Keywords:SCM;senso;environmentalinformationiii目录第1章环境监测系统.3第1.1节课题背景.3第1.2节系统框图.3第1.3节单片机方案比较.3第2章系统设计.5第2.1节传感器介绍.5第2.2节控制系统简介.8第2.3节LCD1602字符液晶介绍.9第2.4节ADC0832介绍.11第2.5节三端稳压集成电路L7805.12第3章系统的硬件设计和连接.14第3.1节电源模块.14第3.2节单片机最小系统.14第3.3节数据采集模块.15第3.4节LCD显示模块.15第4章系统软件设计.16第4.1节软件开发环境.16第4.2节主程序流程图.16第4.3节子程序流程图.17第5章系统安装与调试.20第5.1节安装.20第5.2节调试.20参考文献.23致谢.24附录一：总体设计原理图.25附录二：PCB图.26附录三：元器件清单.26附录四：程序.27第0页前言伴随世界经济与工业的快速发展，世界环境问题日益突出，环保、节能减排已经逐年成为世界各国家和人民关注的热点。世界各国都在致力于减少环境污染，研究环境可持续发展的绿色方案，尤其是对工业界定期进行有效环境管理的呼声，在全球范围内越发高涨和坚定。因而，对环境进行测试与监控的需求也就日益迫切和旺盛。作为污染物控制的重要检查和监测手段，环境检测行业逐步受到越来越多的重视。中国环境监测行业企业普遍规模小、企业管理水平不高、产品模仿程度较高；技术含量低、使用寿命短、市场占有率低等特点。还没有形成强大的驱动力来带动环境检测事业的发展。随着人民群众环保意识的不断增强。以及国家对环保重视程度的不断提高，社会对环境监测提出了新的更高要求，环境监测的任务日趋繁重。据不完全统计我国已经制定的各类国家环境标准有400余项，涵盖了大气、水质、土壤、噪声、辐射、固体废物、农药等领域。并且已经开展了环境质量监测、环境质量周报、日报、预报监测；污染源监测、污染事故应急监测、污染物总量控制监测、污染源解析监测。环境污染治理工程效果监测等，需监测的污染因子达上百种。这种点多、面广、任务繁重的环境监测形势，急切需要提高环境监测的自动化水平，减少人工作业量，提高环境监测实效。随着大规模集成电路制造技术的不断发展，推动了单片机技术的发展，为野外条件下进行实时环境监测提供了便利。单片机以其“个头小、功能强”为特征，具备微型计算机的功能，因而应用于环境监测仪中，可以减少环境监测仪的体积和质量，提高环境监测仪的自动化水平，增强环境监测的准确性。第1页第1章环境监测系统第1.1节课题背景温湿度、光照度、一氧化碳含量、紫外线强弱和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工农业生产中最常见最基本的参数。例如农业上农作物的生长离不开对温湿度、一氧化碳含量、紫外线强弱，特别是光照度的检测与控制；石油、化工、机械、电子等各类工业中广泛需要对温湿度、一氧化碳含量、紫外线强弱的检测和控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己生存的环境越来越关注，而空气中温湿度、光照度、一氧化碳的含量、紫外线强弱的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温湿度、光照度、一氧化碳含量及紫外线强弱的检测就非常有必要了。为此，本设计开发了一种能够同时测量多点，并实时性高、精度高，能够综合显示温湿度、光照度、一氧化碳含量、紫外线强弱信息的检测产品。第1.2节系统框图本设计以STC89C52单片机为核心来对环境的温湿度、光照度、一氧化碳含量及紫外线强弱进行实时显示。各检测单元（传感器）能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温湿度、光照度、一氧化碳含量及紫外线强弱信息进行实时采集，并将采集来的信息通过液晶显示屏呈现给用户。系统框图如图1-1所示。接口电路显示看门狗复位电路各类传感器单片机A/D驱动图1-1环境监测系统框图第1.3节单片机方案比较在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。目前，8位单片机在国内外仍占有重要地位。在8位单片机中又以MCS-51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。MCS-51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。方案一：采用AT89C51芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存第2页储空间，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二：采用AT89S52片内ROM，全都采用FlashROM；能以3V的超低压工作方案三：STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。方案一是多年前的产品，因自身设计缺陷，已经很少被人使用。方案二和方案三使用差别不大，但方案二需要专用下载线，方案三使用串口下载即可。因此选择方案三。第3页第2章系统设计第2.1节传感器介绍2.1.1.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。DHT11数字温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。它运用专用的数字模块采集技术和温度传感器，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强，性价比高等优点。DHT11采用单线制串行接口，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择。DHT11数字温度传感器如图2-1所示。传感器管脚方向识别：正面（有通气孔的一面）看过去，从左到右依次为1、2、3、4脚，具体功能见表2-2所示。图2-1DHT11数字温度传感器表2-1DHT11引脚说明2.1.2.一氧化碳传感器一氧化碳传感器属于化学传感器。本设计采用型号为MQ-9的一氧化碳传感器，如图2-2所示,主要由LM393、MQ-7气体传感器芯片组成，它的工作电压为直流5伏。具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。适宜于一氧化碳、煤气等的探测，具有很高的灵敏度和良好的选择性。特点如下：具有信号输出指示；双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；TTL输出有效信号为低电平；模拟量输出05V电压，浓度越高电压越高。引脚号引脚名称类型引脚说明1VCC电源正电源输入，3V-5.5VDC2Dout输出单总线。数据输入/输出引脚3NC空空脚。扩展未用4GND地电源地第4页图2-2MQ-9一氧化碳传感器图2-3BH1750FVI光照度传感器模块2.1.3.光强度传感器BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。（1lx-65535lx）其有如下特点：1.支持I2CBUS接口(f/sModeSupport)。2.接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性(峰值灵敏度波长典型值:560nm)。3.输出对应亮度的数字值。4.对应广泛的输入光范围(相当于1-65535lx)。5.通过降低功率功能,实现低电流化。6.通过50Hz/60Hz除光噪音功能实现稳定的测定7.支持1.8V逻辑输入接口。8.无需其他外部件。9.光源依赖性弱（白炽灯，荧光灯，卤素灯，白光LED，日光灯）。10.有两种可选的I2Cslave地址。11.可调的测量结果影响较大的因素为光入口大小。12.使用这种功能能计算1.1lx到100000lx马克斯/分钟的范围。第5页13.最小误差变动在20%14.受红外线影响很小表2-2BH1750FVI运行条件参数符号最小值时间最大值单位VCC电压Vcc2.43.03.6VI2C参考电压Vdc1.65-VccV2.1.4.UVM-30紫外模块子外线是电磁波谱中波长从100-400nm辐射的总称。紫外线按照其辐射波长的不同可以划分成UVA(315400nm)，UVB(280315nm)和UVC(320;x-)for(y=124;y0;y-);staticvoidDHT11_Delay_10us(void)unsignedchari;i-;i-;i-;i-;i-;i-;/*读一个字节的数据*/staticunsignedcharDHT11_ReadValue(void)unsignedcharcount,value=0,i;status=OK;/设定标志为正常状态for(i=8;i0;i-)/高位在先value=NUMBER)第33页status=ERROR;/设定错误标志return0;/函数执行过程发生错误就退出函数/26-28us的高电平表示该位是0,为70us高电平表该位1DHT11_Delay_10us();DHT11_Delay_10us();DHT11_Delay_10us();/延时30us后检测数据线是否还是高电平if(dht11!=0)/进入这里表示该位是1value+;/等待剩余(约40us)的高电平结束while(dht11!=0&count+=NUMBER)status=ERROR;/设定错误标志return0;return(value);/读温度和湿度函数，读一次的数据,共五字节，读出成功函数返回OK,错误返回ERRORexternunsignedcharDHT11_ReadTempAndHumi(void)unsignedchari=0,check_value=0,count=0;EA=0;dht11=0;/拉低数据线大于18ms发送开始信号Delay_1ms(20);/需大于18毫秒dht11=1;/释放数据线,用于检测低电平的应答信号/延时20-40us,等待一段时间后检测应答信号,应答信号是从机拉低数据线80usDHT11_Delay_10us();DHT11_Delay_10us();DHT11_Delay_10us();DHT11_Delay_10us();if(dht11!=0)/检测应答信号,应答信号是低电平/没应答信号EA=1;returnERROR;第34页else/有应答信号while(dht11=0/等待应答信号结束if(count=NUMBER)/检测计数器是否超过了设定的范围dht11=1;EA=1;returnERROR;/读数据出错,退出函数count=0;dht11=1;/释放数据线/应答信号后会有一个80us的高电平，等待高电平结束while(dht11!=0if(count=NUMBER)dht11=1;EA=1;returnERROR;/退出函数/读出湿.温度值for(i=0;i0)Temp_MAX-;Value_to_ASCII(Temp_MAX,0x4A);if(RH_OR_TEMP=2)/温度最小值设置if(Temp_MIN0)Temp_MIN-;Value_to_ASCII(Temp_MIN,0x4A);if(RH_OR_TEMP=3)/湿度最大值设置if(RH_MAX20)RH_MAX-;Value_to_ASCII(RH_MAX,0x4A);if(RH_OR_TEMP=4)/湿度最小值设置if(RH_MIN20)RH_MIN-;第38页Value_to_ASCII(RH_MIN,0x4A);/-DHL11读取数据-count+;if(RH_OR_TEMP=0)if(count=70)count=0;READ_OK=DHT11_ReadTempA