多传感器仪器综合设计

课程设计报告题目多传感器仪器综合课程设计系部名称专业班级学生姓名学号指导教师教师职称2011年12月21日I摘要随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器、温湿度传感器和酒精浓度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一多传感器监控报警系统。本论文以单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的综合了烟雾浓度监测、温湿度测量以及酒精浓度监测于一体的多传感器报警系统。其中选用MQ2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，DHT11数字温湿度传感器实现温湿度的测量和酒精气体敏感元件MQ3实现酒精浓度的监测，这三种元件具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。选用的STC89C52单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。以STC89C52单片机和MQ2型半导体电阻式烟雾传感器、DHT11数字温湿度传感器与酒精气体敏感元件MQ3为核心设计的多传感器报警系统可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。具有一定的实用价值。关键字多传感器，STC89C52单片机，烟雾浓度，温湿度，酒精浓度，报警系统ABSTRACTWITHTHEADVENTOF“INFORMATIONTIMES“,ASAMEANSOFACCESSINGINFORMATIONSENSORTECHNOLOGYHASBEENSIGNIFICANTPROGRESS,ITSAPPLICATIONFIELDISMOREANDMOREEXTENSIVE,THEREQUIREMENTISMOREANDMOREHIGH,MOREANDMOREURGENTNEEDTHESENSORTECHNOLOGYHASBECOMEANATIONALSCIENCEANDTECHNOLOGYDEVELOPMENTLEVELOFONEOFTHEIMPORTANTSYMBOLSTHEREFORE,UNDERSTANDINGANDMASTERINGOFSENSORSSTRUCTURE,WORKINGPRINCIPLEANDCHARACTERISTICISVERYIMPORTANTINORDERTOIMPROVETHESENSORSUNDERSTANDINGANDTHEUNDERSTANDING,ESPECIALLYFORTHESMOKESENSOR,TEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORSANDALCOHOLCONCENTRATIONSENSORRESEARCHANDIIITSUSAGEANDUSE,BASEDONPRACTICAL,ANDTHEPRINCIPLEANDDESIGNTHETYPICALSYSTEMINTHISPAPER,COMBINEDWITHTHEUSEOFSINGLECHIPSENSORTECHNOLOGYDEVELOPMENTANDDESIGNOFTHEMULTISENSORMONITORINGALARMSYSTEMINTHISPAPER,SINGLECHIPTECHNOLOGYASTHECOREANDOTHERELECTRONICTECHNOLOGY,DESIGNSATECHNICALLEVELTHEBETTERCOMPREHENSIVESMOKECONCENTRATIONMONITORING,TEMPERATUREANDHUMIDITYMEASURINGANDMONITORINGALCOHOLCONCENTRATIONINONEOFTHEMULTISENSORALARMSYSTEMTHESELECTIONOFMQ2TYPESEMICONDUCTORGASSENSITIVEELEMENTSMOKESENSORSMOKEDETECTION,DHT11DIGITALTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORSTEMPERATUREANDHUMIDITYMEASUREMENTANDETHANOLGASSENSITIVEELEMENTMQ3ALCOHOLCONCENTRATIONMONITORING,THETHREECOMPONENTHASTHEADVANTAGESOFHIGHSENSITIVITY,FASTRESPONSE,STRONGANTIINTERFERENCEABILITY,ANDTHEPRICEISLOW,LONGSERVICELIFETHESELECTIONOFSTC89C52CHIP,THEINTEGRATIONOFTHEA/DCONVERSION,HARDWAREMULTIPLIER,HARDWAREPULSEWIDTHMODULATORANDOTHERRESOURCES,HASHIGHSPEED,LOWPOWER,STRONGANTIINTERFERENCEANDOTHERADVANTAGES,ISOFSIMILARTECHNOLOGYNEUTRALHIGHERCOSTEFFECTIVEPRODUCTSWITHSTC89C52MCUANDMQ2TYPESEMICONDUCTORRESISTORTYPESMOKESENSOR,DHT11DIGITALTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORWITHALCOHOLGASSENSITIVEELEMENTMQ3ASTHECOREDESIGNOFTHEMULTISENSORFIREALARMSYSTEMCANREALIZESOUNDLIGHTALARM,FAULTDIAGNOSIS,THECONCENTRATIONDISPLAY,ALARMLIMITSETTINGS,ALARMANDPCSERIALCOMMUNICATIONSANDOTHERFUNCTIONSISAKINDOFSIMPLESTRUCTURE,STABLEPERFORMANCE,CONVENIENTOPERATION,LOWPRICE,INTELLIGENTSMOKEALARMHASACERTAINPRACTICALVALUEKEYWORDSMULTISENSORSTC89C52CHIPSMOKECONCENTRATIONTEMPERATUREANDHUMIDITYALCOHOLCONCENTRATIONALARMSYSTEMIII目录1烟雾传感器部分设计111设计目的及意义112设计方案1121设计方案的思想1122总体框图213系统硬件实现2131主控电路设计213280C51系列单片机介绍2133STC89C52单片机基本结构3134STC89C52单片机封装和引脚3135STC89C52单片机的时钟4136STC89C52单片机的复位514MQ2介绍7141MQ2的特点7142MQ2的特性715比较器LM324916LM324与STC89C52单片机接口电路1017声光报警电路1018烟雾传感器部分电路设计112温湿度传感器部分设计1321设计目的1322方案选择1323DHT111324硬件电路设计1625DHT11与单片机的接口电路1726温度湿度之间的相互影响193酒精浓度传感器部分设计1931设计目的及意义1932气敏传感器20321气敏传感器工作原理20322气敏传感器2033酒精浓度检测仪发展的现状21331气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展21332国内现状与差距21333市场需求分析2234系统硬件设计23341系统整体设计方案23342MQ3传感器的特性及性能指标24343传感器信号采集电路25344A/D转换电路25IV35单片机系统26程序30结论48致谢49参考文献50中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）11烟雾传感器部分设计11设计目的及意义目的随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30左右。家庭起火的原因林林种种，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间毁于一旦,有的导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的重要因素。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。这就是我们研究烟雾报警器的目的。意义在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。烟雾报警器对防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。一系列火灾造成的惨痛损失也使全国各界意识到了烟雾报警器的必要性。据调查，在最近发生火灾的大多数房屋都没有安装报警器。所以，烟雾报警器在预防火灾发生上有着非常重大的意义。12设计方案121设计方案的思想此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的烟雾报警系统。80C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。当周围的环境（温度、湿度、烟雾浓度）达到我们设定的数值时，烟雾传感器把被测的物理量（温度、湿度、烟雾浓度）作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片机，这里我们选择单片机的P10为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定（当温度、湿度、烟雾浓度达到设定数值时）会由P20作为单片机的输出直接启动报警电路。此时，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效果。中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）2122总体框图根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了烟雾报警系统的总体框图如图11所示下图11烟雾报警系统的总体框图使用80C51单片机，选用烟雾传感器作为敏感元件，利用AD574A转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的烟雾报警器。整个设计由4大部分构成烟雾传感器、A/D转换电路、80C51单片机、声光报警电路。其中，传烟雾感器是将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。13系统硬件实现131主控电路设计硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机80C51实现其控制功能。13280C51系列单片机介绍80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。多年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高80C51系列产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品的地位，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有ATMEL公司融入FLASH存储器技术推出的AT89系列单片机；PHILIPS公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；ADI公司推出的ADC8系列高精度ADC单片机；中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）3LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；MAXIM公司推出的DS89420高速50MIPS单片机；CYGNAL公司推出的C8051F系列高速单片机。由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列，所以，本次设计选择STC89C52RC单片机。133STC89C52单片机基本结构STC89C52的基本结构如图所示图12STC89C52的基本结构由图可见，STC89C52单片机主要由以下部分组成（1）CPU系统8位CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。（2）存储器系统4KB的程序存储器（ROM/EPROM/FLASH，可扩至64KB）；128KB数据存储器（RAM，可再扩64KB）；特殊功能寄存器SFR。（3）I/O口和其他动能单元4个并行I/O口；2个16位定时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源，2个优先级）134STC89C52单片机封装和引脚STC89C52单片机采用双列直插式（DIP）QFP44（QUADFLATPACK）和LCC（LEADEDCHIPCAIIER）形式封装。这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。如图13所示。40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类电源、时钟、控制和I/O引脚1电源中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）4VCC芯片电源，接5V；VSS接地端；图13STC89C52单片机的的封装和引脚2时钟XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。3控制线控制线共有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选择端。VPP功能片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源VPP。4I/O线80C51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（属控制总线）。135STC89C52单片机的时钟1振荡器和时钟电路中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）580C51内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。80C51的时钟产生方法有以下两种。A内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTALL和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，CL和C2的值通常选择为30PF左右；CL、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在12MHZ12MHZ之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALL和XTAL2靠近。图14STC89C52时钟电路接线方法B外部时钟方式此方式是利用外部振荡脉冲接入XTALL或XTAL2。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同。表1380C51单片机外部时钟接入方法接线方法芯片类型XTAL1XTAL2HMOS接地接片外时钟脉输入端（引脚需接上拉电阻）CHMOS接片外时钟脉冲输入端悬空136STC89C52单片机的复位在整个烟雾报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。复位电路设计单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计单片机复位时，选用上电复位。上电复位上电复位利用电容器的充电实现。图15是80C51单片机的上电复位电路。图中给中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）6出了复位电路参数。图16是80C51单片机的上电按键复位电路。上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻值和我电容参数为晶振为12MHZ，电容值为10UF，电阻值为82K。图15上电复位电路图16上电按键复位电路复位状态初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0R7）的状态，复位后80C51片内各特殊功能寄存器的状态如表所示，表中“X”为不定数。表12复位后的内部特殊功能寄存器状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HBSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL000HP0P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUFXXXXXXXXBIE0X000000BPCON0XXX0000B复位时，ALE和成输入状态，即ALE1，片内RAM不受复位影响。复位后，P0P3口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态，并将07H写入堆栈指针SP，同时将PC和其余专用寄存器清0。此时，单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。所以，单片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）714MQ2介绍141MQ2的特点在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高，长寿命、低成本，简单的驱动电路即可。142MQ2的特性MQ2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡SNO2。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。图1是传感器典型的灵敏度特性曲线。图中纵坐标为传感器的电阻比（RS/RO），横坐标为气体浓度。RS表示传感器在不同浓度气体中的电阻值RO表示传感器在1000PPM氢气中的电阻值图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。灵敏度特性图2是传感器典型的温度、湿度特性曲线。图中纵坐标是传感器的电阻比（RS/RO）。RS表示在含1000PPM丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值RO表示在含1000PPM丙烷、20/65RH环境条件下传感器的电阻值温/湿度的影响基本测试回路图3是传感器的基本测试电路。该传感器需要施加2个电压加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微0507091113151719201001020304050RS/R060RH30RH85RH图2图1VCVHGNDRLVRL图3中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）8的极性，VC需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。规格A标准工作条件B环境条件C灵敏度特性敏感体功耗（PS）值可用下式计算传感器电阻（RS），可用下式计算PSVC2RS/RSRL2RSVC/VRL1RLD结构，外形MQ2/MQ2S气敏元件的结构和外形如图4所示结构A或B,由微型AL2O3陶瓷管、SNO2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符号参数名称技术条件备注VC回路电压24VDCVH加热电压50V02VACORDCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900MW符号参数名称技术条件备注TAO使用温度1050TAS储存温度2070R相对湿度小于95RO2氧气浓度21标准条件氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于符号参数名称技术参数备注RS敏感体表面电阻2K20K2000PPMC3H8R3000PPM/R1000PPMC3H8浓度斜率06标准工作条件温度202VC50V01V相对湿度655VH50V01V适用范围30010000PPM丙烷、丁烷、氢气预热时间不少于48小时部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（AU）3测量电极引线铂（PT）4加热器镍铬合金（NICR）5陶瓷管三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢（SUB316）7卡环镀镍铜材（NICU）8基座胶木或尼龙9针状管脚镀镍铜材（NICU）图17中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）9供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。15比较器LM324LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图18所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“”、“”为两个信号输入端，“V”、“V”为正、负电源端，“VO”为输出端。两个信号输入端中，VI（）为反相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相反；VI（）为同相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图19。图18图19由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时即开环状态,理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100DB，既10万倍。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V），就是低电平（V或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。图110中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）10附图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当UIU1时，运放A1输出高电平；当UIU2，则当输入电压UI越出U2，U1区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。16LM324与STC89C52单片机接口电路LM324系列的所有型号和功能因脚和排列都相同，因而它们与单片机接口也相同。LM324所有型号都有内部时钟电路，不需要任何外接器件和连线。图111为LM324与80C51单片机的接口电路。该电路采用双极性输入方式。根据烟雾传感器输出电压是5604V，在设计时我们选用单极性输入方式。图111LM324与80C51单片机的接口电路当LM324与80C51单片机配置时，由于AD574A输出12位数据，所以当单片机读取转换结果时，应分两次进行当A00时，读取高8位；当A01时，读取低4位。图中LM324的STS与80C51的P10线相连，故采用查询方式读取转换结果。17声光报警电路声光报警电路由单片机P21口控制，输出报警信号高低电平间隔1S的脉冲信号，驱动声光报警电路，直至按复位键RESET和开关键。该脉冲信号经隔置电容C2加到扬中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）11声器上，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时P21脚输出的高低电平间隔1S的脉冲信号经电阻R5加到发光二极管LED上，LED将闪烁发光，达到声光同时报警的效果。图112声光报警电路18烟雾传感器部分电路设计根据要求，设计中我们选用STC89C52单片机。STC89C52单片机的主控电路包括时钟电路、复位电路。两电路的接法已经做了详细的介绍，这里不再赘述。而传感器是将非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量。当今信息时代，随着电子计算机技术的非速发展，自动检测，自动控制技术显露非凡的能力，而大多数设备只能处理电信号，也就需要把被测，被控非电量的信息通过传感器转换成电信号。可见，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕捉和转换，就没有现代自动检测和自动控制系统。没有传感器就没有现代科学技术的迅速发展。设计中，传感器我们选择的是MQ2烟雾传感器。因为烟雾是比气体分子大得多的微粒悬浮杂气体中形成的，和一般的气体成分的分析不同，必须利用微粒的特点检测。而MQ2烟雾传感器它的性能参数是我们选择它理由。烟雾传感器连接在A/D转换器的输入接口。我们将主控电路和外围接口电路（STC89C52与A/D转换器的接口电路、STC89C52与声光报警电路）连接起来，就得到了基于STC89C52的烟雾报警总电路图。当外部环境（温度、湿度、烟雾浓度）达到一定值时，烟雾传感器就会产生模拟电压，将它作为输出的模拟信号经LM324转换器转换为STC89C52单片机所能识别的数字电压量。通过P10检测信号。当有信号输入时，经程序设定就会驱动STC89C52单片机的P20。而P20是与声光报警电路相连接的。综上所述，得出总电路图如图113中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）12所示中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）13图1132温湿度传感器部分设计21设计目的随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的温湿度报警系统，本温湿度报警系统可以设置报警温度和湿度，当温度和湿度不在设置范围内时，可以报警。22方案选择本设计采用温湿度传感器DHT11方案。23DHT11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。产品优点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完全互换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图21中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）14性能说明表21参数条件MINTYPMAX单位湿度111RH分辨率8BIT重复性1RH254RH精度0505RH互换性可完全互换03090RH252090RH量程范围502080RH响应时间1/E6325，1M/S空气61015S迟滞1RH长期稳定性典型值1RH/YR温度111分辨率888BIT重复性1精度12量程范围050响应时间1/E63630S接口说明连接线长度短于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图22电源引脚中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）15DHT11的供电电压为355V。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。电气特性VDD5V，T25，除非特殊标注。图22参数条件MINTYPMAX单位供电DC3555V测量0525MA平均021MA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。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。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。封装信息图23DHT11引脚说明中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）16表23PIN名称注释1VDD供电355VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极焊接信息手动焊接，在最高260的温度条件下接触时间须少于10秒。注意事项1避免结露情况下使用。2长期保存条件温度1040，湿度60以下。24硬件电路设计硬件电路组成如下图DTH11温湿度信号STC89C52单片机温湿度数据输出AD转换器LCD图24硬件电路组成（1）使用DHT11智能式温湿度传感器感受环境中的温湿度变化转变为温湿度信号，此信号为数字信号，简化了硬件电路的对模数转换设计部分同时也简化了软件编程；（2）DHT11通过它的一条数据线与PIC单片机的数据接口相连，将采集到的温湿度信号送入单片机；（3）单片机收到信号后，对其进行分析、处理，得到准确可靠的温湿度数据；（4）单片机通过AD转换数据同步串行的输出到LCD上进行显示。中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）1725DHT11与单片机的接口电路图25单片机温湿度传感器外电路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26所示图26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2040US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。中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）18图27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28所示图28数字1信号表示方法如图29所示中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）19图2926温度、湿度之间的相互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。3酒精浓度传感器部分设计31设计目的及意义随着人类社会的不断进步，科学技术的突飞猛进，给我们的生活带来了日新月异的变化。汽车已然成为现代社会必不可少乃至无可取代的产物，所以我国汽车的总数不断增加，从而导致交通事故的不断发生，而其中酒后驾驶导致的事故占大部分。而且中国人的请客劝酒文化根深蒂固，一到喜庆节日后酒后驾驶的现象更为严重，如不及时提醒，后果将会不堪设想。所以这更需要对汽车内的空气进行实时监测，以便及早的提醒驾驶员，有效的防护酒后驾驶，减少交通事故。目前，在空气检测领域，各式各样的气敏传感器层出不穷，而各式各样的酒精检测设备也应运而生，且采用的都是对气体信息进行提取分析，得出气体的准确信息，但现在这些空气质量检测设备都有一个致命的缺点价格昂贵，以至于难以大量普及运用。除此之外，大部分功能较单一、实时性较低。因此，开发一个实时性高、性能稳定、经济适用的酒精浓度监测报警器便是本设计的目的之一。中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）2032气敏传感器321气敏传感器工作原理气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SNO2、ZNO、FE2O3、MGO、NIO、BATIO3等都具有气敏效应。气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。半导体气敏传感器对于低浓度气体具有很高的灵敏度，具有嗅觉功能，能自动检测瓦斯浓度。一旦瓦斯超限，气敏传感器即可自动报警，然后采取先抽后采的原则，即可防止瓦斯爆炸事故的发生。半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和浓度的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处时，如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而形成正离子吸附。如H2、CO、碳氢化合物等，被称为还原型气体。当还原型气体吸附到N型半导体上时，载流子增多，使半导体电阻值下降。322气敏传感器气敏传感器是酒精检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲气敏传感器是一种将某种气体的体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气敏传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。目前普遍使用的气敏传感器有燃料电池型（电化学型）和半导体型两种。他们能够制造便携型呼气酒精浓度测试器，适合于现场使用。与半导体传感器相比，燃料电池酒精传感器具有稳定性好、精度高、抗干扰性好等优点。由于燃料电池酒精传感器的结构中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）21要求很精密，制造难度大，目前世界上只有美国、德国、英国等少数几个国家能够生产。本测试器采用MQK2酒精浓度传感器，检测人体呼出气体中酒精浓度并且输出电压信号。MQK2酒精浓度传感器主要由气敏元件和电阻丝组成，MQK2传感器外接5V电压时，能将电阻丝加热到270300。，电路将MQK2传感器的阻值变化转化成输出电压的变化，从而可以通过A/D转换成数字量供单片机处理。根据分析，乙醇浓度增加时元件电阻R减小反之异亦反，所以呼出气体中的气态乙醇逐渐扩散后元件电阻R敏感的变化。33酒精浓度检测仪发展的现状在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。一是气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展国外气体传感器发展很快。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。331气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为（2730）。目前，气体传感器的发展趋势集中表现为一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0110）106硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FIRSTALERT公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GENERALMONITORS公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MEGAGAS”传感器实现了智能化、多功能化。332国内现状与差距气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）22国内已有一定的基础。其现状是（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SNO2和FE2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的AL2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。333市场需求分析气敏元件、传感器及其应用产品具有十分广阔的现实市场和潜在的市场需求。以4类气敏元件传感器为例，作简要市场需求分析。（1）可燃性气体气敏元件传感器这是需求量最大的一类气敏元件传感器，包含各种烷类和有机蒸气类（VOC）气体，目前大量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机，已形成批量生产规模，每年约有500万支以上的市场。随着在油田、矿区、化工企业及家庭等生产生活领域广泛用作气体泄漏报警，非凡是用于家庭气体泄漏报警，如液化石油气、天燃气及其他可燃性气体的检测报警等，预计在2001年2005年将会有成倍需求。（2）一氧化碳和氢气气敏元件传感器这两种也是最有需求量的气敏元件传感器。一氧化碳气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警；氢气气敏元件除工业等领域应用外也同一氧化碳气敏元件一样，广泛用于家庭管道煤气泄漏报警。由于我国管道煤气中氢气含量高，而氢敏元件较之一氧化碳元件价格低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄漏报警更为适宜。由于管道煤气泄漏、灶具不合格导致不完全燃烧而造成CO中毒等灾难事故是十分严重的，每年都给我们留下惨痛的后果，仅哈尔滨市1998年11月2日一次管道煤气泄漏事故就造成37人中毒，8人死亡。因此，安装煤气报警器已成为政府为保护人民生命财产安全而强制推动的一项措施。目前我国已有黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市等发布文件。随着中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）23城市燃气化的扩大、政府立法和人民安全保护意识的提高，城市家庭安装气体报警器必将很快推广普及，一氧化碳、氢气敏元件传感器的需求量将会急剧增加。美国已有7个州11个城市通过立法要求家庭安装CO报警器。据统计，按一间卧室安装一台CO报警器计算，美国CO报警器市场应该是9400万台，按目前价格计算是38亿美元，而且每年可新增40万台。早在1994年，我国城市燃气用户就达到2978万户，用气人口104218万人。我国660个城市，有液化石油气的城市513个，同时兼有人工煤气的城市170个，有天然气城市55个，国家计划到2000年城市人口平均气化率达到6070。目前大约有12亿居民、约（30004000）万户使用燃气，按这些燃气用户的40安装气体报警器计算，需求量就达1200万台以上。而随着城市燃气应用的扩大，用气人口增多，报警器需求量必将迅速增加。另一个需要安装气体报警器的是使用燃气热水器非凡是直排式燃气热水器的场所。由于燃气热水器使用不当或质量变坏发生不完全燃烧，造成CO中毒现象时有发生，南京、上海、福洲、北京、衡阳等都有过报道。仅据来自中国消费者协会的投诉统计，1998年全国就有16人死于燃气热水器事故，伤4人，残2人，比1997年上升了200。为防止灾难事故，安装CO报警器十分重要。目前我国颁发燃气热水器生产许可证企业153家，燃气热水器社会拥有量已在3000万台以上，其中50以上是直排式。为了安全，国家技术监督局已发布强制性标准（GB693294），要求燃气热水器必须有防止不安全燃烧的保护装置。要求上述热水器5年内安装完CO报警（控制）器，仅此每年就需要600万台。显然，其需求量是相当大的。（3）氧传感器氧传感器应用很广泛，在环保、医疗、冶金、交通等领域需求量很大。以汽车用氧传感器为例，为提高汽车性能，降低排气污染，国外已采用电子燃油喷射系统（EFI）代替化油器，如美国、德国和日本，EFI系统的装车率已分别达100、98和90。我国八五期间将EFI列入国家科委攻关计划。经过攻关，现已在切诺基、小红旗、桑塔纳等轿车上成功安装了EFI，在一个发动机电子喷射系统中要使用温度、压力、气体、爆震、位置等传感器（68）个，其中氧气传感器是控制发动机点火和尾气排放的最主要的传感器。一套闭环控制系统要用（12）氧传感器。目前我国尚不能生产汽车用氧传感器，主要依靠进口。预计到2000年后，国内氧传感器配套将有大的需求，如上海汽车电子有限公司，EFI系统年产能力为120万套，全