课程设计机库环境监控系统的设计

1、摘 要：机库环境监控系统是以单片机技术和传感器技术为核心，并集成了温湿度信号采集、烟雾浓度与光照强度信号采集、外部设备控制、极限值设置、系统超限报警、数据串、并行显示等功能，来实现系统对机库环境的远程监测控制。系统以STC89C52单片机为核心，分别以DS18B20、HS1101作为温、湿度信号的测量元件，而继电器则用来控制通风设备的启动与停止。在室内通风控制系统中，不仅要实现信号的采集、数据的实时显示、极限值的存储、超限报警等辅助功能，还要实现上位机LabVIEW界面监视作为监控系统的中心，通过RS232总线与单片机通信，将采集到的数据传输到监控计算机，并行显示。关键词：单片机，温度，湿度，

2、传感器，空气品质Abstract：The indoor ventilation-controlled system is based on Microcontroller unit control technology and sesor technology as the core,in order that the system can realize the function of indoor ventilation-controled , the system also integrated the function of temperature and humidity signa

3、l acquisition,extremal parameter-setting，over-limited-parameter alarm systems,the data-displaying function and so on.To achieve the aim,the system takes STC89C52 as the core,and DS18B20 as the temprature sensor,at the same time,HS1101 as the humidity sensors as a measuring device.and use rely to con

4、trol the indoor ventilations startup or stop.the ventilation doesnt only realize the fuction of signal acquisition,real-time data display,the extramal parameter-setting,warning when beyong the limited pronunciation and other auxiliary functions. But also achieve the function of computer monitoring s

5、ystem.the computer as the center of computer monitoring system.The Microcontroller Unit commnicate with computer through the RS232 system bus and transmit the collected date to monitor computer.Keywords:Microcontroller Unit，temperature,humidity,sensor,air quality目 录1 绪论12 系统总体设计22.1 系统总体设计2系统功能设计23

6、系统硬件设计33.1 主控单元33.2 湿度测量电路43.3 温度测量电路5系统电源电路5继电器控制模块63.6 LCD12864显示电路73.7 报警电路8串口通信电路84 软件设计94.1 主程序软件流程94.1.1 初始化程序94.1.2 主程序94.2 按键扫描程序114.3 湿度信号采集及显示程序114.4 温度信号采集及显示135 上位机软件设计155.1 LabVIEW界面设计15上位机软件控制过程176 系统调试187 结论198 致谢209 参考文献21附录22附录1：系统原理图22附录2：系统主程序23附录3 实物照片241 绪论室内通风控制系统是通过智能控制室内通风设备的

7、启停，提高室内的通风率，以达到提高室内空气品质，控制室内温湿度的目的。近年来，随着我国科学技术的进步、人们生活水平的不断提高，越来越多的人开始注重居室的美观和舒适，豪华装饰也越来越普遍。各种新型建筑材料、装修材料、日用化学品进入住宅，成为室内空气的主要污染源。与此同时，空调的使用和普及使得室内通风率比以前明显下降，造成住宅室内污染空气的累积，致使室内的空气质量严重恶化。而那些使用单体家用空调的建筑，在人员外出或睡眠时候，由于对空调的运行、停机，温湿度、新风等的调节不能实现自动控制，空调不是处于停机状态使室内环境恶劣，就是处于连续运行状态造成无谓的浪费。 因此空调若能与其它的散热、送风与排风系统

8、配合起来使用，节能的空间将是很大的，同时也给使用者营造了一个更加舒适的环境。虽然去除空气污染，提高空气质量的办法有多种，可以通过减少污染源，过滤空气和使用活性炭吸附等办法，以达到改善空气质量的目的。专家指出，改善室内空气质量的最有效的办法还是通风。在自然通风不能满足需要的时候，可以通过机械通风的方式来改善室内空气质量品质。本文所论述的机械通风方式，不仅仅指的是厨房和卫生间的短时排风，而是以改善室内空气质量为主要目的的通风方式。因为空气质量是健康生活的一个重要保障。世界卫生组织“健康住宅”标准的15条中就有8条跟室内空气质量有关，这些都是提高生活品质的主要标志：节约能源、建筑节能等。室内通风不畅

9、是现代城市的普遍现象，建筑通风节能又是缓解能源危机的必由之路。因此国际市场上也有与本控制系统类似的产品，但是由于进口的室内通风设备价格比较昂贵，在国内一直没有得到大范围推广，而本设计所研制的室内环境智能调节系统不仅能很好提高室内空气品质、能耗较小，而且价格相对于进口同类产品较低。2 系统总体设计2.1 系统总体设计本次设计系统研究开发的重点内容是系统的硬件及软件系统，其中控制面板和系统软件为自主设计，其它常规传感器、辅助设备等采用集成的方法实现。系统通过各传感器节点采集数据，并在LabVIEW界面显示。系统的总体框图如图2-1所示：显示湿度显示温度STC89C52单片机湿度检测系统温度检测系统

10、报警电路LabVIEW显示按键电路供电电路外部控制存储电路串口RS232图2-1 系统的总体框图室内通风控制系统采用集散控制系统，分为上位机和下位机两部分，其中上位机是远离被控对象，可以通过串口与下位机通信，可以实现数据显示。下位机也有键盘、显示和报警等功能，这样当上位机不工作时可以直接利用下位机来控制被控对象。系统在满足用户对室内的温、湿度的键盘控制需求的基础上，下位机还可以根据用户设置的室内温度、湿度极限值值启停排风、进风等设备，保证室内温湿度值的相对稳定。系统要完成的设计功能如下:Ø 实现对房间温度、湿度参数的实时采集。根据测量空间或设备的实际需要，由各路传感器对关键温、湿度敏

11、感点进行测量，并由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能测量。Ø 实现超限数据的及时报警。Ø 现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并具有存储、远程通信功能。Ø 通信系统要具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。3 系统硬件设计硬件电路是保证整个测控系统正常工作的基础，其性能优劣直接影响到整个测控系统工作的可靠性、安全性和连续性。硬件电路的设计过程中，始终以实用化最终目标。 本系统能够独立完成对温度、湿度的采集、检测、计算和逻辑处理，并能够与上位机进行数据交换，以完成测量、监控、报警等功能，具体如下:数据采集功能模拟量

12、采集：即实时采集室内温度和湿度等模拟信号，作为系统执行的判断依据。人机对话界面采用按键设置系统各项极限值值，并通过LCD和上位机显示系统的各项数据。通讯功能系统通过RS-232选择与上位机进行串行通讯，从而实现远方监控功能。3.1 主控单元单片机最小系统是单片机能正常工作的基本条件，它需要最小系统、时钟电路、复位电路等。时钟电路采用的是内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。STC89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。外接晶体振荡器以及电容C7和C8构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，一起构成一个自激振荡器。外接

13、的电容值的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，其振的快速性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容选择电容值约为22PF的陶瓷电容。复位电路是外部的复位电路来实现的。片内复位电路时复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声。复位电路采用上电自动复位和按钮复位两种方式。键盘电路采用矩阵式键盘，键盘上的键按行列构成矩阵，在行列的交点上都有对应的一个键。行列方式是用4条I/O线组成行输入口，用2条I/O线组成列输出口，在行列线的每一个交点处，设置了一个按键，组成一个4*2的矩阵键盘。键盘电路，定义了8个键，分别是 “左移”、“右移”、“”、“+”、

14、“确定”、“设温度上限状态”、“设湿度上限状态”、P1.5、P1.6、P1.7作行线，P03、P04作列线。其原理设计图如图3-2所示：图3-1 最小系统框图3.2 湿度测量电路湿度测量电路实现环境湿度信号与频率信号的转换，其输出的频率信号与相对湿度值相对应。其电路原理图如图3-5所示：图3-2湿度信号测量电路HS1100是电容湿度传感器，在电路中它等效于一个电容器件，其电容量随着所测环境湿度的增大而增大。在湿度测量电路中，将HS1100置于555振荡电路中，并将电容的变化转为与之成反比的电压频率信号，并直接被单片机。如图3-5所示，集成定时器555芯片外界电阻R14、R15与湿敏电容RH构成

15、了对C的充电电路，并将引脚2、6相连引入到片内比较器，构成一个典型的多些振荡器，即方波发生器，这样就能将环境湿度的变化转化成系统频率的变化。另外，R17是防止输出短路的保护电阻，R16用于平衡温度系数。系统的振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vcc通过R14、R15向C充电，经T充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vcc，此时输出引脚3又由低电平跃升为高电平。如此周而复始，形成方波输出。其中，充放电时间为：T充电=C(R14+R15)In2(3-1)T放电=CR15In2(3-2)因而，输出的方波频率为：f=1/(T充电+T放电)=1/C(R14+2R15)In2(

16、3-3)通过这种信号转换方式，湿度测量电路就能将湿度信号转换成频率信号，并将之送入单片机的计数器T0，计数除1S的脉冲个数，即振荡器的输出频率，然后进行频率和相对湿度信号之间的转换，这样就可以测出环境的湿度信号。3.3 温度测量电路温度检测采用基于单总线数字传感器用于温度的采集和数据的输出其原理图设计如图3-7所示：图3-3 温度信号检测电路系统电源电路嵌入式控制系统的MCU都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。一般可采用线性稳压器件（如78XX系列三端稳压器件）作为电压调节器和稳压器件，来将较高的直流电压转变为MCU所需的工作电压。这种线性稳压电源的工作方式在工作中会有很大的“热损失”，其工

17、作效率仅为30%50%。而开关电源调节器则是以完全导通或关断的方式工作，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管，要么是完全截止无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，而且其平均工作效率可达70%90%。.在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比，具有少得多的“热损失”。因此开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要装散热片。采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为MCU电源的另一个优势是：开关管的高频通断特性和串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外，由于开关稳压电源“热损失”的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压，这

18、有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。因此系统采用以开关稳压电源芯片LM2576为核心的电源电路。由于STC89C52单片机的标准供电电压为5V，而且系统内部大多数的供电要求都是+5V，因此系统采用+5V电源直接供电。系统选用了美国国家半导体公司生产的开关稳压集成电路LM2576，LM2576内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路。而且LM2576的热损失较小，内部还有完善的保护电路，因此可以减小散热片的体积，甚至在大多数情况下不需散热片。电源的输出部分上所接的电感和电容起滤波的作用，当output输出为高电平时，电感电流达到平衡。确定输出电压为5V，并根据LM2

19、576的最大输入电压线和最大负载电流线，确定了电感的值选取为330UH/1A。输出电容C4是用来对输出滤波以及提高环路的稳定的。其电路原理图如图3-8所示：图3-4 电源模块原理图继电器控制模块系统通过继电器去控制外部设备的启动与停止，以达到控制室内温度、湿度的目的。继电器的驱动可以通过晶体管、放大器和多路模拟开关，考虑到系统的成本和稳定性，系统采用多路模拟开关CD4066去控制继电器的吸合和释放。图3-5 继电器控制电路LCD12864显示电路图3-6 显示电路3.7 报警电路报警电路由一个三极管接一个蜂鸣器实现。CPU发送一个控制信号控制蜂鸣器响。其原理图如图3-14所示图3-7 报警电路

20、系统通过串口将检测到的数据上传到PC机，以达到上位机监测的目的。其原理设计图如图3-15所示：系统采用RS-232总线，进行上位机和下位机之间的通信。系统中下位机的串口信号是TTL电平，因此需外加电平转换电路。故下位机选用的RS232通信芯片为Maxim公司的MAX2323-8 串口通信电路4软件设计本章将介绍软件的总体设计。系统采用了功能模块化的软件实现方法，这样软件的总体设计就变得清晰了。软件设计中一个重要的思想就是采用模块化设计，所谓模块化，就是把一个大的任务分解成若干个小任务，分别编制实现这些小任务的子程序，然后将子程序按照总体要求组装起来，就可以实现这个大任务了。这种思路对于可重复使

21、用的子程序显得尤为优越，因为不仅程序结构清晰，而节约程序存储空间。系统整体软件设计包括管理程序和控制程序两部分，管理程序包括LED显示的动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应。控制程序是对被控对象进行采样、数据处理、根据控制、算法进行计算和输出等。控制程序包括数据采样，数字处理、上下限报警处理等。下位机程序主要包括主程序、温湿度信号采集转换程序、存储程序、键盘扫描程序、显示程序和串口通信程序，这些程序主要由Keil C51实现。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，

22、因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，Windows界面。另外重要的一点，Keil C51软件编译后生成的汇编代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。uVision4是keil c的Windows集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件;然后分别由C51或A51编译器编译生成目标文件(.OBJ);目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS) ABS文件由

23、OH51转换成标准的Hex文件，可以直接写入程序存贮器如EPROM中。4.1 主程序软件流程 初始化程序系统初始化是为了在系统进入主程序循环之前，做好必要的准备工作。在整个系统设计中，用到了单片机的3个基本功能模块：时钟模块、串口通信模块和普通I/O模块。根据系统实际需求，对各个模块进行了初始化配置，通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写，实现相应的功能。 主程序在系统进行初始化之后，程序进入主循环，主循环中包括了键盘扫描、温湿度信号的采集、LED显示循环、按键检测、数据存储 、报警和极限值的设置。然后周而复始地进行主循环程序。主程序见附录，程序框图如图4-1所示：图4-1 主程序流程框图4.

24、2 按键扫描程序每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过并行接口和CPU通信。按键电路程序流程图如图4-2所示：图4-2按键扫描程序键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么，还要削除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态的接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。本实验选用P1.4、 P1.5、 P1.6、 P1.7作行线，P、P0.4作列线。行线初始状态全为“1”。先让列线全部为低电平“0”，如果没有键按下，行线全部

25、为高电平“1”状态， 若有任何一个键按下，行线上为非全“”状态。在有键按下后，逐行检查哪根行线为“0”状态，即可查出是哪个按键。4.3 湿度信号采集及显示程序系统将湿度信号转换成频率信号，并通过HS1100的频率和湿度之间的对应关系，将之转换成相应的湿度信号，并显示出来。其湿度信号采集及显示程序如图4-3所示：图4-3 湿度信号采集子程序湿度信号采集子程序：void ad_tem(void)；功能：读出计数器T0中频率信号，根据HS1101的特性将之转换为相应的湿度信号。，即单片机计数器的外部信号输入端，系统计数器用T0去测量振荡电路的振荡频率，从而获得系统的湿度信号。在系统的数据处理部分，主

26、要是确定频率与相对湿度值之间的计算关系。系统的555振荡电路的输出端OUTPUT与STC89C52的T0相连，系统用定时器T2定时1S，用于控制T0的计数，从而计数出振荡电路1S内的脉冲个数，即振荡器的振荡频率，然后进行频率信号与湿度信号之间的转换。但由于频率与相对湿度的关系曲线是非线性的，STC89C52对其采取分段线性化处理。频率6667HZ与6409HZ将该曲线分为3段近似直线，使单片机在不同的频率范围进行不同的线性变换。 4.4 温度信号采集及显示系统的温度信号是由数字温度传感器DS18B20采集，DS18B20是一种一线温度传感器，它的输出信号就是数字信号，不需要经过A/D转换。温度

27、采集子程序：void get_tem()；功能：读出和转化DS18B20采集的数据，并存储和显示这些数据。DS18B20转化后得到的数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面1位是符号位，如果测得的温度大于0， 这位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际 温度。例如+125的数字输出为07D0H，+的数字输出为0191H，的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H 。本实验没有考虑温度小于0的情况，为了方便后面程序的编写，这里乘的是6.25，处理时只要在显示程序中加入

28、小数点即可。图4-4 复位子程序读字节子程序：uchar read_byte()；读一个字节:数据线先从高拉到低电平1us以上,再使数据线升为高电平,从而产生读信号,而来自DS18B20的输出数据在读时间片下降之后15微妙有效。所以在数据读出后，应进行一段时间的延时，才能将读得的数据返回给主程序。写字节子程序：void write_byte(uchar date)；写一个字节: 数据线从高电平到低电平产生写起始信号,15ms之后将所需写的位送到数据线在延时45us，使数据稳定的写人器件内。然后在将DQ拉高，为写下一位做准备。如此循环8次就将一个字节写入存储器内。写字节程序及读字节程序如图所示：

29、 图4-7 写字节子程序 图4-8 读字节子程序图4-13湿度比较及报警子程序5 上位机软件设计上位机设计是基于NI(美国国家仪器公司)的LabVIEW进行设计的， LabVIEW是一种上位机程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。提供包括数据采集，GPIB，串口控制，数据分析，数据显示及数据存储等函数库。操作方便、界面美观、显示直观、控制精细。5.1 LabVIEW界面设计本设计中的上位机监控系统界面设置了四个可独立显示机

30、库环境因子变化的波形图表，分别是温度波形图表、湿度波形图表、烟雾浓度波形图表、光照强度波形图表。在界面的左方有三个框图，用于配置串口、发送控制信号按钮、显示环境因子及设置报警门限。图5.1 界面前面板当上位机和下位机连接好后，按下启动按钮，“启动/停止”指示灯亮，代表系统已经启动，通信指示灯亮代表通信正常，烟雾报警指示灯亮代表现场烟雾浓度已经超过设置的门限值。所示。图5.2 通信协议设置数据处理过程，下位机传输的数据，在总线中传输的是相应书记的ASCII码，我们需要在LabVIEW中把接收到的ASCII码转换为其原始数值，其数据传输过程是：VISA读-字节数到字节数组-索引数组数据处理，其在L

31、abVIEW中设置情况如图所示。图5.3 数据处理过程因为数据传输时按照一定的顺序进行的，因此索引数据也要按照相应的顺序来索引，对索引的数据，要按照传感器的数据手册来对数据进行相应的处理。数据处理完后就是数据显示，需要完成的数据实时显示功能，用到波形图表显示控件。和数据显示图表显示控件。其设置如图所示。图5.4 酒精浓度显示5.2上位机软件控制过程上位机主要设置有机库环境数据的显示，报警数据的设置和通风、供暖和除湿的控制，编写上位机程序时，首先进行串口的初始化，包括串口号、波特率、校验位、数据位、停止位等。然后条用串口读空间，将数据从缓冲区读回来，把读回来的数据分成两路，一路送往显示控件显示，

32、另一路拿来与相应报警门限值进行比较，如果大于报警门限值则报警，反之不报警。在发送控制进行处理和显示，在控制部分是通过串口向下发送一帧控制数据（共十个字节），前两个字节是控制信号，后八个字节用于设置烟雾报警、光照报警、湿度报警和温度报警的门限值。对于前两个字节，第一字节是控制信号识别码（01：供暖；02：通风；03：除湿），后一个字节是控制启动或停止（01：启动；02：停止）。6 系统调试系统调试可以采用软件调试和硬件调试。而软件调试主要是应用keil软件进行软件模拟调试，这种调试的方法主要适用于系统设计前期。其特点就是成本较低，容易发现软件中的一些错误。此次主要采用软件调试。在本次调试过程中，

33、出现了两大主要错误，显示部分和IIC读写。由于显示部分要同时显示温度和电压部分，而系统的显示又是通过扫描来显示的，所以完成一次数码管的扫描的时间不能过长，否则数码管会闪烁，数字显示不稳定，应修改延时子程序，缩短延时时间。显示还有一个问题就是设置时，相应的设置位闪烁显示，这个程序使用单片机的定时中断来做的，将单片机的定时器定为1ms，计数一个标志位FLAG，当这个数计数到500时，也就是定时0.5s，系统就将相应的标志位flag1取反，在显示程序根据flag的值，让相应位半秒中亮，半秒钟灭，这样就形成闪烁了。系统调试过程，碰到了很多很多的问题，例如中英文不同环境输入的文字和符号导致程序在编译过程

34、中出错，各种各种的错误。但经过大量的查阅资料和向老师请教，这些错误都逐一改正了。7 结论设计实现的两个基功能：一是实现温度的连续监测，并通过数码管进行监显，如果超限就报警；二是实现湿度的连续监测，并通过另一组数码管进行监显，如果超限就报警。在实现了人与机的对话方面，除了在下位机有显示界面外，还利用RS232串口，实时上传温、湿度数据到PC机端，可以实现远程监测。除了之外，在毕业设计中，低成本、模块化和可扩展化是主线。1 在模块化设计方面 按每个要求的功能，从单片机、显示器、驱动电路、存储器到传感器，都尽量选择市场上通用性最好的产品。 软件的设计融入模块化、通用化思想，核心的方法就是每个功能用子程序模块化，主程序只是对各个功能的标志位进行判断，依照标志位来决定程序的走向，不用的模块进入休息状态，以最大新都的降低功