室内环境智能监控系统设计

1、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

2、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AbstractIndoor environment is the longest expo

3、sure time in ones life and the closest environment. Indoor environmental quality concerns everyones 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 environm

4、ents, 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 environ

5、ment 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 measu

6、rement 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

7、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 compari

8、son 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; i

9、ntelligent monitoring; data regularly sampling; A/D transform目 录第1章 绪 论11.1题目的来源和现状11.2影响室内环境质量的因素以及危害21.3 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42.1系统的概述42.2 控制方案的设计4第3章 系统的硬件设计73.1核心控制系统的设计73.1.1 核心控制芯片的选型73.1.2 AT89S52核心控制器最小系统的设计93.2系统数据采集电路的设计103.2.1 室内温度数据采集电路的设计103.2.2 室内湿度数据采集电路的设计113.2.3 室内苯含量检测电路的设计1

10、43.2.4 室内TVOC含量检测电路的设计163.3系统A/D转换电路的设计193.4 系统显示器的设计213.4.1 系统显示器的选型213.4.2 LCD1602显示器电路的设计233.4.3 LCD1602显示器的用法及性能参数243.5系统键盘电路的设计263.6系统时钟电路的设计29时钟芯片的选型29时钟电路的设计303.7系统报警电路的设计303.8系统控制输出机构电路的设计313.9系统串口通讯电路的设计333.10系统电源电路的设计34第4章 系统的软件设计354.1 系统主体程序的设计354.2系统定时采集数据程序的设计364.3系统数据显示程序的设计364.4系统键盘扫描

11、程序的设计374.5系统数据处理以及控制输出程序的设计384.6系统时钟应用程序的设计394.7系统报警程序的设计404.8 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I47附 录II49附 录III62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

12、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

13、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

14、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

15、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：

16、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

17、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

18、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）

19、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。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

20、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

21、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

22、境中。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。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、

23、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。（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

24、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。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

25、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

26、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

27、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。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

28、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：

29、（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

30、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。图3.2 AT89S52单片机最小系统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

31、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

32、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。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。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/

33、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

34、 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）RH35%R

35、H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（1050）Tcc+0.1%RH/平均灵敏度（3375% RH）mV/%RH+25mV/%RH吸收电容容量（R=15K）Is300A150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

36、：mV；RH：%）： (3.1)温度系数补偿为（单位：RH：%；Ta：）： (3.2)非线性与温度补偿为（单位：RH：%；Ta：）: (3.3)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)表3.2 HM1500模拟线性电压输出值RH(%)Vout(mV)RH(%)Vout(mV)101325552480151465602605201600652730251735702860301860752990351990803125402110853260452235903405502360953555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。图3.6 室内湿

37、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

38、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1-10ppmMQ138半导体气体传感器模块由微

39、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；（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

40、、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。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：

41、苯系物、有机氯化物、氟里昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烃化合物等物质。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

42、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5V2%（DC）工作电流100mA（max）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

43、出，数字信号输出响应时间5S（预热3-5分钟）系统的TVOC含量检测电路的具体设计如图3.10所示。图3.10 室内环境的TVOC含量检测电路在MS1100-P111传感器模块中，TVOC含量和其输出的模拟电压信号是成线性关系的，其参考值见表3.5。表3.5 TVOC含量对应输出电压的参考数值TVOC含量（ppm）输出电压（mV）TVOC含量（ppm）输出电压（mV）0640203690121002538702238030402032570354150427104042705282045438062920504480730105545708309060466093160654740103220

44、704820153490754900系统的TVOC检测电路分为两部分，第一部分是A/D转换器PCF8591的第4路模拟输入通道AIN3，采集的TVOC含量数据正是通过该通道汇总到单片机存储器中；第二部分是MS1100-P111气体传感器模块，将该模块加上工作电压+5V之后，传感器就会自动检测TVOC含量，并且该模块有数字信号输出和模拟信号输出两种方式，设计采用模拟信号输出方式将数据传送给A/D转换器。3.3系统A/D转换电路的设计该设计的室内环境智能监控系统的功能是检测和控制出室内环境空气中的苯含量、TVOC含量、室内环境的温度和湿度4项指标。这4项指标都用相对应的传感器来检测，所得到的数据都

45、是模拟量，要想让系统的核心控制器应用这些数据，则采用A/D转换将数据转换成数字信号。在一个完整的单片机系统中，A/D 转换芯片往往是必不可少的，本系统采用PCF8591芯片，它的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持信号电路、8-bit模数转换和8-bit数模转换。PCF8591是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入、一个模拟输出和一个串行IC总线接口。3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至IC总线而不需要额外硬件。器件的地址控制和数据通过两线双向IC总线传输。IC总线是Philips公司推出的串行总线，整个系统仅靠数据线（SDA）和时钟线（

46、SCL）实现完善的全双工数据传输，即CPU与各个外围器件仅靠这两条线实现信息交换。IC总线系统与传统的并行总线系统相比具有结构简单、可维护性好、易实现系统扩展、易实现模块化标准化设计、可靠性高等优点。然而PCF8591就是一种具有 IC 总线接口的 A/D 转换芯片。在与 CPU 的信息传输过程中仅靠时钟线 SCL 和数据线 SDA 就可以实现。PCF8591的引脚分布如图3.11所示。图3.11 PCF8591芯片的引脚图PCF8591转换芯片的引脚功能如下：（1）AIN0AIN3：模拟信号输入端； （2）A0A3：引脚地址端；（3）VDD、VSS：电源端； （4）SDA、SCL：IC总线的

47、数据线、时钟线；（5）OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。 （6）EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地。 （7）AGND：模拟信号地。 采用PCF8591模/数和数/模转换芯片最大的优点就是为控制器节省很多的I/O口。由于该设计的系统采用的是AT89S52单片机作为控制器，所以I/O口数量很有限，采用此芯片是很好的选择。除此之外，PCF8591芯片还具有以下特点：（1）工作电压：2.5V6V（待机电流低）；（2）通过3个硬件地址引脚编址；（3）4个模拟输入可编程为单端或差分输入；（4）模拟电压输入输出范围：VSSVDD；（5）带一个模拟输出的乘法DAC；（6）单电源供电；

48、（7）自动增量通道选择；（8）片上跟踪与保持电路；（9）IC总线串行输入/输出；（10）8位逐次逼近式A/D转换；（11）采样速率取决于IC总线速度。PCF8591芯片的功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8位数模转换，其最大转换速率取决于IC总线的最高速率。因此它可以广泛应用于闭环控制系统、远程数据采集的低功耗转换器、电池供电设备、在汽车、音响和TV应用的模拟数据采集等方面。室内环境智能监控系统正是需要远程模拟数据采集，并且也考虑到节省I/O口，所以该系统很适合采用PCF8591转换芯片。系统的数据采集电路有4路，分别是采集温度、湿度、苯含量和TVOC含量的数据。PC

49、F8591芯片的模拟输入通道是识别电压类型的模拟信号，其分辨率为1/256，能够识别的最小电压大约为19.53mV。系统的A/D转换电路的设计如图3.12所示。图3.12 监控系统A/D转换（PCF8591）的电路A/D转换芯片的引脚9和引脚10分别是SCL和SDA，分别是IC总线的时钟线、数据线，将这两条线与单片机的I/O口P2.0和P2.1相连接，通过软件的编程，单片机可以通过SCL引脚将系统的时钟传送到A/D转换芯片中，让其正常工作，并且通过SCL和SDA引脚的相互配合使用，将数据从外部读进控制器中。3.4 系统显示器的设计该设计的系统的功能是检测和控制室内的环境质量，包括检测室内的温度

50、、湿度、苯含量、TVOC含量等几项重要指标，所以系统需要一个人机交换界面用来进行显示和输入，系统的显示器就是人机界面之一。 系统显示器的选型液晶显示器是一种常用的显示器。液晶显示器简称为LCD显示器，它是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向的特征实现显示信息的，以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。液晶显示器按其功能可分为三类：笔端式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可以显示数字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图形并茂的效果。本次系统的设计采用LCD1602液晶

51、作为系统的显示器，它属于字符点阵式液晶显示器，其外形如图3.13所示，1602字符型LCD的主要技术参数为：（1）显示容量：162个字符；（2）芯片工作电压：4.55.5V；（3）工作电流2mA(5.0V)不包括背光电流；（4）模块最佳工作电压：5V；（5）字符尺寸：2.954.35(WH)mm；图3.13 LCD1602液晶显示器LCD1602液晶显示器共有16个引脚，按功能分为电源口、数据口、背光电源口和控制口四类，具体功能详见表3.6。表3.6 1602字符型LCD引脚编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据口2VDD电源正极10D3数据口3VO液晶显示器对比度调整端11

52、D4数据口4RS数据/命令选择端(H/L)12D5数据口5R/W读/写选择端(H/L)13D6数据口6E使能信号14D7数据口7D0数据口15BLA背光源正极8D1数据口16BLK背光源负极3.4.2 LCD1602显示器电路的设计系统的LCD1602液晶显示器可以显示出室内的实时温度、实时湿度、苯以及TVOC有害气体的含量值，除此之外，它还可以显示当前的时间，日期，室内环境的正常情况等信息。LCD1602液晶显示器与单片机的具体连接如图3.14所示。图3.14 LCD1602字符型液晶显示器与单片机的连接LCD1602的数据端口接在单片机的P0口，由于单片机的P0口内置没有上拉电阻，所以驱动

53、能力很弱，需在外边连接10K的上拉电阻。RS、R/W、EN 3个控制口分别与单片机的P1.2、P1.1、P1.0数据口相连接。 1602字符型LCD与单片机的连接接口具体说明如下：（1）液晶1、2端为地和电源。（2）液晶3端为液晶对比度调节端，通过一个10K电位器接地来调节液晶显示对比度。首次使用时，在液晶的上电状态下，调节至液晶上面一行显示出黑色小格为止。（3）液晶4端为向液晶控制器写数据/写命令选择端，接单片机的P1.2口。（4）液晶5端为读/写选择端，接单片机的P1.1口。本系统只写数据，只向其写入命令和显示数据接高电平，因此在编程时可以让P1.1口输出高电平来配合其他程序使用。（5）液

54、晶6端为使能信号，是操作时必须的信号，接单片机的P1.0口。（6）液晶7-14端为8路数据端口接到P0口，其与单片机进行数据传输。（7）液晶15、16端接入电源+5V和GND，使液晶显示器背光点亮。3.4.3 LCD1602显示器的用法及性能参数要想对液晶显示器进行控制及使用，用户应该先了解其工作状态的时序，根据它的基本操作时序，控制器可以向其中写入数据或从其中读取数据，LCD1602液晶是数字型的显示器，它的基本操作时序分为以下几种： 读状态 输入：RS=L，R/W=H，E=H 输出：D0D7=状态字读数据 输入：RS=H，R/W=H，E=H 输出：无写指令 输入：RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：D0D7=数据写数据 输入：RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无无论是读数据还是读状态，它都是用一个共同的读操作时序，如图3.15所示为LCD1602液晶的读操作时序，用户可以根据该时序用程序实现对显示器