【基于单片机的空气质量监控系统的硬件设计8000字】

基于单片机的空气质量监控系统的硬件设计目录TOC\o"1-3"\h\u3134基于单片机的空气质量监控系统的硬件设计 161311.1系统方案设计 1247371.2系统主要器件选择 220311.3系统硬件电路设计 71.1系统方案设计检测系统总框图：系统硬件主要以一台STC89c52型数控单片机作为设计核心,通过软件LCD1602实时地自动显示温度传感器通过DHT11等温度检测器得到的温度数值，阀值数据可以通过软件at24c02存储，实现实时断电数据保存。过阀驱动相应的是由报警电路驱动。本技术研究中心设计的空气温湿度补偿控制器软件框图结构如软件图1所示图1空气质量监控系统主方框图1.2系统主要器件选择1.1.1单片机的选择方案一:STM32系列的单片机是一款不管是功能还是性价比方面都很好的，也是大部分专业人士所喜欢的。它基于一个名为ARMCortex-M的架构内核,专为那些可能需要快速实现各种高性能,低成本和低功耗的大型智能嵌入式应用而设的量身定制设计。它拥有一流的外设，它在功耗和集成方面也具有不错的性能。特点:1..核心:arm32-bitcortex-m3cpu,最大一个硬件周期工作频率72mhz,单位为硬件运行周期工作频率函数乘法,硬件工作周期频率除法。1.内存:片上还安装有一个集成32-512kb的高速闪存。6-64kb的硬盘内存和4sramr的硬盘内存。3,时钟,复位,电源管理:通过时钟电源,i/o三个控制接口同时进行驱动一个有源时钟电压。por、pdr和一个独立可编程的高直流电压和低电流驱动检测器(pvd)。4-16mhz晶体振荡器。出厂前已成功测试校准一个小型嵌入式8mhzrc振荡电路。内部电路具有一个频率振荡范围大约为40khz的s-rc振荡电路。cpu两个自动时钟分别用于进行开锁和互相环。32千赫晶体振荡器,带有频率rrtcr和相位自动校准。4.支持音频信号调试模式:系统支持音频串行模拟音频信号调试(swd)和串行iijtag音频调试两种接口。方案二：stc51系列单片机。最早是英特尔推出的。结构非常的典型，总线非常的完善，所以经常用于那种专门寄存器的集中管理和很多的总线的一个逻辑位移等指令系统。有利于了以后的各类型单片机的发展。51单片机为什么变得这么好用呢，原因如下:1、它有一个处理器，是一个从内部硬件到软件的一个逐位操作系统。它可以通过传送、置位或者清除等一些功能处理一些寄存器，并且他的对象是位不是字或字节。它的功能非常齐全，使用方便。1.同时在片内RAM段专门开了一个双功能地址段，使用起来极其灵活。这个功能无疑为用户提供了极大的便利。3.乘除这个指令,给很多编程人员带来方便。许多8位元的微控制器本身没有数位乘法运算功能,因此在应用做数位乘法时需要编译一个数位子程序进行调用非常不方便。比较这两种芯片方案,因为我在校期间分别学习过数字电路、单片上电机工作原理、c编程语言以及编程,综合性地考虑了使用单片机各组成部分的硬件资源和在校学生之间所能同时获得的技术资源,经过比较并按设计师的要求,我最终选择了要使用stc等一系列新的芯片方案来设计完成。而且,学校还为其提供了一个相应的专业硬件课程操作学习平台,在实践中硬件操作学习起来更加方便,因此,stc都是更合理的学习选择。本控制系统主要选用stc89c52单片机作为系统主控控制芯片。这种软件设计直接运行就已经足够了,而且不仅价格便宜,下载应用程序也很方便。1.1.2传感器的选择1)温湿度方案一:只需选择数字dds18b20温度传感器监控模块即可作为监控主机进行温度自动控制监测温度控制系统模块。ds18b20是一个基于线的点和点非线性的微型无线数字温度传感器。他们也都拥有自己独特的射频单线通信接口。方案2:选择DHT11作为设计的温湿度检测模块。DHT11是一个集成的数字温度和湿度集成传感器。它主要产品设计部分应用了专门的各种类型数字化和各种模块化的温度信号处理数据采集器和处理控制技术及各种数字化和温湿度参数测量量的传感器和控制处理技术,确保了该类系列产品在温度测量量和温湿度参数传感控制方面始终能够同时具备极高的数据测量精度可靠性和卓越的长期稳定。这种温度传感器由小型数位电阻式温湿度自动控制元件和ntc两种模式电阻温度控制处理元件直接串联组成,并与一个高性能8位的温控单片随机信号交换器直接连接。所以这种空气系列产品在国内外空气产品开发市场上就已经充分切实表现和突出了它在技术品质上的具有重大突破、超快的产品市场活动响应、抵抗各种外界空气干扰的环境防御能力好、性价比很高等几大主要特点。测量范围内的温度范围为20%~90%RH，0℃~50℃。其中就是测温度的精度额定值一般为-\+2℃,测湿度的精度额定值一般为-\+5%RH。完全很好地满足了本次毕业设计的实际需要。经上述的分析,方案一尽管其精度较为准确。而又略微明显重大复杂。方案2即使方案1不能实现高精度测量。却又无法完全满足所需要的设计。而且简单快捷。系统的可靠和稳定。而且拥有超高的品质和性价比。故在此时选取方案二。MH-Z14A二氧化碳传感器的概述mh-z14a通用二氧化碳检测气体质量传感器(以下具体简称二碳传感器)是它是一种国际通用的智能型小型气体传感器,它主要利用非色散的近红外(ndir)检测原理可以检测不同空气环境中的氧碳co2,具有良好的化学选择性和无氧化的依赖性,寿命长。内置电源温度自动补偿;同时它还具有多种数字信号输出、模拟输出及pwm三种输出,方便使用。这个传感器能够把气体检测，光路设计与电路设计和在了一体。如图2图2MH-Z14A二氧化碳气体传感器气室散热面板表层采用高级双层镀金薄膜镀层氧化处理，防水又同时耐防潮和腐蚀；电器具有相对高灵敏度、低耗电和高功耗优异的输出温度控制稳定性；电池采用输出温度自动线性补偿，卓越的输出温度自动线性控制信号进入输出;电池可以同时提供多种串口、模拟、多种温度波形等多种信号输出温度控制实现方式;确保电池容量使用寿命长；同时可有效对抗各种外界电解水汽源的电磁干扰、不受外界电解水中毒。校准零点锁定功能:为了更加方便帮助用户锁定校准零点,传感器还具有三种零点的校准操作方式：手动锁定校准零点、命令锁定校准零点和自动锁定校准零点。零点相位校准这些功能都主要是用于指零点校准400ppm。手动校准零点：手动高低电压实时校准零点的方法就是将手动电压校准传感器的一个HD引脚进行增加一个输入端的电压并达到一个固定低电平(0V)之后后再进行手动电压校准，低电平手动校准一般需要手动电压持续7秒以上。在我们开始进行校准零点之前，请务必首先确保每个浓度传感器在400ppml的最高浓度下稳定连续工作运行20分钟以上。自动校准功能:自动零点校准仪的功能主要是广泛指可在传感器连续工作运行稳定一段时间后，根据周围环境气体浓度变化智能自动判断零点并自行自动校准。校准工作周期一般是从启动上述供电系统运行开始起每24小时自动进行校准一次。自动长度校准的零点长度是400ppm。自动温度校零器的功能非常适合于应用于各种办公室外环境,家庭环境。但是，它不仅的适合广泛用于各种农业用的温室，农场，冷库等工业场所。在这种情况地方，应及时关闭自动零点温度校准器的功能。关闭后,要求系统用户定期自动检测每个传感器的零点，命令自动调零或必要时可以手动关闭调零。粉尘传感器的选择粉尘颗粒浓度测量检测仪的一个核心部件为它是一个粉尘浓度传感器[10]。它的类型选择直接性的影响关系到了你测量程的数值大小以及如何测量实验结果的准确度等程度。考虑到它与多个单片硅电机一起同时工作,也非常有必要对每个电源输出电压的进入输出电路保持谨慎。本系统设计主要采用夏普公司的gp2y1010au0f小型粉尘颗粒浓度测量传感器。如图3图3SHARPGP2Y1010AU0F粉尘浓度传感器4)甲醛模组ZE08-CH2O1、产品描述ze08-ch2o通用电化学材料甲醛聚合模块图这是一种相对通用和小型化的甲醛模块。利用分子电化学检测原理成功实现了针对空气中气体储存的1och2o3等物质可以进行化学检测,具有很高的化学选择性,稳定性高等级。内置温度传感器，可轻松实现对车内温度的自动补偿;同时还分别具备了具有数字插入输出和具有模拟输入电压的两种输入,方便于实际使用。设计开发生产和研制造出并开发生产出的各种新型通用式电子气体化学检验电路模组。如图4图4甲醛模组ZE08-CH2O2、模组特点高精度、高分辨率、低功耗、使用寿命长,提供数字uart、模拟进出输入温度电压模拟温度输出信号、pwm模拟温度电压波形等多种温度电压输出信号控制显示方式,高稳定性,优异的化学耐温度和化学耐热腐蚀和超高温度化学抗干扰能力,自动实现温度电压变化自动补偿出色的非接触式温度线性信号输出1.1.3显示器选择方案方案一:该机内部采用12864液晶电视组合显示屏。液晶汉字显示软件模组为128×64点阵显示英文字体汉字作为比较图形化的一种液晶汉字显示软件模组,可同时自动显示多种英文汉字和多个英文字体图形,内置8192个字符点阵英文汉字(16x16点阵)和128个字符(8x16点阵)。和64x256点阵一样可以同时显示一个ram(gdram)。它同时它也就是可以与它的i,cpu直接地互相连接它集成一个网络接口,提供两种不同接口面向两种用户界面的模拟网络连接接口实现解决方式,也许它可以看作是直接用来同时在线并行连接一台32位两个数字模拟微处理机:8-位的两个数字模拟接口并行和16位两个数字模拟串行两种不同的网络接口可以进行网络连接。它还同时拥有多种特殊的显示功能:其中包括彩色光标自动显示、画面快速转动、睡眠状态模型等。方案二：采用LCD1602液晶显示屏。LCD1602A是一种工业字符液晶，可以同时显示16x02或32个字符。（16列2行）。但是只能显示字母、数字和符号。显示效果简单。总结:在系统编程和综合使用各种技术软件方面,二者的工作难度一般差不多,原理一般差不多,都主要用途是用于写进程命令、编进程地址、编进程数据等。当然12864液晶屏不仅仅是可以直接让你的字符量显示得更加全面,字符量也同样可以变得更大。与1602液晶大尺寸屏幕、12864能够更加形象具体准确地直接自动实现企业所有人员都需要的各种信息综合显示。尽管1602液晶电视显示器已经可以直接满足这一基本设计要求。网上商店进行购物其实可以做到买得比较廉价,最低廉的价格大概可以在六块五毛一分钱左右。而12864液晶电视上的显示屏最便宜的也至少也只仅仅需要四十块甚至一毛钱。在汽车造价上的这个角度上再来进行考虑,当然还是更应该以那些价格低廉的车为首。而lalcd1602a是最好的选择。1.3系统硬件电路设计1.3.1最小系统原理图单片机最小功率控制电路系统主要由四个电源接口,开关,时钟控制电路,下载控制接口,复位控制电路及STC89c52单片发电机组如图5图5单片机最小系统原理图复位运算电路:1)例如,就算切断89c51单片机的一个rst引脚输出后达到一个高电平并且能够继续一直保持一个周期2个相同工作量的机器时，单片的电机内部才可以开始继续执行一个自动复位循环运算电路操作，一般采用两种工作方式就是上级供电自动循环复位和下电按钮自动循环复位。最简单的一种是上功率或下功率自动模拟复位控制电路，外部自动复位控制电路使复位电容器通过充电和放电电流的方法自动完成是通过上功率或下功率自动控制复位的电路之一。只要vcc的自动上升时间不超过1ms或超过1ms，就可以正常进行自动上升放电复位。除了有时需要手动断电复位之外，有时它还可能根据实际需要按下复位按钮来手动断电复位。本次全新设计即使最常用的一个移动按键无需移动即可手工进行复位。按键手动脉冲复位主要方法分为手动电平式和手动脉冲复位方法两种。由于输出rst(9)端与进入输出电源线的额定电源电流vcc之间没有接通导致额定电源水平电压复位。手动开关复位装置的电路结构如下图6所示。使用12mhz时钟，时钟设备的频率为c为10uf，R为10k。图6手动复位电路图时钟电路：STC89C52RC微控制器的通常以两种方式产生:一种是通过外部内模式，另一种是通过内部模式。89s51单片机内部还分别设有一个振荡电路。只要一个主控单片机的引脚板在xtal1(18)和它的引脚xtal2(19)引脚之间需要外接一个新的石英晶体(以下本文简称晶体振荡器)，就已经可以直接构成一个新的自激时钟脉冲振荡器,在整个主控单片的驱动电机内部自动不断产生时钟脉冲输出控制器的信号。图7中所示稳压电容器受控电阻电路c1和受控电容电阻c2的主要工作功能分别主要是通过控制振动频率滤波振动稳定和谐振滤波频率振动快慢。电容电阻值为5~30pf，典型电阻值为30pf。图7振荡电路图下载软件接口：可编程(ISP)这个基本特性是stc89c52系列每台单片机都必须具有的，ISP的最大一个优点之处也就在于:我们不仅可以为它省去了额外花费时间购买一台非常通用操作主机的可编程器,单片机在自己的一个主机用户程序操作系统上立即的就有了可以自动对它进行直接的的下载/自动安装的并烧录自己的一个主机用户程序，而我们无论何必将一台单片机从已经进行开发和设计生产好的一个单片的主机中直接拆下,再用一台非常通用的主机编程器将一个应用程序的源代码直接进行烧录并将其安装在一个单片的主机内部。有些基于应用程序尚未开始设计和完成定型的技术产品组却能够一边持续开发和批量生产，一边持续改进和不断完善，加快了这类技术产品已被推向市场的发展步伐，减小了这类新技术产品因为软件缺陷而可能带来的生产成本和技术风险。系统主机中可以将一个应用程序或者移动设备上的一个单片从主机中进行下载是由于该仿真模块用户可以直接在特定用户的一个目标操作，看看其运行试验结果的对与否，故用户无必要再使用软件仿真。当一个单片的随机信号发射器开始出厂的这个时候就已经被完全自动加密了。这种电机操作系统情况一般都是需要经过一个制冷微型单片机的硅片对电机内部一个小的电子放光电路进行放光后通过连接网络上网后再通过一个电子下载电路启动进行命令下载电流复位之后系统才能正常合法下载运行整个电机操作系统及其中的所有isp这个用户程序,例如从新的isp3.0/rxd中没有启动检测使用到的功能启动得到合法下载执行命令下载电流复位设置命令的下载电流就重新开始启动合法下载整个操作系统中的用户程序,没有检测得到找不到就系统会自动使整个操作系统重新启动复位至整个用程序下载地块。具体操作方式步骤如图8所示:图8下载接口电路图1.3.2蜂鸣器驱动原理图蜂鸣器的工作电源驱动正极一般是指直接在一个驱动电源的另一负极上,根据每一个电源单片机的工作电流不同特点,并且不够大只能直接用来驱动一个蜂鸣器。所具备两个输出饱和特点的三极晶体管，利用了两个三极晶体管的两个输出具有饱和、截止等两个输出饱和特点而把它们的组合并整合了在一起来从而直接构成一个开关电路。p20为电极高电平时其其基极与集线器电极之间的反向逆转相对偏置,不导致全通。电路可以运行,蜂鸣器也可以运行,单片机仅仅运行这是因为我们需要一个分别能够同时吸收娇小开关电路的输入和输出和电流的电路驱动控制装置。如图9图9蜂鸣器驱动原理图在这种仪器设计中,使用了一个自激式的蜂鸣器。当灰尘的含量浓度已经大于系统设定值时,蜂鸣器系统会自动发出噪声警报。自激式的蜂鸣器由直流输入电压信号驱动,不一定需要由任何交流输入信号电压驱动。将一个驱动放大电流水平放大输出连接到一个驱动端口并通过驱动放大输出电路驱动电流以使驱动蜂鸣器发出声音，这非常简单。报警电路如图10所示。图10声光报警电路图1.3.3甲醛模组原理图每个信号交换器节点和每个甲醛数据采集处理模块与每个专用单片机之间的信号数据交换必须保证是单向的，只要您需要一个甲醛采集模块同时向一个点发送信号给MCU用户，就可以轻松完成。因为单片机只根据内部信号处理自动接受用户数据，不向用户主机发送任何信号。故而把一个小型甲醛危害检测模组的小型化和数据输入读出接口输入引脚通过一个连接接口安装到一台小型单片式计算主机上的一个小型化的数据输入读出接口输入引脚中。见图11图11甲醛模组原理图1.3.4DHT11传感器模块电路设计将整个stc89c51系列智能单片与DHT11传感器连接起来还是不难的。同时进行一个串行串口发送数据信号,也是说就是一个数据输出口是可以直接用单片机的P1.0口接器。由于一个测量精度范围内的电路长度小于20米,建议先增加一个5k的上拉电阻,因此在一个传感器的总线pin2口与开关电源之间需要连接一个5k上拉电阻。而温度传感器的输入电源输出端口电路pin1和端口pin4分别同时接口于单片机的vdd和gnd端。传感器的第三脚可以悬浮也可放置。原始dht11传感器的集成电路设计原理及框图结构如下图12所示:图12DHT11电路原理图1.3.5粉尘传感器灰尘粒子对光线具有很强反射性的作用。空气中含有浮尘越多,对光的光线反射越大效果就越强。当红色紫外线源在发光电子二极管上所发射的红外光谱线强度一定时,光电电子晶体管激光接收器受到的红外光越强,说明对于粉尘的激光反射催化作用越强,那么说明粉尘反射浓度越大,粉尘传感器的引脚连接见图13。图13粉尘传感器的引脚连接1.3.6LCD1602原理图1602LCD采用标准16脚带背光接口。VL是液晶显示器的对比度调节端子。电源连接时对比度最弱，接地时对比度最高。作为输出指令字节。验证时一般都会要求每个有源外接线头都插上一个拉线电阻。见图14图14LCD1602原理图1.3.7继电器模块电磁自动滤波继电器一般可以认为由它发出电磁波的铁芯、线圈、连接磁铁、触点或发出电磁波的簧片等主要继电部件综合组成。只要在两个连接振动电机中枢的振动弹簧螺丝线圈两端附近分别施加一定的励磁感应电压，线圈就可以有这个机会产生一定的励磁电流，这样就可以产生相应的弹簧电磁回位效应的线圈，连接带铁可以有这个机会，在弹簧相应的电磁力场和吸引力的作用下，将电磁返回和弹簧的电磁拉力吸引到连接铁芯上，从而，原本与铁带相连的铁心动接触面两点与铁心静接触面两点相互振动吸引。所以当两个电磁铁和线圈弹簧开始逐渐停止连续性的供电后,电磁波的相互作用吸收力也就有可能会随之逐渐开始减弱或者随之逐渐消失,衔接的电磁线圈铁就是说它可能会在两个电磁铁和弹簧的相互作用逆转和互相作用电磁力场的相互回归中重新找到原来的由动触发触点位置,使原来的由动受点触发的连接点和原来静触点相互作用释放。为了能够完完全全实现多条导线能同时接通、切断，我才可以让多条导线一起吸收闭合和释放在这个整体微机集成电路控制系统。为了区别静态继电器的各种“常开常闭”的触点，通常都是这样做：即当各种继电器的一个电源连接线圈不能正常进行通电时,“常开触点”会连续连续不能闭合或不能停止的一个接通状态；"常闭触点"则是会处于连续不能正常接通的连续停止闭合状态下。如果想要交流电低压自动断电控制和直流电高压自动控制操纵，这时继电器就得需要具有两股自动控制电路。一个PNP型的三极管是在电路设计中作为阀门使开关继电器驱动实验室进行开关驱动,当这个阀门的值设定大于这个设定时,单片机就直接会由一个新的高电平不断跳