【《基于单片机的环境参数监测系统设计》14000字（论文）】

页共33页1绪论近几年来，随着现代社会生活的巨大变革、科技的不断发展，人们对环境状况的调控要求越来越高，已经不再是简单的天气预报和温度测量，而更需要精确的知道各类环境参数值，以此来指导生产生活，提高人们的生活质量和工作效率，也在很大程度上降低了自然灾害的恶劣影响。环境参数的监测已成为如今科技发展的一大重要课题。1.1研究背景在当今社会中，随着科学技术的迅猛发展，各个行业也随之快速发展和变革。整个现代社会都产生了巨大的变化。人们的生活更加便捷，更加追求效率，也更依托于科学技术的进步。然而，在社会快速变化的同时，也提出了新的问题，需要去研究和解决，其中最需要关注的是环境监测问题，这与人们的生活息息相关。不同的环境会带来不同的影响，炎热或寒冷的天气不仅损害人们的身体健康，也对农业、工业生产过程造成一定消极影响，因此我们需要提前了解天气状况和环境状况。日常生活可以中应用的天气预报，虽然可以提前预知天气状况，但无法准确的知道温湿度、大气压强、光照强度等准确的环境参数，也无法获得小范围内生活场所的环境状况，如家居环境、农业大棚。因此，就提出了可移动装置、可获得准确环境参数、可提示不良环境状况的新型环境监测系统研究要求。1.2研究目的与意义对于环境监测系统的研究，其最终目标是制作出高灵敏度、高准确度，具有可移动性和可操作性的环境参数实时监测系统，帮助我们实现最佳的宜居环境和最优良的农业、工业生产场所，将其广泛应用于以下场景：（1）农业环境我国的传统农业生产模式是单纯依靠种植者预测天气状况，并凭借主观经验来做出判断，具有不科学性，难以实现高效率、可持续的农业生产工作。在农作物培育过程中，最重要的环境因素有：温湿度、光照强度、大气压强、土壤酸碱度等，这些因素决定了农作物生长的状况以及农业生产的产量与质量。因此，种植者很有必要提前知道相对准确的环境参数值，以做出预防措施，及时调节环境，使农作物始终处于最适宜生长的环境中。应用于农业田间环境、大棚环境中的环境参数监测系统可以采集到当前农作物生长环境固定范围内的各项环境参数，实时显示到用户终端，实现全天24小时无人监测，使种植者能够随时了解到环境的变化，提高了农作物培育、生产过程的效率，为农作物生长发育提供了精确的一手资料，准确指导了培育过程，使农业生产科学化，改变了以往仅凭经验的盲目性，并且在很大程度上避免了恶劣气象条件对农作物生长的破坏性影响，给种植者预留了采取保护措施的时间，降低了自然灾害带来的损失，推动了现代农业的发展进程。（2）工业生产环境随着数字化经济的快速发展，传统工业生产行业面临着智能化的转型升级。以往单纯依靠人工监测的模式已难以适应生产速度极快的工业生产进程，也难以监测到未知的隐患。因此亟需配套的智能化监测设备来代替人工进行更高效率的监测，实现适宜不同种类工业产品的最优生产场所，最大程度的降低安全隐患。另一方面，随着我国工业行业的迅速发展，各类企业在大力生产的过程中存在着污染环境的现象，破坏了生产环境，损伤了周围居民的身体健康，带来不可挽回的损失。因此，需要采用智能化、可连续工作并提供准确数据的环境监测设备，应用于生产车间、机房、工业废料处理场等工业生产场所中，弥补以往管理工作中的不足，提高环境监测能力，改善环境污染问题，帮助企业解决一系列环境问题。（3）家庭环境随着社会发展的进步，人们对生活质量的要求越来越高，其中最需要得到满足的是一个舒适的家居环境。如今科学技术迅速发展，科学知识也广泛普及开来，人们的整体素质大幅提高，大部分人都形成了健康生活的理念，在日常生活中的方方面面都比较注重对身体健康的影响，其中尤其重要的便是家居环境。家居环境是每个人主要的生活环境，是人们最关心也最重视的场所。以往人们追求干净、整洁、温暖的环境条件，如今渐渐加强了对各项环境因素的调控，比如室内空气质量、湿度、光照强度等等，这些也都与人们的健康息息相关。另外，也需要知道室内环境是否有害健康，如产生毒烟雾、液化气泄露等。因此，在家居环境中需要一个可移动性的环境参数监测系统设备，来进行实时监控，一方面监测温湿度、光照强度、空气质量等是否为适宜生活的环境条件，一方面避免有害气体和烟雾对人们的健康造成伤害。并且具有可移动性，可操作性的设备，方便人们使用，实现全天无人监控，密切关注室内环境的变化，提醒人们调整室内环境状况，使生活更加智能化、便捷化，也极大的满足了人们对舒适生活环境的需求，极大的推动了现代化智能家居的发展进程。1.3国内外研究状况（1）国内发展现状我国研究环境监测系统的起步较晚，就温室控制技术而言，始于20世纪80年代，那时生产水平不高，技术设备比较落后，对环境监测的研究能力有限，更多的需要从国外引进相关设备，再加上研究经费太高，对使用者的素质要求较高，因此大规模推广使用很难实现。在吸收、借鉴国外先进技术的基础上，我国研究环境监测的相关工程人员逐渐掌握了这种技术。随后，从欧美等国家引进的连栋温室，把原有的独立单间温室，用科学的手段、合理的设计、优秀的材料将原有的独立单间模式温室连起来，连栋温室是温室的一种升级存在。在当时，工程人员只盲目关注温室设备，对温室管理、栽培技术的挖掘、研究和开发没有给予足够的重视，再加上设备能耗高，管理不善，最终导致企业亏损，甚至倒闭。前车之鉴，“九五”初期，我国又从以色列进口温室技术供相关的工程技术人员学习和使用，并在北京建立示范农场。从90年代中后期开始，我国开始自主研制环境控制系统，钻研温室栽培和管理等技术，温室大棚不仅数量增加，而且相关配套设施和材料的质量也有所提升。1995年以后，我国相继研发了温室环境计算机监控系统、工控机管理系统、智能温室系统、和蔬菜大棚监控系统等一列环境监控系统，在温室控制技术上，我国取得了不少成果。（2）国外发展现状国外对于环境监测技术的研究较早，就温室控制而言，始于20世纪70年代，历经四十多年的发展，环境监测技术日新月异，研制自动化、微型化、无人化的智能监测控制系统成为各国追求的目标。在日本，凭借其先进的计算机技术，将各种植物生长发育不同阶段所需要的环境因素编写成计算机程序，对温室环境因素进行相应的调节，当某一因素发生变化时（如光照），在计算机的控制之下其他因素（如湿度、温度、CO2浓度等）随之作出适当的修正或调整，始终保持各个环境因素为最佳配合状态，另外，为实现播种、浇灌、喷药等作业的自动化，日本还研制了蔬菜塑料大棚。在荷兰，花卉生产技术非常先进，借助计算机系统对玻璃温室进行精确控制。由英国伦敦大学农学院发明的温室计算机遥控技术实现了远程监控和控制，可以监测和遥控50km以外温室的温度、湿度、光照和CO2浓度等影响作物生长的环境因素。在蔬菜、花卉等农作物的生长和发育阶段，美国和荷兰还利用差温管理技术对其进行控制，生产出了适合社会需求的产品。韩国在温室安装的自动控制装置可以控制温室的光照等环境因子，但其表现并不尽如人意，人们往往需要依据经验才能实现控制。在现代科技农业的发展过程中，以色列走在了世界的前列，它拥有一体化智能温室控制系统，配套监控系统软件平台及其他先进设备，使其有限的农业资源得到充分发挥。当前，节约能源、降低成本成为国外发展温室控制的重要目标，对设备的自动化提出更高要求，控制因子由调控单因子转向多因素综合调控。1.4研究的主要内容本文致力于对无线环境参数监测系统进行研究、设计与实现。内容主要包括系统硬件的设计与软件的开发，重点分析了硬件的搭建过程以及主要模块的软硬件设计。本设计前端数据采集模块采用DHT11温湿度传感器、ADC0832光照采集模块、BMP180大气压强模块，进行温湿度、光照强度、大气压强数据的采集、转化，并将数据传送给STC89C52处理器，然后处理器将处理过的数据通过HC06蓝牙模块发送给终端用户,并且当相关数值超过设定好的最高值后，启动报警模块进行报警。本文共分为六章，对各个章节具体内容安排如下：第一章：绪论。简要阐述了环境参数监测系统的研究背景和意义，以及环境参数监测系统的国内外研究现状。第二章：总体方案设计。针对于大量资料的查询与考察，确定了环境参数监测系统的总体设计方案。针对于元器件库的比对完成了相关元器件的选型，具体阐述了系统总体方案架构。第三章：主要器件功能介绍。对系统中使用到的主要传感器、蓝牙模块进行原理介绍及功能介绍。第四章：系统的硬件设计与实现。首先对系统硬件的总体搭建做了详细的叙述，再针对各个模块阐明其实现的功能以及电路特性。系统总共分为三个模块：采集模块完成环境环境参数的检测、传输模块完成采集数据的传输、控制模块完成数据的处理显示和报警功能。最后根据整体机构的设计，对环境信息进行采集、数据传输以及对超限的值发出报警提示，完成硬件电路设计。第五章：系统的软件设计与实现。在硬件模块搭建成功的基础上，依然划分模块完成软件系统的设计。首先是对各模块进行初始化操作，然后根据各个模块间的相互联系和各自需要完成的功能，进行软件程序代码的编程，本文中以流程图展示的形式对编程思想进行详细的阐述。第六章：系统调试。进行系统的整体调试，验证该系统的可行性。2方案对比与论证2.1系统总体方案设计基于单片机的环境参数监测系统设计与实现的课题研究，确定其总体方案。首先为了准确采集环境参数，设置了多个传感器：温湿度传感器、光照强度传感器、大气压强传感器，通过传感器精准检测环境参数。为了减少硬件电路中布线的麻烦、降低信息传输中外加信号的干扰，该系统采用无线传输模块，使用蓝牙模块进行传输，将实时数据传输给用户终端，显示在用户手机上，并且在LCD液晶屏上进行清晰直观的显示。另外，系统接收到传输的采集数据后，对采集数据进行判断，分析是否超过了提前设置的规定范围，若超出则系统进行报警提示，完成一定范围内环境参数的监测和控制。其系统总体方案如图2.1所示环境参数监测系统环境参数监测系统采集系统传输系统显示系统采集系统传输系统显示系统实时采集数据储存数据传输蓝牙传输终端显示液晶显示实时采集数据储存数据传输蓝牙传输终端显示液晶显示图2.1系统总体方案图2.2单片机的选择方案一：采用AT89C51芯片作为硬件核心。采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间，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STC89C52芯片作为硬件核心。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。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。在本次的环境参数监测系统设计中，首先要考虑是对功能的完善。其次本次设计将广泛应用于居家生活或农业生产中，一定要有较高的安全性和稳定性，也要考虑用户使用过程中，后期维护的环节。所以我在综合两种方案的优缺点之后我们选择方案二来进行设计，在保证性能安全的前提下，降低成本，最简化实现应用。2.3显示模块的选择方案一：LED数码管显示LED数码管是一种由LED发光二极管组成的显示器件。按使用方法其分为共阳和共阴两种，按位数分为一位一体、两位一体和四位一体等，其内部使用了8个LED灯，其中有7个段码，和一个小数点位。所以，数码管又经常称之为八段发光二极管数码显示器。LED数码管的显示有两种，分为静态显示和动态显示，当显示简单，只需要显示一个字符时的时候，通常使用静态显示，当需要显示多个字符时，通常使用动态显示。动态显示时，使用单片机的IO口循环扫描，节约IO口[5]。方案二：LCD1602显示LCD1602液晶显示屏在毕业设计中是经常使用的显示屏，根据其显示的内容量分为3种，一种是一行显示16个字符，一种是2行16个字符、另一种是2行20个字符等等，其中2行显示16个字符的是最经常使用的。其具有功耗很低，体积比较小，所显示的内容较丰富等特点，其中在低功耗的应用系统和仪器仪表中得到了广泛的应用。方案三：LCD5110显示LCD5110是一种可以显示汉字的小型显示屏，其一共可以显示4行汉字或者显示8行字符，整个屏幕由84x48个LED组成，LCD5110液晶屏采用了串行口与单片机进行通信，显示屏与单片机的接口线数量大大减少，包括电源正极和负极在内的接口线只有9条，大大减少了单片机的IO口的使用数量。LCD5110显示屏支持多种通信协议，包括串行通信协议，SPI通信协议，通信速率可以达到达4Mbps，显示数据的速度非常快，没有延迟时间。由于本设计要显示的内容较多，所以方案一排除，又因为方案二与方案三相比，方案二经济实惠，控制方法简单，因此在本设计中选择方案二。2.4通信模块的选择方案一：蓝牙通讯模块蓝牙通讯是一种无线技术标准，可以在局域网内实现固定设备和移动设备之间的无线通信技术，其诞生于1994年，代替了传统有线的通讯方式，节省了布线的烦恼。蓝牙通信可实现多台设备之间数据交换，其信号稳定性强，抗干扰性高。目前蓝牙技术拥有一套之间专利网络，有着独立的通信协议，其广泛应用在手机、电脑、消费电子等众多领域。方案二：WiFi通信模块WiFi通讯最近流行的一种无线局域网通信技术，其采用IEEE802.11标准，使各种携带WiFi功能的设备能够在WLAN范围内实现互联互通，其安全性高，可通过设置密码保证无线数据的安全性。同时WiFi通信可实现远程通信，通过外网IP，可使设备接入互联网。但是其开始难度大，成本高，其主要用在综合性强，复杂程度高的整套无线通信体系中，不适合单个无线通讯。方案三：24L01通信模块24L01通信模块是采用2.4GHZ通信频段的一种无线通信技术，由于其频率高，其信号传输能力强，在空旷地带传输距离可达200米。其可实现两台同时携带2.4G通信设备的无线通信，是实现数据收发双向传输能力，其通信协议比较复杂，编程难度大，其主要用在飞行器、遥控器等移动电子设备上。在本系统中，由于基于手机与设备通信，因此方案三排除，蓝牙通信与WiFi通信相比，蓝牙传输过程简单，且可以达到设计要求，因此在本设计中采用方案一蓝牙模块作为无线通信方案。2.5温湿度传感器的选择方案一：电阻式温湿度传感器电阻式湿度传感器是根据传感器表面的湿度不同，根据在不同湿度环境下，传感器表面的导电性会不同，从而导致传感器的阻值不同。然后再通过一个A/D转换器，将阻值变化而产生的电压变化进行采集。将电压模拟量量化为数字量给单片机进行处理。单片机根据电压值和湿度值的比例关系进行换算，最后得出湿度值。方案二：数字型温湿度传感器数字型湿度传感器内部采用了湿度感应元件，并且集成了数据处理电路，可以直接输出数字信号给单片机进行处理，常见的有DHT11、DHT12型号等。此方案中单片机需要通过传感器的驱动函数，与传感器进行通信，就可以测出湿度传感器的表面湿度。由于数字湿度传感器采用串行通讯，只有一个数据口与单片机连接，占用单片的IO口资源相对较少[4]。综上所述，方案一只有在水的情况下才能检测湿度，且测量不高，而方案二可以直接检测空气的湿度，测量速度快，精度高，适合在本设计中使用。因此本设计的温湿度测量方案上采用方案二的数字型温湿度传感器DHT11。2.6光照强度传感器的选择系统要求采集环境内实时光照强度，并有一定的精确度，光照采集模块有下列两种方案：方案一：采用光敏电阻及相关的外围电路，设计成的自制光照采集模块，用于采集环境光照信息。使用光敏电阻的电路结构简单、实时性高、成本低，但是一般的光敏电阻精确度较低，难以达到课题的要求。方案二：采用光照传感器ADC0832采集环境的光照信息。使用光照传感器ADC0832的电路结构简单、实时性好、成本较低，灵敏度高、电流随光照度增强呈线性变化，采集精确度高，光照传感器ADC0832符合课题要求，故采用该方案。2.7大气压强传感器的选择系统要求采集环境内实时大气压强数据，并且实时反映环境内的空气质量，该类传感器有下列两种方案：方案一：BMP085大气压强传感器，它作为新一代高精度气压传感器与SMD500的功能和引脚是完全兼容的。它是基于压阻效应技术的，具有稳定的电磁兼容性、高精度、线性性、不变性，具有2个IC总线接口。BMP085在低的高度噪声快速转换的情况下，表现很好。方案二：BMP180大气压强传感器，其工作电压为1.8v~3.6v，典型工作电压为2.5v。不仅可以实时的测量大气压力，还能测量实时温度。同时它还具有IIC总线的接口，便于单片机进行访问。另外它的使用也很方便，不需要太多的操作就可读取到气压及测量数据。大气压强传感器BMP180符合课题要求，故采用该方案。3. 系统的硬件设计与实现整个环境监测系统的主要载体是硬件模块，考虑到系统的稳定持续运行，在这个过程中需特别关注硬件电路设计以及硬件电路所需元器件的选型，增强系统中环境监测的可靠性和精准性。在其硬件系统应用的环境中，硬件电路各个元器件的性能指标是系统高效稳定运行的关键。在该系统中，硬件部分主要有采集模块、传输模块、显示和报警模块。采集模块是由温湿度传感器、光照强度传感器和大气压器传感器组成，各路传感器实时、准确测量环境中各类参数；传输模块即为蓝牙模块，完成各路传感器与系统中心的交互工作；其硬件总体方案如图3.1所示。DHT11温湿度传感器单片机STC89C52DHT11温湿度传感器单片机STC89C52单片机STC89C52无线传输无线传输无线传输无线传输ADC0832光照强度传感器LCD显示模块ADC0832光照强度传感器LCD显示模块BMP180大气压强传感器BMP180大气压强传感器图3.1系统硬件总体方案图3.1采集模块的设计与实现环境参数监测系统中主要采用三种传感器，这几个传感器的主要任务是实时获取各项环境参数，如温湿度、光照强度、大气压强，并将采集到的数据进行处理和传输，实现环境监测的精准化和智能化。环境状况中最重要的一个因素是温湿度，也是最影响人们生产和生活的一个因素。另外，光照强度和大气压强等环境因素之间相互关联，共同影响着环境状况，本系统也采集了光照强度和大气压器的数据，显示了光照和空气的质量，提供了综合性的参考。结合对传感器的工作性能的考虑，如：工作电压、运行稳定性、运行速度、可供电时长等，选择的传感器主要是温湿度传感器DHT11、光照强度传感器ADC0832、大气压强传感器BMP180。3.1.1温湿度传感器DHT11是一种数字型湿度传感器，其内部具有感湿元件和数据处理芯片，传感器内部可自动实现湿度测量，并将湿度值转换成二进制的数据进行输出。其可以直接与单片机通讯，通讯方式采用单总线通讯协议，通过一根数据线与单片机连接，当单片机需要获取湿度数据时，通过此数据线建立通讯时序，然后按照一定的通讯协议完成湿度数据的采集。DHT11湿度传感器的湿度测量精度在+-5%RH，湿度测量范围在20-90%RH，其测量精度高，稳定性强，测量速度快，功耗低，体积小，其可以在用在多种场合进行湿度测量[8]。DHT11湿度传感器对采集的湿度数据可以可实现自动校准，当测量出现误差或错误时，可自动排除，以防止测量的精准度，同时其具备长期不断电工作的能力。DHT11内部是通过一个精密的感湿电阻对湿度进行测量，其阻值会随着湿度的变化而变化；其内部还有一个具备模数转换和数据处理功能的单片机，此单片机主要负责将感湿电阻的模拟量转化成数字量，并经过数据处理之后转化成湿度值，存储在指定寄存器中，等待外部单片机的读取[9]。DHT11湿度传感器体积小，通过4跟引脚引出，其中包括一对电源引脚和一个数据引脚，此数据引脚通过单总线的方式与单片机连接，在正常环境下，其最远传输距离可达20米。DHT11湿度传感器的感湿元件被封装在一个塑胶壳中，其在生出来进入市场之前，要先对其测量的准确性进行检测，主要包括零点校准，就是将其放置在一个标准的已知恒湿环境下，将其输出的测量值与已知值进行对比，然后对其偏差进行调整，使其测量值接近标准的已知值。最后得出此DHT11传感器的测量系数，以后再对其它湿度进行测量时以此系数为准。这为其精准测量湿度提供了保障。DHT11湿度传感器的实物图如图3.2所示：图3.2DHT11传感器实物图（1）DHT11传感器引脚说明DHT11湿度传感器共有4个引脚，其每个引脚介绍如表3.1所示：表3.1DHT11引脚列表编号名称功能1VDD电源正极，可接3－5.5V直流电2DATA单总线数据接口，与单片机I/O口连接3NC空脚，无需连接4GND电源负极，与系统共地（2）DHT11传感器应用电路DHT11湿度传感器在使用时，其电源引脚连接系统正负极之后，其数据引脚通过单总线的方式与单片机I/O口连接，在连接距离比较远时，由于其输出能力有限，经常在数据输出口连接个4.7K-10K的上拉电阻，保证数据的正常通讯，其连接图如图3.3所示：图3.3DHT11典型应用电路（3）DHT11传感器工作流程DHT11传感器具有工作状态和待机状态两种模式，在一般情况下，处于待机状态，不检测湿度也不发送数据，此时功耗最低。当单片机获取DHT11传感器内部的湿度数据时，首先要向其发送一个开始信号唤醒DHT11,使其进入工作模式，然后与传感器建立通讯时序，保证在与其在同一个频率下传输数据，频率同步之后，单片机首先向DHT11发送获取湿度的指令，DHT11得到指令之后，会响应单片机，单片机此时开始接受湿度数据，此时DHT11会连续发送40位二进制数据，其中每8位为一个字节，共5个字节，其中包括了湿度的整数位、小数位和校验位。单片机只需对这些数据进行处理，可得出环境的当前湿度，单片机通过每隔一段时间向DHT11通讯一次，便可完成湿度的实时检测。DHT11的电路原理图如图3.4所示。图3.4DHT11电路原理图3.1.2光照强度传感器ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。ADC0832具有以下特点：8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；·5V电源供电时输入电压在0~5V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；一般功耗仅为15mW；8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为40°Cto+85°C其中DL是光敏电阻，当光强比较大时，光敏电阻阻值比较少，对应的输入到IN+引脚的电压相对较高，通过ADC0832模数转换器电平的比较在单片机时序的控制下输出8位的二进制数据，次8位数据代表是光敏电阻当前的阻值，根据ADC0832芯片资料以及光敏电阻光强和电阻的关系可以算出当前的环境的光强，此系统没有做这部分容，但如果加入此部分容是比较简单的，加个程序算法以及显示就可以了。其实物图如图3.5所示：图3.5ADC0832传感器实物图（1）ADC0832的工作原理：正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时使用并与单片机的接口是双向的，所以在I/O口资源紧张时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC083未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟（CLK）输入端输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第二、三个脉冲下沉之前DI端应输入两位数据用于选择通道功能。（2）ADC0832电路图ADC0832的电路原理图如图3.6所示。图3.6光照强度传感器电路原理图3.1.3大气压强传感器BMP180是一款高精度、小体积、超低能耗的压力传感器，可以应用在移动设备中。它的性能卓越，绝对精度最低可以达到0.03hPa，并且耗电极低，只有3μA。BMP180采用强大的8-pin陶瓷无引线芯片承载（LCC）超薄封装，可以通过I2C总线直接与各种微处理器相连。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)。BMP180由一个压阻传感器，模拟数字转换器，E2PROM和一个串行I2C接口组成的控制单元，其提供压力和温度补偿的值。气压传感器BMP180属于一种专用型的压力电阻式传感器，主要由测压元件来组成，这个气压传感器功耗小，精确度比较高，并且尺寸小，使用性强，此传感器是由单电源供电，输出引脚直接和电源相连，这个传感器主要作用于连接相应数据总线的微控制器。而且通过BMP180传感器的只读存储器中的校准值来补偿测量的压力相关数据。BMP180传感器有自动校准的功能，在信号的检测过程中来进行校准，而且传感器在特殊情况下能够恢复到校准时的状态，信号转换结束后，通过串行接口来读取结果值，最后计算其中的压力值。其实物图如图3.7所示：图3.7气压传感器实物图（1）BMP180传感器性能指标说明BMP180传感器主要的几种性能指标如表3.2所示：表3.2BMP180性能指标型号压力测量范围电源电压功耗电流分辨率封装BMP180300-1100hPa1.8V-3.6V5μA0.06hPa无铅陶瓷载体（2）BMP180传感器引脚说明BMP180的供电电压为1.8V－3.6V。在标准模式情况下，BMP180传感器的采样率每秒可以达到128个样本，并且使用于动态的测量。其引脚说明图如表3.4所示。表3.4BMP180引脚说明Pin名称注释1VCC+3.3V电源，为单片机芯片提供所需电能2SDA串行数据，提供数字信号3CLK时钟信号4GND接地，电源的负极（2）BMP180传感器电路原理图BMP180电路原理图如图3.8所示。图3.8大气压强传感器电路原理图3.2传输模块的设计与实现环境监测系统中的传输模块相当于连接传感器和控制中心的桥梁，其具体的作用就是将三路传感器采集到的的数据传输到STC8952单片机系统中，并且在液晶显示屏上显示。高效的传输模块可以实现数据传输的即时性、无差错性。本系统采用蓝牙模块进行无线数据传输，蓝牙的传输速率高，支持多媒体的数据传输，可达到系统准时处理以及数据及时显示的目的；其实物图如下图所示：本系统中应用的蓝牙模块是HC06，其实物图如图3.9所示。图3.9HC06传感器实物图HC06采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准，串口模块工作电压3.3V，波特率为1200，2400，4800，9600,19200，38400，57600，115200。核心模块尺寸大小为：28mmx15mmx2.35mm。工作电流：40MA、休眠电流：小于1MA。用于GPS导航系统，水电煤气抄表系统，工业现场采控系统，可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、PDA等设备进行无缝连接。其电路原理图如图3.10所示：图3.10蓝牙模块电路原理图3.3显示模块的设计与实现在系统设计中，经由采集模块各个传感器采集的数据，通过传输模块，最终要传输到液晶显示屏上，或经蓝牙传输至终端用户手机上，其中液晶显示屏使用的是LCD1602。LCD1602显示屏经常用在51单片机系统中作为显示使用，其分辨率14*80，共分为32小块，每块为5*7的小点阵，能够显示英文和阿拉伯数字[10]。LCD1602液晶屏封装在一块PCB板上，PCB板上预留16个排针接口，作为液晶屏的输出接口。1602液晶屏有白字和黑字之分，白字为背景黑色，字体为白色，其屏幕颜色一般为深蓝色；黑字为背景为白色，字体为黑色，其屏幕一般为绿黄色。在本设计中采用的是白字屏幕为深蓝色的LCD1602，其实物图如图3.11所示：图3.10LCD1602液晶屏实物图LCD1602液晶屏采用3个控制引脚和8位并行数据口与单片机进行通讯，在显示时，首先控制使能引脚，打开显示屏的使能端，使显示屏可以读写数据和命令，其次控制数据命令选择引脚，确定此次要发送的数据为命令还是数据，然后控制读写控制引脚，确定此次操作是显示屏向单片机输送信息，还是单片机向显示屏输送信息；最后通过8位数据口与单片机进行数据的交换，其中D0-D7依次为低位到高位，一般与单片机P0口的P0.0至P0.7I/O口相连，LCD1602液晶屏的引脚说明如表3.5所示。表3.5LCD1602液晶屏引脚说明引脚号引脚标志引脚功能说明1VSS电源负极GND2VDD电源正极VCC3VO液晶显示偏压信号4RS数据命令选择端5RW读写选择端6E使能信号端7～14D0-D78位双向数据端15A背光正极VCC16K背光负极GND根据LCD1602引脚说明表格可知，LCD1602共有16个引脚，其中包括2组电源引脚，分别为显示屏的背光电源引脚和字符显示的电源引脚，增加背光有可以是显示字符显示的更加清晰，因此在设计中经常在显示屏的第15、16引脚接上正5V电压，点亮显示屏背光。然后在显示屏的第3引脚VO，其是用来调整显示内容与背光之间的对比度，在设计中此引脚经常接一个可调电阻与电源地相连，通过调整阻值的大小可以调整亮暗对比度，经过测试当阻值为2K时，亮暗对比度适中，因此经常接一个2K电阻即可。显示屏的第4引脚RS为数据命令选择控制端，第5引脚RW为数读写控制端，第6引脚E为显示屏的使能控制端，最后第7至14引脚为显示屏的8为数据口。LCD1602液晶屏电路示意图如图3.12所示：图3.12LCD1602液晶屏电路示意图4系统的软件设计与实现一个智能化的电路系统要完美执行各项功能，除了要有硬件结构作为基础之外，还需要有与其配套的驱动程序才可以完成。特别是在微电子技术飞快发展的现代，硬件的统一结构和全面化接口，使很多系统只需要更改软件驱动程序就可以完成各种不同的功能，因此软件编程技术变得越来越重要。在本设计所设计的无线温湿度监控系统中，也是由于软件驱动程序的存在，再配合硬件电路，才能使系统完成温度的检测并对其进行控制。本次软件程序的编写采用了C语言，常用的程序编写语言有机器语言、汇编语言和高级语言，其中C语言是高级语言，这种编程语言可看度高，使用起来比较灵活，程序员可以使编程变得很容易，在程序编写完成之后，会经过编译软件再将C语言转换成机器语言，因为只有机器语言才能被计算机所识别。通过模块化的程序编写手法，采用C语言对程序的编写，使每个模块的程序完成每个部分的功能，然后再共同实现无线温湿度监控系统的所有功能[11]。在完成环境参数监测系统的硬件设计之后，为了完成任务书所规定的的系统所需实现的功能，需要设计软件流程操作、规范整个硬件电路，通过完成各个元器件的初始化、熟悉每个系统模块的流程图、实现硬件电路的编程与仿真，最终实现基于单片机的环境参数监测系统的设计。该系统中我们需要完成的系统软件设计包括采集模块中传感器的采集子程序、无线传输模块中蓝牙的软件设计、显示模块中液晶显示程序设计以及超限报警程序设计。通过流程图详细分析各个模块的软件设计，清晰直观地阐述系统平台的模型设计。4.1采集模块软件方案采集模块即为温湿度传感器、光照强度传感器和大气压强传感器对环境参数进行测量，在完成硬件采集模块的搭建后，需要完成该模块的软件设计。系统主程序设计流程图如图4.1所示： 开始 初始化监测系统运行传感器数据采样液晶显示当前环境数据串口发送数据到终端结束4.1.1温湿度传感器模块在无线温湿度监控系统中，湿度检测采用DHT11湿度传感器，DHT11芯片是通过单总线的方式与单片机进行通讯，在单片机获取数据时，需要先将DHT11唤醒，使其从待机状态进入工作状态，唤醒流程是先将总线拉低18ms然后再拉高20us，DHT11在得到此信号之后，将进入湿度检测状态。然后单片机向湿度传感器进行通信，首先将其设置为输入模式，使传感器可以实现数据的读取，然后单片机等待传感器的应答信号，如果一段时间之后没有收到应答信号，将再次向传感器发出需要读取湿度值的指令，直到其响应为止。当单片机得到响应信号之后，说明传感器已经做好输出湿度数据的准备，开始向单片机发送携带湿度数据的40位二进制数据。因此单片机此时检测数据引脚的高低电平，获取二进制数据，再将其进行数量处理，换算出湿度值。温湿检测子程序其程序设计流程图如图4.1所示。图4.2湿度检测子程序流程图4.1.2光照强度传感器模块与上述模块相通，同样为系统预设光照强度的正常范畴，系统诸如能源后模块举行开始化，之后单片机发出读取光照强度的信号，光照强度模块开始进行光强度采集，并将采集到的数据与预设值进行比较，以检测光照强度有没有溢出常规范畴。其程序设计流程图如图4.2所示。图4.3光照强度检测子程序流程图4.1.3大气压强传感器模块在单片机中保存一个气压通用范畴，然后注入能源后举行模板开始化，随后收取操控消息进入环.境气压采收模式，并把数据运输到单片机举行分析、整理。大气压强检测子程序其程序设计流程图如图4.3所示。图4.4大气压强检测子程序流程图4.2显示模块软件方案本设计采用的显示屏型号为LCD1602显示屏，其采用的是8位并口通信协议。首先是LCD1602