家用环境监测系统的设计.doc

第1章 绪论1．1 引言随着现代社会的高速发展,对环境参数的测量监控波及到工农业生产、国防建设、科学实验、人们生活等各个方面因此对原则测量室内环境规定越来越高,特别在人们的平常家庭生活中人们会需要一种合适的温度，不是太冷也不是太热同步，人们对室内空气质量的规定更显重要抽烟会使室内烟雾弥漫,使用液化气也难免会有泄露，这些气体都是对人体有害的因此，把握室内的温度、湿度、空气质量的度，来进行妥善调节,从而避免由于这些环境因素的超标对人体导致的伤害就显得尤为重要为了更好的对这些环境参数进行有效迅速的测量,老式的人工控制已经不能满足规定随着传感器技术的不断发展，单片机的应用不断地走向进一步,同步带动老式控制检测日新月益更新在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一种核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件构造,以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善现代家庭环境监测中，对家庭环境的温湿度和有害气体浓度会有一定的规定,房重要随时能观看到房间里的温湿度当温湿度超过或者低于一定的范畴的时候,人会感觉到不舒服,有害气体浓度超过一定的值的时候，会对人们的身体健康导致危害。

这就需要对家庭环境进行监测，使家庭环境达到人们规定的范畴,从享有到到健康舒服的生活采用51单片机来对这些参数进行控制，具有控制以便、组态简朴和灵活性大等长处,从而能大大提高人们的生活质量本课题规定根据家庭规定的环境参数，设计一种家用环境监测系统,该系统应以单片机为核心,实现对家庭环境的实时监测1.１.1　 家庭环境监测系统国内外发展趋势在过去，室内的温湿度重要靠我们的身体感知来感受，对温度的高下没有确切的数值，室内的气体重要靠我们的嗅觉来感受但随着社会的发展,我们对这些参数的精度规定也在不断提高，我们要懂得温湿度的确切值,要懂得有害气体与否超标先是温度计、湿度计和气体检测仪的发明，给我们的生活带来了很大的以便，但是温度计和湿度计在显示上不够明了，精度不够，某些气体检测仪只是仅仅可以检测气体浓度，却不能对有害气体浓度的超标进行报警因此目前市面上有诸多以数码管显示,蜂鸣器报警的环境监测器材问世目前，国内外开发出了某些基于单片机计算机的环境监测设备,但是价格比较高，其操作系统均为英文,普及性不强环境监测的核心部分是传感器，因此环境监测的发展重要体目前传感器的发展上,根据传感器在信号输出方式上的不同，可以分为模拟传感器和数字传感器。

下面就模拟输出温湿度传感器和数字输出温湿度传感器进行简朴简介1、模拟输出温湿度传感器模拟输出温湿度传感器信号采用模拟电压输出方式，具有精度高，可靠性高,一致性好,且已带温度补偿,稳定性好,使用以便及价格低廉等特点,适合对质量，成本规定比较苛刻的公司使用该传感器亮点在于功耗低、体积小、单片机校准线性输出、信号传播距离长,试用于暖通空调,加湿器,除湿机，大气环境监控，测量仪表等应用领域２、数字输出温湿度传感器对于更紧密控制能力、更高精度和更大辨别率的需求带动了数字温度传感器的发展被测温度信号从敏感元件接受的非电量到转换为微解决器可解决的数字信号，环节较多,并且模拟信号在长距离传播的过程中，受到的干扰较多,误差较大因此,从非电量转换到数字信号,一般将其解决过程集成在单片IC器件体内部，这样就形成了功能强大，精确的数字传感器数字传感器与模拟传感器相比,由于采用高集成度设计和数字化解决,在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面均有明显的长处，但受半导体器件自身限制,数字传感器还存在如下不够抱负的地方：(1）数字传感器测量的是其自身管芯的温度，并且管芯温度接近于引线温度,因此每个传感器必须安顿在与被监视环境有良好热耦合的位置。

实际应用时会浮现传感器所测温度值要不不小于环境温度,需要加修正值2）数字传感器对温度转换为数字量的时间都较长3)测温范畴不宽（均在-4０℃至+１20℃）４)数字传感器的传递函数存在有一定的非线性，可由软件校正但是，数字传感器最佳在常温下应用，超过常温范畴它的误差较大因此数字传感器目前还不合用于对温度变化敏感、环境恶劣的行业5）眼下，数字传感器的价格比模拟传感器的高，作大范畴推广应用时有一定的难度由于它们各自有其优缺陷，又各有自己的应用范畴和市场，数字传感器和模拟传感器会并存很长一段时间，但随着材料科学和半导体技术的进一步发展与合伙,数字传感器测温精度进一步提高,测温范畴拓宽,生产成本和销售价格不断减少，其发展趋势必将取代模拟传感器1.1．２ 设计的目的和意义现代家庭环境监测中,对家庭环境的温湿度和有害气体浓度会有一定的规定，房重要随时能观看到房间里的温湿度当温湿度超过或者低于一定的范畴的时候，人会感觉到不舒服，有害气体浓度超过一定的值的时候,会对人们的身体健康导致危害这就需要对家庭环境进行监测，使家庭环境达到人们规定的范畴，从享有到健康舒服的生活由于家庭里空间较大，并且每个房间内规定的温度不同,因此就得实现多点采集。

由于环境参数对于人们生活的重要性，这就规定能有一种有效的、低成本的仪表来实现监测控制功能，使得房主能以便有效地进行房间的监控操作（温湿度设定，实时显示,超标报警)运用单片机技术对家庭环境进行监控，顾客可以以便地构造自己所需要的数据采集系统，在任何时候观测家庭环境的实时信息,提高了顾客的生活质量和舒服度,获得了家庭环境的实时管理,实现自动化,智能化微机测量是微机设计的第一步,是微机测量技术的现场部分,即测量家庭环境中的环境参数，并使用单片机对测量的数据进行解决第2章 方案设计在对课题进行了进一步理解的基本上,形成了最后的设计方案，本章的内容为了对本设计方案进行较为具体的阐明本次设计的家用环境监测系统重要由如下几部分构成:温湿度传感器、单片机核心控制电路、键盘、温湿度显示电路和报警电路、有害气体浓度报警电路２.1　 方案概述本次设计的目的是设计一种基于单片机控制的家用环境监测系统本系统属于多功能系统，可以设定温湿度和有害气体浓度的报警上下限，当温度不在设立范畴内时,则报警提示;当有害气体浓度超过设定值时，则报警提示该设计控制器使用单片机本监测系统由温湿度传感器电路、单片机系统、温湿度显示电路、有害气体浓度监测的A/D转换电路、键盘、报警电路构成。

其基本工作原理:温湿度传感器内部的温度敏感元件和湿度敏感元件分别将温度和湿度转换成电信号，该信号一方面进入内部的单薄的信号放大器进行放大,然后进入一种1４位的内部A/D转换器,最后通过二线串行数字接口输出数字信号传给单片机系统，单片机系统根据显示需要对数字信号进行解决，再送入液晶显示系统，温湿度值便在液晶屏上显示出来了同理，有害气体浓度检测电路接受到电信号，通过A/D转换器将其转换成数字信号传给单片机系统,由单片机系统判断与否超过设定值,超过则报警总体设计方案框图如图２.1所示:温湿度传感器AT89C51单片机气体传感器键盘显示电路报警电路A/D转换复位电路图2.1 总体设计方框图２．2　 设计的总体思路本次设计要实现对家庭环境的监测,一方面选择温湿度采集部分、有害气体浓度采集部分、单片机控制部分和显示部分,同步还要设计按键部分和报警部分,根据设计规定与设计思路，拟定该系统的具体设计方案2．２.１ 单片机的选择现今社会单片机发展很迅猛,浮现诸多种类单片机如：STC单片机、PIC单片机、PＨLIＰIS 51PＬC系列单片机(５1单片机）等;STC单片机:STC公司的单片机重要是基于80５1内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容老式8051，速度快8~1２倍,带AＤC，4路PWM,双串口,有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。

合用于精密仪器和加密仪器但相对家用其性价比太低成本高，诸多功能都用不到 ＰIＣ单片机:是MＩCROCHＩP公司的产品,其突出的特点是体积小，功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好,大部分芯片有其兼容的ＦLAＳH程序存储器的芯片合用于抗干扰领域，相对于家用其成本也是很高,也没法突出其特性如果用有点暴敛天物PHＬIPIS　51PLＣ系列单片机(５1单片机):ATMEＬ公司的8位单片机有AＴ89、AＴ9０两个系列,ＡT89系列是8位Flash单片机，与80５1系列单片机相兼容，静态时钟模式；AＴ90系列单片机是增强RISC构造、全静态工作方式、内载可编程Ｆｌａｓh的单片机,也叫AVR单片机相对ＡT9０来说AT89功能简朴但完全能达到家用的功能规定，而AT90的性价比就有点低因此选择了ＡＴ89系列AT8９C51 有４0个引脚,4k 字节Flash 闪速存储器,128字节内部RAM,32 个I／O 口线，两个1６位定期／计数器,一种５向量两级中断构造，一种全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路同步,AT89Ｃ51可降至0Hｚ的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CＰU的工作,但容许RAM，定期/计数器，串行通信口及中断系统继续工作掉电方式保存RAＭ中的内容,但振荡器停止工作并严禁其他所有部件工作直到下一种硬件复位AT8９5C51有ＰDIP、TQFＰ及PLCＣ等三种 封装形式,以适应不同产品的需求其外形及引脚排列如图2．２所示图2.2 at89c51芯片模型重要功能特性: 　 1、兼容MCS５1指令系统2、32个双向I/O口3、2个16位可编程定期刚/计数器中断4、 ２个串行中断 　 ５、　2个外部中断源6、 2个读写中断口线７、低功耗空闲和掉电模式2.2.２ 温湿度传感器的选择目前的传感器诸多,考虑了两种传感器:一种是使用铂电阻温度传感器采集温度，湿敏电阻采集湿度,再经由A／D转换器转换成单片机可以解决的数字信号，然后送到单片机中进行解决变换后,最后将温湿度值显示在显示屏上并判断与否超限其中铂电阻可测﹣200到850℃,但其中需要A／D转换,并且连线时占用的I/O口过多另一种是采用SHT11温湿度传感器，它是瑞士Sｅnｓｉｒｉｏn公司推出的数字温湿度传感器,该传感器高度集成,将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一种芯片上,提供二线数字串行接口SCK和ＤATA，接口简朴，支持CＲC传播校验，传播可靠性高,可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能,并且可根据实际规定通过简朴的编程实现8-12位的数字值读数方式。

其外形及引脚排列如图２.３所示图2.3　 SHT1１芯片模型SHT11的性能特点如下： 　1、全量程标定,两线数字输出2、测量范畴广；湿度测量范畴：0~10０%RH；温度测量范畴:-40~+120℃3、测量精度高;湿度测量精度：±3%RＨ：温度测量精度：±0.4℃4、响应时间短;响应时间：<４s５、低功耗，尺寸小，可完全浸没６、提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能通过比较，可以看出使用SＨT1１温室传感器比用铂电阻温度传感器和湿敏电阻以便诸多,故选择SＨT1１作为本次设计的温湿度传感器2.2.３ A／Ｄ转换器的选择在工业控制和智能化仪表中，常用单片机进行实时控制及实时数据解决单片机加工的信息都是数字量,而被控制或测量对象的有关参量往往是持续变化的模拟量,如温度、压力、流量等,通过传感器将这些信号转成模拟信号单片机要解决这种信号,一方面必须将模拟量转换成数字量,这一转换过程就是模/数转换,现实的模/数转换的设备称为A/D转换器或ＡDCＡ／D转换电路种类诸多,目前在实用、教学方面使用较多的两种A/Ｄ转换器是AＤC08０9和TLC1543在选择Ａ/。