环境监测毕业设计环境监测与报警系统的设计.docx
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环境监测毕业设计环境监测与报警系统的设计
毕业设计（论文）
题目：
环境监测与报警系统的设计
2012年5月20日
目录
摘要2
关键词2
Abstract3
KeyWords3
前言4
1．系统总体结构设计5
1.1系统硬件电路结构设计5
1.2系统软件电路结构设计5
2.系统硬件电路设计7
2.1单片机电路设计7
2.2数码管显示模块设计7
2.3传感器工作电路模块设计8
2.3.1温度传感器工作电路模块设计8
2.3.2湿度传感器工作电路模块设计10
2.3.3一氧化碳传感器工作电路模块设计10
2.3.4二氧化碳传感器工作电路模块设计11
2.4A/D转换电路模块设计12
2.5光电隔离耦合、驱动、报警及调节模块电路设计13
2.5.1光电隔离耦合电路设计13
2.5.2输出报警电路模块设计13
2.5.3晶闸管功率驱动电路设计13
3.软件设计15
3.1主程序设计15
3.2子程序设计15
3.2.1显示子程序设计15
3.2.2温度信号采集程序设计16
3.2.3一氧化碳浓度采集程序设计18
3.2.4二氧化碳浓度采集程序设计18
3.2.5越限报警服务程序设计18
3.3抗干扰设计20
结束语21
参考文献22
致谢23
环境监测与报警系统的设计
摘要
随着国民经济的快速发展，人们在物质生活条件不断得到满足的同时，更加关注和追求全方位生活质量的提高，渴望舒适、清洁的生活环境和生产环境。
因此对生活和生产环境质量的监测与调控，正在得到广泛的重视和实施。
传统的气体环境监测方法及设备，多为手持式、便携式的检测仪表，使用起来方便灵活，但检测功能相对较少，不能实现特定场所的多参数同时检测，降低工作效率。
本论文将阐述以流行的电子线路设计软件Protel99SE为开发平台，通过串口通讯、键盘输入、A／D转换电路、显示报警电路、输出调节电路等模块化的硬件设计，与现代传感器技术相结合，可实现对温度、湿度、一氧化碳、二氧化碳等气体环境相关参数的实时监测与报警。
实现了一机多用、功能丰富，满足了用户同时检测多个气体参数的需要。
软件设计采用KeilC51单片机C语言软件开发系统，本着目标明确、主次分明的原则，采用模块化、层次化的结构，通过主程序模块、传感器信号采集处理子程序、显示输出子程序、报警调节子程序等设计，使软件设计具有移植性强、开发周期短、便于调试升级的特点，并配合硬件设计实现人机交互性好、使用简便、运行效率高、稳定可靠，满足对一般生产、生活等环境气体参数实时监测与报警的需要。
关键词:
单片机技术；模块化结构；气体传感器；监测与报警
Moderntransformationoftradionalpoliticalideas
Abstract
Withthedevelopmentofnationaleconomy,materiallifeconditionsaremet，atthesametime，wewantmorecomprehensivequalityoflife，comfortableandcleanproductionandlivingenvironment．Sothedetectionandcontrolofthe
productionandlivingenvironmentisbeingpaidextensiveattentiontoandimplemented．Traditionalgasenvironmentmonitoringdeviceismuchasportableinstrument．Itisconvenienttousebuthasrelativelyfewmeasuringfunction．ItCan’tmeasuremulti—parametersofparticularplacesatonetimeandhasrelativelylowefficiency．
Thisarticlewillintroduceasystemwhichtakesthecircuitdesignsoftware
Protel99SEasthedevelopmentplatform，andbythehardwaremodulardesign
includingserialcommunicationcircuit，keyboardinput，A／Dcircuit，display
andalarmcircuit，outputcontrolcircuitandsoon，combiningwiththemodemsensortechnology,itrealizesreal-timemonitoringandalarmingforthegasenvironmentalparameterssuchastemperature，humidity,COandC02．Thissystemhasthecharacteristicofmulti-usageandrichfunction，itmeettheuser’sneedofmeasuringmultiplegasparametersatonetime．
ThesoftwaredesignusesKeilC51softwaredevelopmentsystem．Basedontheprincipleofspecificgoal，clearmajorandminor,thissystemadoptsmodularizedandhierarchicalstructure．Andbythedesignofmasterprogram，subprogramofsensorsignalcollectingandprocessing，subprogramofdisplayandoutput，alarmandcontrol，thesoftwaredesignhasthecharacteristicofgoodportability，shortdevelopmentcycle，convenientdebuggingandupgrading．Combiningwithhardwaredesign，thissystemrealizesgoodhuman-machineinteraction，easyoperation，highrunningefficiency,reliablestability,itcansatisfyreal-timemonitoringandalarmingforgasparameterofcommonproductionandlivingenvironment．
KeyWords：
single-chipcomputertechnology；modularizedstructure；gassensor；monitorandalarm
前言
随着国民经济的快速发展，市场上出现了越来越多的智能化产品。
且产品的性能也日益趋于优化。
为了适应产品发展的总体要求，尽快地与国际化标准接轨，针对产品性能的检测要求，方法也趋于多样化。
由于目前人们的工作环境关系到自身的生命安全，为了防止火灾。
有效的对工作环境检查显得尤为重要。
本课题所研究的环境监测与报警系统正是应这种要求而设计的。
本课题所使用的单片机监测系统是通过对环境的温度、湿度、一氧化碳和二氧化碳的循环采样结果来实现报警的。
而传统的性能检测手段往往是借助于手工过程来完成的。
既浪费了大量的人力和工时，又很难有力地保障产品性能的严格过关，对生产安全造成了极大的隐患，也在很大程度上限制了产品生产规模的扩大。
本设计由前言、系统总体结构分析、硬件结构电路设计、系统软件设计、系统的可靠性分析及抗干扰设计等部分组成。
前言阐述了气体环境参数检测与报警设备的技术现状，通过对现有相关产品的特点和不足，明确了本设计的主要内容和研究设计思路，阐述了该设计的实际研究价值，为后期的设计与实现工作进行了总的概括并提供了一定的基础。
系统的硬件电路设计主要包括控制核心——STC89C54RD单片机的结构接口及应用介绍，与计算机的串口通讯接口电路设计、数码管或液晶显示模块设计，功能按键模块及串行E2PROM存储器模块，传感器采集模块及相应A／D转换模块设计，输出驱动模块以及设备调节报警模块等。
系统软件设计主要包括51系列兼容单片机语言软件开发系统KeiluVISION2的特点介绍和使用说明，包括主程序和相关的服务子程序，在系统软件的设计过程中，按照本设计的主要内容和硬件的模块化结构，总体设计要求是目标明确、主次分明，具有模块化的结构、层次化的内容，有科学合理的实验方法。
系统的可靠性分析及抗干扰设计部分，主要从电路原理设计、PCB板设计和软件设计三个方面，介绍了可能的主要干扰和相关的解决措施。
电路的原理结构设计，采用传统的经典电路结合新型的电子元器件进行设计，技术更加先进。
抗干扰问题是从事单片机设计的工程技术人员都将碰到一个大难题，通过分析单片机的干扰来源及其产生的危害，针对不同干扰源采取了改进原理设计、PCB板抗干扰设计、软件抗干扰设计等措施，使整个软、硬件系统的工作可靠性得到了大大提高。
1系统总体结构设计
1.1系统硬件电路结构设计
环境监测与报警系统的设计，其系统硬件电路结构主要包括：
（1）单片机STC89C54RD+[1]。
STC89C54RD+的封装一般采用DIP—40封装，工作电压3．8V--5V，16K的ROM程序存储器，1280字节的数据RAM存储器，8K的EEPROM存储器，4个标准IO口，自带看门狗等。
总体结构设计要体现硬件资源的充分利用。
（2）传感器。
本设计选用了4种不同类型的传感器，CO传感器、C02传感器、湿度传感器、温度传感器。
需要不同的工作电路。
（3）数据显示。
采用数码管显示，考虑单片机的接口资源以及软件设计的方便、可靠性能。
（4）输出报警的方式。
在光电耦合器后面，通过一个转换开关可以实现报警。
（5）按键功能设定。
按键功能包括中断功能选定、系统复位、数值输入、参数补偿校准、运行模式选择等，功能越多按键的数量也就越多，占用的口资源也就越多。
环境参数监测与报警设备的硬件设计，采用了模块化结构，如图1．1所示。
这种设计方案可以保证功能设置的灵活组成，根据市场或用户需要、以及部分硬件的升级换代的需要，调整系统的功能结构，提高了系统的性能价格比，适应不同的测量参数的需要，拓宽了本系统的应用范围。
整个环境参数监测与报警设备系统主要包括控制核心——STC89C54RD单片机、与计算机的串口通讯接口电路、数码管或液晶显示模块、功能按键模块、串行E2PROM存储器模块、传感器采集模块、A／D转换模块、输出驱动模块以及设备调节报警模块等。
1.2系统软件电路结构设计
按照硬件的模块化结构，软件总体设计要求目标明确、主次分明，也具有模块化的设计结构，即整个控制软件由许多独立的小程序模块组成，既便于调试、连接，又便于移植、修改。
系统软件设计包括主程序、系统服务子程序、功能子程序等，按照本设计的主要内容和硬件的模块化结构，总体设计要求是目标明确、主次分明，具有模块化的结构、层次化的内容，有科学合理的实验方法。
软件设计采用KeilC51单片机C语言软件开发系统，它集编辑、编译、仿真等于一体，并提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具。
通过系统主程序、传感器信号采集处理子程序、显示报警子程序等模块化软件设计，具有可移植性强、开发周期短、便于调试升级的特点，整个系统人机交互性好、使用简便、运行效率高、稳定可靠，完全满足日益发展的生产、生活等气体环境条件实时监测与报警的要求。
主程序是整个测控系统中最重要的程序，是一个顺序执行的无限循环程序。
主要功能是实现系统的初始化，实现系统自检和调用数据处理子程序。
系统服务子程序包括显示子程序、键盘扫描子程序、设置查询、联机通讯、中断服务等。
并包括一定的软件抗干扰软件措施，使系统具有自我诊断，自我恢复的能力，如数字滤波技术等。
功能子程序设计根据系统的功能要求，采用模块化子程序设计。
包括数据采集计算模块、输出报警模块等。
主要完成数据采集，运算处理，越限报警，输出调节等功能。
图1.1系统硬件结构框图
2系统硬件电路设计
2.1单片机电路设计
环境监测与报警系统的设计，采用美国ATMAL公司生产的单片机STC89C54RD+，它是一种带16K的flash程序存储器、128K的RAM数据存储器、内置看门狗、8个中断源、3个定时器，是一款性价比较高的单片机。
选用STC系列单片机，主要是基于原先已有的程序可以直接使用，无需改变硬件，另外用STC提供的STC．ISP．exe提供的工具软件，可以直接使用串口将编好的程序代码下载进STC单片机即可，通讯接口电路简单，也可以使用通用编程器进行程序烧写。
单片机STC89C54RD+为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
STC89C54RD单片机的使用，需要以计算机为平台，系统的整个软件开发与调试，离不开计算机及其专业的工具软件，程序的烧写也是由STC系列单片机的专门烧录软件通过计算机完成的。
采用MAX232为串行通信芯片，可用于实现PC机与单片机数据传输，用Protel99设计的硬件原理图如图2.1所示。
图2.1RS-232串行通讯原理图
2.2数码管显示模块设计
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
选用八段共阴极数码管作为显示器件，通过串入并出移位寄存器74LSl64[2]与单片机的串口相连。
其硬件原理电路图如图2.2所示。
数码管的位数根据需要进行选择，显示分三部分：
第一部分不同的检测参数标识码，因为有多种参数同时检测，所以只能通过轮回或指定的的方式进行显示，具体是那种参数，由设定的标识码进行确认。
参数标识码可由1～2位数码管来完成显示；第二部分为“一”，用于区别参数标识码与参数的检测数值结果；第三部分为相关参数的检测数值结果显示，不同的参数用到的位数或精度可能有差别，用不到的数码位从后面消隐掉即可。
图2.2数码管显示电路图
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出需要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
单片机接口与数码管之间采用74LSl64（串入并出移位寄存器）作为显示驱动芯片。
共阴数码管将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
采用的显示模式为静态显示模式。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I／O端口进行驱动，或者使用如BCD码二．十进制译码器译码进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，节省CUP的接口资源。
静态时，推荐使用10-15mA。
数码管显示模块与串口通讯模块公共用单片机的串口，通过数字开关或跳线可以实现接口转换。
2.3传感器工作电路模块设计
2.3.1温度传感器工作电路模块设计
本设计采用单总线DS18B20[3]温度传感器，传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器，采用半导体材料热敏电阻可靠性较差，测量温度准确率低，还得经过专门的信号处理电路并转换成数字信号才能由微处理器进行处理。
DS18B20数字式温度传感器与传统的热敏电阻有所不同的是，使用集成芯片，采用单总线技术，能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时还可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，使数据传输和处理简单化，有效地降低成本，调试也更方便简单化，缩短设备的开发周期。
DS18B20具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统。
DS18B20的管脚排列及封装图如图2.3
所示。
图2.3DSl8B20的管脚排列及封装图
DS18B20单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：
采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
测量温度范围宽，测量精度高。
DS18B20的测量范围为一55℃到+125℃；在-10到+85℃范围内，精度为±0．5℃，DSl8B20的测量分辨率可通过程序设定9～12位。
在使用中不需要任何外围元件，支持多点组网功能多个DSl8B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
DS18B20供电方式灵活，可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。
因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常工作。
掉电保护功能DS18B20内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。
单总线DS18B20传感器的电路连接图如图2.4所示。
图2.4单总线DS18B20
2.3.2湿度传感器工作电路模块设计
对于湿度的测量，传统的湿度测量传感器存在寿命短、价格高、信号调理电路复杂等缺点。
在本系统中采用BM-RH206A[4]湿度模块，是采用湿敏电阻开发的一款低成本产品，工作稳定、漂移小、响应时间快、抗化学腐蚀性能强，广泛应用于电子、纺织、仓储、烟草、制药、气象等行业，也可用于温湿度表、加湿器、除湿机、空调、微波炉等产品。
其电路连接图如图2.5所示。
图2.5湿度传感器模块电路图
BM-RH206A湿度模块的电气参数：
①湿度敏感元件：
高分子湿敏电阻。
②供电电压：
DC5V±5％。
③耗电电流：
2mA。
④使用温度范围：
0～60℃。
⑤使用湿度范围：
95％RH以下。
⑥湿度检测范围：
20～90％RH。
⑦储存温度范围：
一20～70℃。
⑧储存湿度范围：
95％RH以下（非凝露）。
⑨湿度检测精度：
±5％RH（30％RH～90％RH，5℃～50℃）。
2.3.3一氧化碳传感器工作电路模块设计
一氧化碳检测采用进口MS2200CO传感器[5]，专门用于检测还原性一氧化碳气体。
具有线性度好、测量精度高的电化学传感器，可实现对浓度为0-300（可达418）*10-6mol／mol一氧化碳气体的高精度连续检测。
一氧化碳传感器MS2200CO主要参数特点：
工作温度-10℃～60℃；工作湿度低于饱和点；贮存温度－20℃～80℃；电源5．0V±5％。
一氧化碳传感器MS2200CO主要组成部分包括敏感元件：
半导体氧化物厚膜；导线：
铂丝；管脚：
科瓦铁镍钴合金
一氧化碳传感器MS2200CO测试曲线：
Rs，air_b：
注入气体之前，在洁净空气中的阻值；Rs，gas：
注入气体后，稳定时的阻值；Rs，air_a：
除去气体后，在洁净空气中的阻值。
一氧化碳传感器MS2200CO注意事项：
（1）在测试时，元件表面不能有高浓度气体（60％）超过2秒钟。
（2）在连续测试时，不能在敏感部分旁边10cm高度以扩散的形式注入气体。
（3）在敏感部分表面所发生的催化剂剧烈燃烧反映所导致的基极电阻下降不能检查。
（4）加热电压不能超过5．5V。
（5）催化剂通过提高敏感部分表面的温度产生火焰
2.3.4二氧化碳传感器工作电路模块设计
本项目所选用的二氧化碳传感器是采用NDIR技术的美国telaire公司产6004
数字传感器[6]，此传感器基于气体对红外光吸收的郎伯一比尔吸收定律，采用国际上最新的电调制红外光源、高灵敏度滤光传感一体化红外传感器、高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室等，实现不同浓度、气体的高精度连续检测。
具有响应速度快、测量精度高、技术成熟的红外二氧化碳气体传感器。
6004C02传感器，是一种集成气体传感器，非常适合以微处理器为基础设计的控制器和相关设备应用。
模块由一个黄金平面光学感应部分和必须外围电路组成。
6004C02传感器体积小巧、功耗很小（<45mA），所以特别适合安全检测或便携仪器使用。
所有产品出厂前都经过标定，可直接使用；气体采样方法有两种：
流通式和扩散式，模块检测浓度最大可设置到5％。
主要参数：
测量方法：
单波非色散红外原理，具有厂家专利的自校准技术。
测量范围：
0～2000ppm
精度（25℃时）：
±40ppm+读数的3％
稳定性：
在使用寿命期间（15年）<2％FS
响应时间：
T90<60秒
信号刷新时间间隔：
1．6秒
预热时间：
<2分钟（可以选择），10分钟（最高精度）
工作环境：
0～50℃，0～95％RH非凝露
输出信号：
SPI或UART（异步传输）在9600波特率数字方式输出（接口协议可以索取），模拟输出0～4VDC0～2000ppm
供电电源：
标准5VDC（±10％）
电源损耗：
漏电流135mA，平均为45mA，最小15mA
流速：
扩散式为80～120CC／min。
2.4A/D转换电路模块设计
本设计选择TLCl549[7]是美国德州仪器公司生产的10位模数转换器，它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到±1LSBMax（4．8mV）等特点。
电源电压范围：
-O．5～6．5V
输入电压范围：
-0．3～VCC+0．3V
输出电压范围：
-0．3～VCC+0．3V
正基准电压：
VCC+0.1V
负基准电压：
-0.1V
峰值输入电流（任何输入端）：
±20mA
峰值总输入电流（所有输入端）：
±30mA
工作温度范围（自然通风）：
TLCl549CO～70℃
TLCl549I-40～80℃
TLCl549M-65～125℃
②工作原理：
在芯片选择（CS）无效情况下，I／OCLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。
当串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始允许I／OCLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。
串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATAOUT接收前次转换结果。
I/OCLOCK从主机串行接口接收长度在lO和16个时钟之间的输入序列。
开始lO个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。
在CS的下降沿，前次转换的MSB出现在DATAOUT端。
lO位数据通过DATAOUT被发送到主机串行接口。
为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。
如果I/OCLOCK传送大于10个时钟长度，那么在的10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATAOUT拉至低电平以确保其余位的值为零。
在正常进行的转换周期内，规定时间内CS端高电平至低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）．由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止CS被拉至低平。
图2.6AD转换时序图
2.5光电隔离耦合、驱动、报警及调节模块电路设计
2.5.1光电隔离耦合电路设计
光耦合器亦称光电隔离器[8]，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对
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