基于单片机的室内环境监测设计Word格式文档下载.docx

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单片机，STC89C52，SHT11，温湿度监测，MQ211，室内环境

目　录

前　言1

第1章室内环境的监控系统2

1.1概述2

1.2方案设计2

1.2.1硬件设计3

1.2.2软件设计4

第2章硬件设计6

2.1CPU模块6

2.1.1芯片管脚连接6

2.1.2芯片管脚说明6

2.1.3晶振和复位电路8

2.2气体传感器与模数转换模块9

2.2.1气敏传感器的特点和使用10

2.2.2气敏传感器的连接11

2.3温度湿度传感器模块设计12

2.3.1SHT11温湿度简介12

2.3.2SHT11的引脚功能13

2.3.3SHT11的内部结构和工作原理13

2.3.4SHT11应用与连接电路14

2.3.5温度和湿度值的计算15

2.4LCD显示模块设计16

2.4.1LCD特点17

2.4.2LCD的管脚18

2.4.3LCD的连接电路18

2.5按键电路块19

2.6报警电路模块设计20

第3章软件设计21

3.1软件系统设计21

3.2主程序设计22

3.3LCD1602显示模块程序设计23

3.4SHT11温湿度测量模块程序设计24

3.5系统程序设计24

结　论25

谢辞26

参考文献27

附　录28

附录1:

系统硬件仿真电路图28

附录2:

程序代码29

外文资料翻译42

前　言

随着微电子技术的发展，传感器的性能和种类的不断提高和丰富，使得基于微电脑芯片控制的室内环境实时分析监测系统成为可能。

该设计通过传感器引入数字化的环境信息，通过微电脑的数据分析，如加上控制系统与室内空调、加湿器、照明系统和电动窗帘门窗系统等家居电器配合使用，不仅能给人们带来舒适的生活环境，还能最大程度的节约能源使用。

显然在节能减排深入人心，建筑节能和智能化发展得到大力提倡的今天，其不仅能为人们的生活带来便利，更符合可持续发展理念，无论是经济学角度还是社会学角度来看，设计和研究基于数字化的室内环境监测系统辅助家居智能化和节能环保的设备有着重要的现实意义和经济价值。

该设计基于上述情况出发，应用8051系列单片机丰富的I/O接口和对数据的采集、处理功能，实现传感器由物理变量到数字化转变，输入到单片机通过微处理器的分析处理给出相应的结果，输出到显示电路。

通过七段码LED显示器或者液晶显示设备显示实时的各环境参数的数值，使人们能及时了解各环境参数的情况，并在环境参数变到危害到正常的生理需要的时候给予报警电路报警信号，及时的通知人们离开或加以相应的处理，使得宜于居住。

由于相关家居智能化设备的不确定性，这里就不做相应的控制算法的研究和处理，仅把相关参数储存在相应位置或者输出到某个I/O口，供其它相关设备读取数据。

伴随着人们生活水平的不断提高，越来越多的人们更加关注居住生活环境的质量安全（主要包括温度，湿度，有害气体浓度等）问题，所以对室内环境做实时监测和数据分析显得尤为必要。

第1章室内环境的监控系统

1.1概述

近来环境问题特别是有害气体对人类的危害也越来越来引起人们的关注，而其中对有害气体的浓度检测是解决问题的关键对于大量使用以天然气和甲烷气体作为家庭燃料气体的用户来说，选择安装一款简易、可靠和便携的气体浓度检测装置也是很重要的，这样不仅可以避免气体泄露，也可以保证人员和财产的安全。

基于微电脑芯片控制的室内环境实时分析监测系统成通过传感器引入数字化的环境信息，通过微电脑的数据分析，如加上控制系统与室内空调、加湿器、照明系统、和电动窗帘门窗系统等家居电器配合使用，不仅能给人们带来舒适的生活环境，还能最大程度的节约能源使用。

显然在节能减排深入人心，建筑节能和智能化发展得到大力提倡的今天，其不仅能为人们的生活带来便利，更符合可持续发展理念,无论是经济学角度还是社会学角度来看，设计和研究基于数字化的室内环境监测系统辅助家居智能化和节能环保的设备有着重要的现实意义和经济价值。

系统少做程序设计部分的调整，就能实现对二氧化碳的浓度显示,加上温度和湿度显示的功能，就能用于温室大棚环境监测，利于及时发现和改变温室内环境参数，为作物提供最佳的生成环境，提高产量。

1.2方案设计

设计原则:

要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。

（1）可靠性

高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应将可靠性作为首要的设计准则。

提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑:

使用可靠性高的元器件;

设计电路板时布线和接地要合理;

对供电电源采用抗干扰措施;

输入输出通道抗干扰措施;

进行软硬件滤；

系统自诊断功能等。

（2）操作维护方便

在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。

因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。

同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。

（3）性价比

单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。

一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。

因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功能等。

设计要具备以下功能：

温度监控：

（1）利用温度传感器将检测到的数据传给单片机并显示。

（2）通过键盘设置温度上下限，超过上限或低于下限后报警。

湿度监测：

利用湿度传感器将检测到的数据传给单片机并显示。

CO浓度监控：

（1）利用气敏传感器检测CO浓度传给单片机。

（2）通过键盘设置浓度上限，超过上限后报警。

1.3原理方图

在室内环境监测硬件设计上，由单片机（STC89C52）控制整个系统的运作、MQ211气敏传感器模块实现监测室内可燃气体功能、SHT11温湿度传感器模块实现检测室内的温度和湿度功能、按键模块实现设置报警上限功能、LCD液晶模块实现显示功能、蜂鸣器报警功能。

这六大模块组成的原理图来实现家庭环境检测系统的各项功能。

图1-1系统原理结构图

第2章硬件电路设计

2.1CPU模块

在该室内环境监测系统中选用STC89C52单片机作为主控芯片，实现系统设计要求的各项功能。

在该设计中其为系统的核心部分，STC系列单片机是基于AT89C51系列单片机内核位核心单元，封装时加入了看门狗电路和串口程序烧录的功能，使用更加方便。

2.1.1芯片管脚连接

在该设计电路中，用单片机I/O口中的P1口作为LCD液晶屏的数据口，采用并口数据传输模式，P2口中的P2.0、P2.1、P2.2作为控制信号输出口，分别接LCD的RS、R/W、E控制端；

P2.3和P2.4分别接温湿度传感器SHT11的SCK和DATA，P2.5、P2.6、P2.7接按键电路。

P1口的P1.0、P1.1、P1.2分别接ADC0831的控制端，P1.4接报警的蜂鸣器。

2.1.2芯片管脚说明

单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位双向口，共占32根引脚。

每个端口都包括一个锁存器（即专用寄存器PO～P3）、一个输入驱动器和输入缓冲器。

通常把4个端口称为PO～P3,见图2-1。

在无片外扩展的存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/O端口使用。

在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，PO口分时作为低8位地址线和双向数据总线。

在作为一般的通用I/O输入时，都必须先向锁存器写入“1”，使输出驱动场效应管FET截止，以免误读数据。

各自特点如下:

1.P0口为双向8位三态I/O口，它既可作为通用I/O口，又可作为外部扩展时的数据总线及低8位地址总线的分时复用口。

作为通用I/O口时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器;

输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。

每个引脚可驱动8个TTL负载。

2.P1口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，一般作通用I/O口使用，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线，作为输入时，锁存器必须置1。

每个引脚可驱动4个TTL负载。

3.P2口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可直接连接外部I/O设备。

它与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。

一般作为外部扩展时的高8位地址总线使用。

4.P3口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，它是双功能复用口，每个引脚可驱动4个TTL负载。

作为通用I/O口时，功能与Pl口相同，常用第二功能。

控制线一共有6条:

（1）ALE/PROG:

地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。

在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7～P0.0引脚上输出片外存储器低8位地址的同时在ALE/PROG上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7～P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。

在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/PROG上输出频率为fosc/6的脉冲序列。

该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。

（2）EA/Vpp:

允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制89c52使用片内ROM还是使用片外ROM。

若EA=1，则允许使用片内ROM;

若EA=0,则允许使用片外ROM。

图2-1STC89C52管脚分布图

2.1.3晶振和复位电路

时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准。

复位对单片机来说，是程序还没有开始执行，是在做准备工作。

晶振电路和复位电路见图2-2

图2-2晶振和复位电路

2.2气体传感器与模数转换模块

在该设计中，为了实现家庭环境检测系统中可以检测到室内的可燃气体，所以使用了MQ211气敏传感器来实现这个功能。

1.检测原理

可燃性气体（H2、CO、CH4等）与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热（无焰接触燃烧热），使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。

一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高（低于10％），可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。

空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应（燃烧）产生的反应热量（燃烧热）愈多，铂丝的温度变化（增高）愈大，其电阻值增加的就越多。

因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值（ΔR），就可检测空气中可燃性气体的浓度。

但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。

这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。

2.接触燃烧式气敏元件的结构