基于单片机的二氧化碳浓度器设计Word文档下载推荐.docx
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5.显示方式：
温度：
四位显示湿度：
四位显示
6.报警方式：
三极管驱动的蜂鸣音报警
1.3设计主要内容
本系统采用美国Atmel公司生产的AT89S52单片机作为控制核心，对温湿度传感器DHT11采集到的温、湿度信号进行分析处理，然后输出到LCD液晶以显示其温、湿度值。
本设计可以手动设置温度／湿度的上、下限值，只要有一样与设定的值不符合时，即温度／湿度过高或过低，则该系统会发出语音报警，同时继电器立即切断电源，实现系统的保护。
本文所研究的主要内容有以下几个方面：
（1）深入分析影响仓库温湿度的各种因素，确定检测方案；
（2）系统能够测量温度、湿度；
（3）超出设定值时系统能够自动报警；
（4）能够通过键盘设定温湿度值及复位操作；
（5）系统能够将结果显示在LCD显示器上；
（7）绘制总体原理图；
第2章温湿度测量系统方案设计
2.1系统总体设计
温湿度测量系统设计主要是基于单片机对数字信号的高敏感性和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号等，本系统主要包括主控模块、温湿度采集模块、显示模块、报警模块、键盘模块以及系统软件等部分的设计。
将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；
而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。
传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。
2.2系统总体框架
本系统采用本系统采用美国Atmel公司生产的AT89S52单片机作为控制核心，对温湿度传感器采集到的温湿度数字信号进行分析处理，然后输出到LCD液晶显示器显示其温、湿度值。
本设计可以通过键盘手动设置温度／湿度的上、下限值，该设定值为系统阈值。
温湿度传感器将检测到的值传输给单片机，通过单片机的分析比较，当检测到的数值超出所设定阈值时，则驱动蜂鸣器报警，以便管理人员及时切断电源，实现系统的保护。
系统硬件结构框图见图2-1。
2.3系统硬件设计
本设计的硬件系统主要由主控模块、显示模块、温湿度采集模块、串口通信模块、键盘模块和报警模块组成。
硬件电路设计见仓库温湿度检测系统整体原理图（附录图三）
2.3.1单片机的选择
单片机是整个系统的控制核心[14]，它空值周围器件协调工作，从而完成特定的功能。
方案一：
采用AT89C51单片机。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的，片内含4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，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。
AT89C51不支持ISP（在线更新程序）功能，且4个时钟周期完成一个指令周期，处理速度较慢，适用于要求时时性不高的系统中。
方案二：
采用AT89S52。
AT89S52是美国Atmel公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器,采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术；
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和在系统可编程Flash,使得AT89S52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，具有价格低廉、性能可靠、抗干扰能力强等特点。
综合本系统需要满足的技术指标以及硬件设计的性价比我们选择方案二。
1、单片机AT89S52介绍
AT89S52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ATMEL公司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和在系统可编程Flash，使得AT89S52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。
由于此单片机应用在仓库温湿度检测上，所以本设计选用了低功耗、高性能、低价格。
小管脚（40脚）的AT89S52单片机。
如图3.2所示：
图3.2AT89S52芯片引脚图
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52最小系统原理图：
图3-1AT89S52最小系统原理图
引脚功能介绍：
1.Vcc：
电源电压。
2.GND：
地。
3.P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
4.P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3.1所示：
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
表3.1P1口的第二功能
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
SCK（在系统编程用）
5.P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
6.P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3.2所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
表3.2P3口的第二功能
端口引脚
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INTO（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
TO（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
2.3.2显示模块
液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。
单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、I/O设备访问形式控制该液晶显示模块。
本设计采用1602液晶屏，液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，通电后就可以显示出图形、文字。
1、显示器的选择
采用LED数码管。
系统采用动态显示方式驱动6个数码管工作,其中4个数码管用来显示温度值,2个用来显示检测到的湿度值。
用74LS138的输入端来选择位码,单片机的P1口控制数码管的断码。
如果检测到的温度与湿度发生变化时,数码管即会发生相应的变化,起到实时显示功能。
LED数码管亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定，从而得到了广泛的应用。
采用1602液晶屏。
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
相对而言，液晶显示器显示质量高、体积小、功耗低等特点，而且其电路设计简单，操作更加方便。
因此我们选择方案二。
2、1602液晶简介
1602字符型液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16×
2即32个字符（16列2行）。
注：
为了表示的方便，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。
3、1602液晶显示特性
（1）单5V电源电压，功耗低、寿命长、可靠性高；
（2）内置192种字符（160个5×
7点阵字符和32个5×
10字符）；
（3）具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义八个5×
8点阵字符；
（4）显示方式：
STN、半透、正显；
（5）驱动方式：
1/16DUTY,1/5BIAS；
（6）视角方向：
6点；
（7）背光方式：
底部LED；
（8）通讯方式：
4位或8位并口可选；
（9）标准的接口特性，适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。
4、1602液晶与AT89S52接口电路
图3-21602LCD与单片机接口电路图
2.3.3温湿度采集模块
1、传感器的选择
传感器是实现测量与控制的首要环节，是检测系统的关键部件。
采用热电阻温度传感器和HOS-201湿敏传感器。
热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。
其主要的特点为精度高、测量X围大、便于远距离测量。
铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。
缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。
铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；
但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。
在工业中用于-50～180℃测温。
HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度X围为0～100%RH，工作温度X围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。
这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带X围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。
然而，这种传感器只限于一定X围内使用时才具有良好的线性，从而有效地利用其线性特性，而且它还不具备在本设计系统中对温度-30～50℃的要求。
采用DHT11温湿度传感器。
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，因此，该产品具有品质卓越、超快响应，抗干扰能力强、性价比极高等优点。
综上所述，我们选择方案二来作为本系统的温湿度传感器。
2、DHT11温湿度传感器简介
DHT11传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP（OneTimeProgramable）内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，产品为4针单排引脚封装，连接简单方便，使其成为各类应用场合的最佳选择。
3、DHT11引脚及接口
图3-3DHT11引脚及接口原理图
表3-4DHT11引脚功能
引脚
名称
注释
1
VDD
供电3—5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极
2.3.4键盘模块
键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘。
在本设计中由于按键较多，因此选用矩阵式键盘。
1、键盘控制电路
本系统中键盘的作用是实现人机交互功能，通过键盘设置温度／湿度的上、下限值。
键盘控制电路如下图所示：
图3-4键盘控制电路
2、各功能键作用分配
（1）开/关机键：
主要控制硬件系统的开/关机。
（2）数字设置键：
S0和S1分别为温度1+和温度1-，用来设置温度的下限值；
S2和S3分别为湿度1+和湿度1-，用来设置湿度的下限值；
S4和S5分别为温度2+和温度2-，用来设置温度的上限值；
S6和S7分别为湿度2+和湿度2-，用来设置湿度的上限值。
当传感器采集到的温度、湿度值中有一样超出所设定的区间，即温度／湿度过高或过低，则该系统会发出蜂鸣报警。
（3）复位键：
在测温湿度过程中，若需要中断正在运行的测试状态，则按下复位键，系统重新初始化。
另外，在设定仓库允许的温湿度上、下限值时，若一不小心输入错误，想重新输入，则亦可按复位键进行修改。
（4）开报警键：
SE为开报警键，当温/湿度值超过设定值而报警时，则可以按该键取消报警。
（5）关报警键：
SF为关报警键，用来关闭蜂鸣报警。
2.3.5报警模块
1、报警模块的选择
采用语音芯片ISD1420。
ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路，它由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。
该芯片具备分段录音功能,其工作电压在4.5V～5.5VX围,使用直接电平/边缘存储技术,省去了A/D、D/A转换。
其内部集成了大容量的EEPROM,不再需要扩展存储器,便于与单片机连接。
ISD1420的地址模式必须要精确计算录音时间与地址单元的换算，才能确定每段语音的起始地址，除非使用ISD公司生产的ISD1425高级语音编程拷贝机进行自动分段录音并将地址读出，否则使用起来还是很麻烦的。
而操作模式虽然可以不用担心语音地址的问题，但在多段录放上的操作略显繁琐，完成一个功能要进行多个管脚的操作，使用起来不是很方便。
而且ISD1420价格昂贵，货源稀缺，虽功能强大，但不是最佳选择。
采用压电式蜂鸣器。
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、定时器等电子产品中作发声器件。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成，有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
因此该产品电路设计简单，操作更加方便，而且具有很高的性价比。
综上所述，本设计选择方案二作为本系统的报警模块。
本系统采用蜂鸣器作为报警装置，蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、电子玩具、报警器等电子产品中作发生器件。
在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。
2、报警电路接口
图3-5三极管驱动的蜂鸣音报警电路
3、蜂鸣器工作原理
本设计采用峰鸣音报警电路，其工作过程就是把传感器采集的数据通过单片机处理后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值进行显示。
在本系统中峰鸣音报警接口电路的设计采用压电式蜂鸣器，通过AT89S52的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。
压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以用一个晶体三极管驱动，如上图3-5所示。
在图中，P2.7接晶体管基极输入端。
当P2.7输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；
当P2.7输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。
2.3.6串口通信模块
为了对采集到的数据进一步处理，需要将单片机采集的温度和湿度数据传输到上位机，利用单片机的RXD、TXD接口连接到RS232串行口接收或发送数据和指令，但是单片机的TTL电平和RS232不兼容，因此使用了MAX232进行电平转换，AT89S52具有串行通讯接口（SCI）,SCI是为能与CRT终端及计算机等外设通讯的全双工异步系统，本系统采用RS-232C接口方式，传送波特率为9600比特。
接口芯片采用MAX232，这种芯片可以实现TTL电平和RS-232C接口电平之间的转换，也就是可以把5V电平表示“1”、0V电平表示“0”的逻辑，转换成-3~15V电平表示“1”、+3~15V电平表示“0”的逻辑，从而解决了由于PC机的串行口是RS-232C标准的接口，其输入输出在电平上和采用TTL电平的AT89S52在接口时会产生电平不同的问题。
因此，PC机和AT89S52单片机串行通信便可以顺利进行。
1、RS-232C简介
在单片机通信中,谈到串口通信,必然涉及RS-232C。
RS-232C总线标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL公司一起开发并于1969年公布的通信协议，该总线是广泛使用在微机数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的外部总线接口。
RS是英文“推荐标准”的缩写,232是标志号,C表示修改的次数。
RS232C定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。
接口标准包括机械特性、功能特性和电气特性等方面的内容。
在电气特性中,采用负逻辑电平表示,规定逻辑0电平为+5V—+15V,逻辑1为-15V—-5V[15],常称之为RS232电平。
而单片机输出的是TTL或S电平。
我们知道,TTL/S电平规定逻辑0电平为0V,逻辑1电平为+5V。
显然,当PC机与单片机进行通信时,其接口就不能直接相连,必须经过电平转换,否则就会损坏设备。
当微机配备了RS一232接口后，它不仅可以与多种仪器和外设连接，而且，通过它还可以在两台微机之间进行近程和远程的通信。
该总线有以下优点:
（1）串行通讯成本低廉，通用性强，符合RS一232标准的串行口已成为PC机的标准配置；
（2）通过该总线接口，可以使微机控制各种测量仪器，组成自动测试系统；
（3）扩展了微机的应用领域，使个人计算机的功能得以加强；
（5）现代信息处理系统要求电子测量、通信和微机有机结合在一起，即用测量仪表采集、检测信息，用通信网络进行传输，并通过计算机进行处理和控制；
（6）RS一232C的信号连接十分灵活，通过对信号线进行适当调整，即可通过MODEM进行远程传送，也可以直接连接应于近距离传输；
即可以连接成主从的DTE一DCE方式，也可以把两台微机连接成对等的方式。
RS一232C的总线可分为四类信号线，即数据总线、控制总线、定时总线和信号地线。
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