室内环境检测器的设计Word文件下载.docx
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2.1.4主控芯片引脚图
2.2传感器芯片
2.2.1 MQ-135有害气体传感器
2.2.2 MQ-9可燃气体传感器
2.2.3 火焰传感器
2.2.4 DHT11温湿度传感器
2.2.5 光敏电阻
2.2.6 蜂鸣器
2.3显示芯片LCD1602
第三章软件程序设计4
3.1编写语言的选择
3.2编译软件介绍
3.3灭火报警模块
3.4液晶显示模块
3.5传感器模块
3.5.1 MQ-135有害气体传感器
3.5.2 MQ-9可燃气体传感器
3.5.3 DHT11温湿度传感器
3.5.4 光敏电阻
第四章实验过程及结果5
4.1硬件遇到的问题及解决
4.2软件遇到的问题及解决
4.3实验程序及结果
第五章总结与展望6
5.1全文总结
5.2未来展望
参考文献7
致谢8
第一章绪论
1.1问题的提出及研究目的和意义
在常温下，甲醛为气态的表现形式。
它没有颜色，且拥有刺鼻的强烈气味。
在水、醇、醚中，它都易溶。
所谓的福尔马林是它的水溶液（37%的条件），福尔马林应用于标本的保存方面，不管是在医学部门，还是在科研部门，其都扮演着十分重要的角色。
甲醛拥有非常快的挥发速度，这是因为其沸点低（19.5C）且伴随着温度容易发生剧烈变化导致的。
在我们中国有毒化学品的行列中，甲醛占据着重要的地位（第二名）。
如今，以世卫组织的观点看来，甲醛容止导致癌变。
事实上，作为一种有毒物质，甲醛来源于原料浆。
一旦人体被甲醛（高浓度）入侵后，会造成严重的后果，例如支气管哮喘患者会出现头痛、水肿、呼吸道刺激。
一旦人体皮肤接触到甲醛，轻则出现色斑、皮炎，重则出现皮肤坏死的结果。
这是由于甲醛可以很容易的同蛋白质进行结合。
不仅仅是大量吸入甲醛，人们吸入少量的甲醛也会带来相应的后果。
即出现慢性中毒的症状，例如指甲无力、过敏性皮炎、粘膜充血、角化病等等。
一旦少量甲醛被人们吸入，人们一般会出现以下情况，即自主神经紊乱、体重减轻、失眠、头痛等等。
天然气。
作为一种气体混合物，液化天然还有另一个名字，为气罐。
其包括很多组成部分，其中烷烃占最主要的部分，还包不多的乙烷、丙烷和丁烷。
此外，除去水、氮气、二氧化碳和硫化氢以外，还称为烷烃。
还有氩气和氦气等等少量的惰性气体。
甲烷与丁烷在标准情况下存在状态为气体,且烷烃高于液体。
当燃烧天然气时，对人呼吸系统造成伤害的东西几乎没有产生，仅仅产生煤的40%的二氧化碳。
且二氧化硫产出更是少之又少。
但是天然气燃烧的条件为同易燃、易爆、空气混合时,且高达550C的温度。
当天然气混合物达到5%~15%的浓度。
天然气将大约达到8500~10000kCal/m3的热值。
相比于城市燃气，燃烧天然气将会达到其2.5倍的热量。
本课题研究的是一种基于Arduino开发板设计室内环境检测系统，将传感器检测的数据通过无线通信的方式进行传输，如：
温、湿度，光照强度，有害气体，可燃气体等情况的检测，实现检测数据的传输，并及时向用户进行环境情况的反馈，对突如其来的危险进行预警，让用户及时做出相应的处理。
传统的室内环大多数环境检测系统都是有线的,需要大量的布线,这会影响室内的外观,造成资源的浪费。
如果线路老化发生了问题,修理也造成了不便。
本系统采用无线通信技术设计了一种室内环境检测系统。
它克服了传统方法的局限性。
它不损坏起居室原有的结构,连接线数量少,布线简单,安装灵活。
同时采用低功耗设计,节能等优点。
1.2国内外发展历史
所谓室内环境，它的含义是民众开展室内活动的区域。
由于日常生活的存在，所以其得到了逐步的扩展，并且慢慢变成了1个不可分割的整体。
在当今人类社会中,人与环境的关系越来越受到人们的关注。
甲醛气体传感器检测已成为最近甲醛检测的重要内容。
1983年，压电甲醛传感器首次出现在公众的视野。
这个传感器不用对任何样品开展相关的处理，就能够获得测量结果，不过很大程度上会得到水分子的作用，从而造成晶体漂移具备更多的振动频率,不实用。
为了满足室内空气甲醛快速检测的要求,研制了一批快速甲醛测定仪。
这个一起能够对田间甲醛含量进行检测，获知其浓度，并且能够给公共场所以及室内的甲醛测验提供极大的便捷。
它还能够在试验舱法测定人造板甲醛释放量的场景下得到很好的运用。
不过上述仪器在很多方面都存在不同，包括适用区间、响应性能、以及工作机制等，G公司和北京本达绿色科技有限公司生产的甲醛等被抑制了308。
上述仪器能够对有害气体进行检测，在一些较为专业的实验研究所得到了很多的运用。
就能够检验甲醛等有害气体的设备而言，它需要耗费超过2万元的资金,例如英国PPM公司制造的PPM400甲醛仪。
它需要特别多的测量时长,在不同的时间阶段里，都需要进行再一次的测验。
专业人员操作难度大,难以连续测量。
目前,国内外产品的设计差异主要集中在监控传感器和控制芯片的选型、操作上,国外产品操作界面方便、功能较为齐全。
1.3本课题的主要设计内容
（1）针对室内环境检测系统进行模块化设计。
对有害气体的检测采用MQ-135有害气体传感器进行;
对于可燃气体的检测可以使用MQ-9可燃气体传感器;
使用火焰传感器检测火焰;
当发生火灾时,蜂鸣器工作;
同时灭火电机工作,将火源扑灭;
利用光敏电阻对光照强度进行检测，通过LED灯从侧面显示光照强度的大小，从而达到对光强的检测。
（2）搭建基于Anduino的室内环境检测系统的硬件电路。
由于用到的传感器较多，所以合理的分配接口是一个需要解决的问题，同时保证接口数量够用，接线的同时保证每一个传感器不互相影响。
再通过合理的规划线路，来保障每一个传感器能正常显示正常工作。
（3）基于Anduino开发模块化传感器软件编程设计。
通过给每一个传感器模块编程，然后汇总到一个程序里，再配合着硬件电路，使接口与程序一一对应，保证每一个传感器程序准确无误。
第二章整体硬件结构说明
2.1主控芯片
2.1.1主控芯片发展历程
MassimoBanzi是意大利伊维利亚的一所高科技设计学校的教师。
他的学生经常抱怨他们找不到便宜和有用的微控制器。
在2005的冬天,MassimoBanzi和DavidCuartielles讨论了这个问题。
DavidCuartielles是一位西班牙芯片工程师,他是这所学校的访问学者。
两人决定设计自己的电路板,并介绍了板子学生DavidMellis作为编程语言的电路板设计。
两天后,DavidMellis写了密码。
三天后,电路板就完成了。
MassimoBanzi喜欢去一个叫迪雷阿杜诺的酒吧,那是以意大利国王Arduino的名字命名的。
为了纪念这个地方,他把电路板命名为Arduino。
随后,班齐、Cuartielles和Mellis在互联网上发布了设计图。
版权法可以监控开源软件,但很难使用硬件。
为了保持设计的开源思想,他们决定使用创作共享（CC）授权来打开硬件设计。
在这样的授权下,任何人都可以生产电路板的拷贝,甚至重新设计和销售原始设计的拷贝。
人们不必支付任何费用,甚至得到阿杜诺团队的许可。
然而,如果重新发布参考设计,则必须声明原始Arduino团队的贡献。
如果电路板被修改,最新的设计必须使用相同或相似的创作共享（CC）授权方式,以确保新版本的Arduino电路板也将是免费的和开放的。
唯一被保留的是阿杜诺的名字,它已经被注册为商标,不能在没有官方授权的情况下使用。
自Arduino发展以来,已经推出了许多模型和许多导数控制器。
Arduino发展至今，已经有了多种型号及众多衍生控制器推出。
2.1.2主控芯片平台特点
Arduino是一个方便、灵活、方便的开源电子原型平台。
它包含硬件（各种类型的Arduino板）和软件（ArduinoIDE）。
由欧洲开发团队在2005冬季开发的。
其成员包括MassimoBanzi、DavidCuartielles、TomIgoe、GianlucaMartino、DavidMellis、NicholasNicholas等。
它是建立在开源的简单I/O接口的版本,并具有处理/布线类似于java和c语言开发环境。
它主要包括两个主要部分:
硬件部分是可以用于电路连接的Arduino电路板,另一个是ArduinoIDE,是计算机中的程序开发环境。
只要你在井手写程序代码,并把程序上传到Arduino电路板,程序就会告诉Arduino电路板该做什么。
Arduino可以通过各种传感器感知环境,并通过控制灯光、电机和其他设备来反馈和影响环境。
单片机上的单片机可以通过Arduino编程语言编程,编译成二进制文件并烧成单片机。
Arduino的编程是通过Arduino编程语言（布线）和Arduino开发环境（处理）实现的。
基于ARDUIO的项目可以只包括Arduino、Arduino和其他在PC上运行的软件,并在它们之间进行通信（如Flash、处理、MXMSP）。
ArduinoUNO是Arduino平台的参考标准模板,是ArduinoUSB接口系列的最新版本。
UNO的核心控制装置是ATMEGA328处理芯片,数字输入/输出端口具有14个通道:
6个PWM输出端口、6个模拟输入端口、1路ICSPheader、16MHz的体振荡器、电源插座、USB接口和复位按钮。
在AREF:
SCL和SDA中增加了两个新引脚,支持I2C接口;
增加I/ORF和预留引脚,同时控制面板可以与5V和3.3V的电源电压同时兼容。
图2.1ArduinoUNO开发板
许多单片机和MCU平台设计采用交互系统。
例如,视差基本、邮票、PHIDGET、麻省理工学院的Handyboard等等。
对于这些工具,工程师不必关心单芯片编程的复杂细节,并且为程序员提供了一套非常简单的工具来查看包。
类似地,Arduino极大地简化了内部芯片的工作顺序,但Arduino在某些方面与其他开发平台相比具有优越的特性。
Arduino编程环境可以与MacintoshOSX、Windows和Linux应用系统完美兼容。
但是许多其他的SCM系统只能在Windows环境下运行。
Arduino控制面板价格便宜,可以亲自组装,也可以购买完整的产品。
软件是开源的和可扩展的。
Arduino软件是开源的,专业程序员可以扩展它。
您可以扩展Arduino编程语言通过C++库。
一个简单的编程环境——Arduino编程环境和处理编程环境非常相似,因此我们可以很容易地学会如何熟练地使用Arduino开发环境。
硬件开源和可扩展Arduino开发板是基于ATMEL的ATMEGA8和ATMEGA168/328MCU,基于CreativeCumon许可协议,因此可以根据需求设计模块。
可以对其扩展或改进。
Arduino是基于AVR开发平台,AVR库被编译和封装两次,所有端口都打包,基本上不需要寄存器、地址指针等资源。
但是Arduino是两个编译和封装,所以代码不是直接用AVR代码编写的,并且代码的执行效率和代码容量不是由AVR直接编写的。
2.1.3主控芯片功能
我们可以快速使用Arduino和AdobeFlash、处理、Max、MSP、纯数据、超级对撞机等软件进行交互工作。
Arduino可以使用现有的电子元件,如开关或传感器或其他控制设备,LED,步进电机或其他输出设备。
Arduino还可以独立运行并与软件交互,如MacromediaFlash、处理、Max、MSP、纯数据或其他交互式软件。
ARDUIO的IDE接口是基于开源代码的,可以免费下载,开发更令人惊异的交互作品。
2.1.4主控芯片程序语言及引脚图
图2.2ArduinoUNO开发板引脚图
2.2传感器芯片
2.2.1MQ-135有害气体传感器
MQ-135型有害气体传感器特点:
对有害气体的敏感度很宽,对氨气、硫化物、等相关的气体，能够实现高灵敏度的测量。
而且，传感器同时具有成本低，功耗少的特点，给升级带来方便。
图2.3MQ-135有害气体传感器示意图
图2.4MQ-135有害气体传感器元件外形结构图
从MQ-135型传感器可以发现，对于气体敏感材料的选择，主要是根据空气中的电导率，因此，氧化锌SnO2成为了最优的方案。
如果环境中的污染空气已经具备了一定浓度，就会造成电导率的增加，并且形成一定的信号触发。
从电路的基本构成可以得到相对应的转换形式，并且在具体的输出信号上得到规定的数值。
从传感器的应用范围来看，硫化物、氨等都会形成更敏感的信号，因此，对于吸烟和其他有害监测也是理想的。
该传感器可以检测各种有害气体,是一种适合于许多应用的低成本传感器。
下图2.5是传感器典型的灵敏度特性曲线。
图2.5传感器典型的灵敏度特性曲线
从图中的坐标分析中可以进一步传感器作用，电阻的比值是重要的临界点，即Rs/Ro，在纵轴上显示。
Rs——表示传感器在不同浓度气体中的电阻值
Ro——表示传感器在100ppm氦气中的电阻值
图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。
进一步分析其它要素，包括温度、湿度等，可以得到如图2.6所示的曲线：
图2.6传感器典型的温度、湿度特性曲线
图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。
Rs——表示在含100ppm氨气、不同温/湿度下传感器的电阻值。
Ro——表示在含100ppm氨气，20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值。
传感器的基本电路测试是重要的应用前提，具体电路如图2.7所示。
可以看出，两个电压是必须的，即Vx和Vc，分别对应加热器电压和测试电压。
前者提供了特定的温度，后者与串联负载电阻密切相关。
考虑具体的极性状态，Vc并不需要交流电源的加载。
如果整个电路都可以在有效载荷状态下工作，那么这两个电压就可以又一个电源提供。
需要对电路中的RL值进行挖掘，以便进一步提高传感器的性能。
图2.7传感器的基本测试电路
进一步分析传感器的结构，得到MQ-135气敏元件示意图，从图2.8中可以看出。
整个结构包括了陶瓷管、敏感曾，测量电极等要素，并且利用不同的材料进行组合和控制。
在进行气敏元件加热的过程中，测量腔体的温度，并且得到相关的数值。
从具体的组成上可以看出，6个管脚中得到了不同的信号，其中四个用于输出，另外两个用于加热。
图2.8从内部构造角度观测MQ-135气敏元件
MQ-135有害气体传感器在ArduinoUno开发板上的接线方式及引脚说明：
VCC——5V——接电源
GND——GND——接地
DO——空——D-OUT
AO——A0——A-OUT
2.2.2MQ-9可燃气体传感器
从众多传感器的适应性上来分析，MQ-9是重要的一款，主要对液化石油气、甲烷等有重要的感知效果。
它可以被应用于许多CO等可燃气探测的场景。
通过与Arduino的开源制作平台相结合，用户可以制作出许多低成本的探测方案。
图2.9MQ-9可燃气体传感器
考虑一氧化碳的检测，仍然要考虑器件的导电率，并选用MQ-9气体传感器。
在温度循环方式上，不同的电导率对应不同的浓度。
如果已经达到了比较高的温度，就会形成更多的检测功能，不仅能检测出一氧化碳，也能检测出甲烷等气体。
从电路的角度进行变换，会得到相对应的敏感性信号。
所以，MQ-9可以有效的检测出多中气体，包括甲烷，液化气等。
这些气体都是可燃性气体，如果检测不准可能带来潜在的危险。
所以，利用这些气敏材料，不仅要考虑成本，更要考虑安全性。
图2.10MQ-9可燃气体传感器元件外形结构
下图2.11是传感器典型的灵敏度特性曲线。
图2.11传感器典型的灵敏度特性曲线
进一步考虑灵敏度的关系，得到传感器电阻比值，作为纵轴输出。
对于温度和湿度的敏感性，可以从图2.12中观察得到。
图2.12传感器典型的温度、湿度特性曲线
考虑电阻比，并设定横坐标的步长。
对当前传感器的测试电路进行分析，如图2.13所示。
两个电压是必要施加的，报错加热器电压和测试电压，这样就可以保证整个器件都是在正常的工作条件下。
传感器上串联了电阻，使得Vc仅提供直流电压就可以满足要求。
如果整个器件都在额定状态下工作，是要串联的电阻比较合适，那么就可以通过一个电源进行供电。
这样既能保证传感器的工作效率，也能保证器件的合理性。
图2.13传感器的基本测试电路
MQ-135气敏元件是系统的重要组成，具体的结构可以从2.14观察出来。
在多个元器件共同作用下，实现了测试必备的条件，包括Al205陶瓷管，Sn02敏感层等。
同样的原理，对6个针状管脚进行封装，其中的四个作为信号输出的管脚，另外两个是电流传送的管脚。
图2.14MQ-9气敏元件的内部构造
2.2.3火焰传感器
远红外火焰传感器，其主要用来检测到波长为700nm到1000nm内的红外线,且其探测角度的度数为60度。
经研究表明，远红外火焰传感器的灵敏度当且仅当在880nm时最佳。
同时，此传感器的探头可以探测到外界的红外光的强度，并经过一些转换，会输出一定大小的电流,这些电流变化最后通过模数转换器，反映在数值上为0到255内的数字变化。
若红外光越强,则反映的数值越小，反之则反。
紫外火焰传感器，其主要用来检测波长小于400nm以下的紫外线。
紫外-可见吸收材料可以利用紫外光,可以根据实际情况设置检测角度,在350纳米附近用紫外光探测时,灵敏度最佳。
同时，次传感器的探头可以探测到外界紫外光的强度，并经过一系列转换，也会输出一定大小的电流,这些电流变化最后通过模数转换器，反映在数值上为0到255内的数字变化。
若紫外光越弱,其值越大，反之则反。
图2.15YS-17火焰传感器及电路图
2.2.4DHT11温湿度传感器
DHT11温湿度传感器，其是一种具备能校准由数字信号输出的温度和湿度的传感器。
为了使得DHT11温湿度传感器能够长时间的安全可靠工作，其使用了较为先进的温湿度传感技术、数字集成模块技术以及数据获取技术。
DHT11温湿度传感器其内部主要由两部分组成，分别是NTC温度计和电阻湿度传感元件。
并且它还由8位微型控制器进行机密控制。
图2.16DHT11温湿度传感器内部结构示意图
该传感器连接的ARM芯片相对其他传感器而言更为简单。
ARM芯片的I/O数字接口2是数据端口，其可以获取输入的串行数据，此口并与DHT11温湿度传感器的Pin2相连接。
考虑到操作的电路总长比20m小，故此应当加上5000Ω大小左右的电阻，DHT11温湿度传感器的Pin1和Pin2分别与ARM芯片的电源口和接地口相连。
Pin3则无需连接任何部分，并做悬浮处理。
DHT11型温湿度传感器通过精密湿度测试在精密校准实验室进行校准。
校准的系数结果将以OTP中的程序数据的形式被存贮下来，在DHT11温湿度传感器的运行期间其信号会自动使用这些程序数据。
DHT11温湿度传感器最大优点之一，在于其占积小，功耗低，这也使得DHT11温湿度传感器能让信号传输距尺度大于20m以上,这也成为了各种实验室用、商用工用，以及更为复杂环境中的最佳选择。
（1）引脚介绍：
Pinl:
（VDD），电源引脚，供电电压为3～5.5V。
Pin2:
（DATA），单总线，串行数据通信。
Pin3:
（NC），空脚，请悬浮。
Pin4:
（VDD），电源负极，接地端。
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