环境监测与报警系统的设计.docx
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环境监测与报警系统的设计
华中科技大学文华学院
毕业设计（论文）
题目：
环境监测与报警系统的设计
学生姓名：
卢磊学号：
0313
学部（系）：
机械与电气工程学部
专业年级：
09应用电子技术
指导教师：
范娟职称或学位：
2011年5月20日
摘要·····················································2
关键词···················································2
Abstract·················································2
Keywords················································2
前言·····················································3
1.环境监测技术简介·······································5
环境监测技术的进展及现状···························5
温湿度传感器······························5
气体传感器······························5
2.环境监测系统的整体设计···················7
课题的分析·········································7
设计方案············································7
2.2.1方案设计思想····································7
2.2.2整体框图········································8
3.系统硬件的实现·········································9
主控电路设计········································9
外围接口电路的设计·································15
3.2.1数据收集与处置电路···························15
显示电路
声光报警电路···································20
4.软件的实现···········································23
编程KEIL环境介绍·······························23
主程序设计········································23
数据收集与处置程序设计····························24
显示程序设计····························24
声光报警程序设计····························24
5.调试················································27
调试的步骤·······································27
调试进程中碰到的问题及解决方式···················28
结束语·················································30
参考文献···············································31
致谢···················································32
摘要
本设计采用80c51单片机作为运算、控制核心，而且利用用LCD显示出现场的相关信息（温度湿度,有害气体，烟雾浓度）并进行报警信息等；同时控制放音电路达到报警有关信息。
本系统具有必然的智能化程度和人性化，精度较高，还可在此基础上进行其他功能和应用的扩展。
关键词：
报警器、80C51、声光传感器
Abstract
ThisdesignusesthemonolithicAtmage80c51ascontrolcoreoperations,ThesceneuseLCDtodisplaytherelatedinformation（temperature,humidity,harmfulgases,smokeconcentration）andalarminformation,etc.Thissystemhascertainlevelofintelligenceandhumanization,highprecision,andcanalsobebasedonotherfunctionsandapplicationextension.
Keywords:
80C51,smokesensoralarm.
前言
环境监测是指测定代表环境质量的各类标志数据的进程。
它是在环境分析的基础上进展起来的。
随着世界各国经济的增加，自然界贮存的资源，如煤、石油等各类矿藏被普遍地开发和利用。
由于人口密集的大城市和工矿区的成立，使大量化学物质进入环境，超过了大自然的自净能力，在环境中不断积累，产生了危及人类生存的公害。
为了寻求环境质量转变的原因，必需先从污染物的性质、来源、含量及其散布状态的分析开始。
于是环境分析化学就成为环境科学的前驱，在环境分析中发挥了踊跃作用。
环境分析是以大体化学物质为单位，以对物质进行定性、定量分析为基础，从而对影响环境质量的原因进行研究的一门科学。
环境分析的主要对象是工业排放物，包括大气、水体、土壤和生物中的各类污染物。
其分析方式，既能够在现场直接测定，也能够收集样品在实验室进行分析。
可是，判断环境质量的好坏，仅对单个污染物短时刻的样品分析是不够的，必需有代表环境质量的各类标志的数据，即各类污染物在必然范围的长时刻的污染数据，才能对环境质量作出确切地评价。
这项任务对以化学分析为手腕的环境分析是难以完成的，而物理测定则为此提供了方便条件。
物理测定是指测定那些与物理单位（如长度、重量、时刻、温度等）或物理量（如热、光、电、磁等）有关的现象或状态。
将物理测定原理和测量工艺相结合，使测量持续化、自动化，这就是环境污染物理测定的基础。
物理测定与环境结合，并有目的地对环境质量某些代表值进行长时刻地（持续地或中断地）测定进程，称为环境监测。
按照上述意义，能够以为环境分析是化学分析与环境的结合，而环境监测是物理测定与环境的结合。
前者是后者的进展基础，而后者较前者包括的范围更广，意义更深。
可是，随着环境监测技术的进展，化学分析和物理测定之间彼此渗透，兼而用之，并无截然的分界限。
如利用压电晶体频差原理和光学原理，对污染物进行定性定量就是物理测定在化学分析中的应用；利用化学反映产生发光和颜色的原理，测定污染物的性质和含量就是化学分析在物理测定中的应用。
环境科学研究的中心问题，是人与环境之间在进行物质和能量互换活动中所产生的影响。
而这些研究都是在定性、定量化的基础上进行的，因此环境监测是环境科学研究的重要手腕之一。
从人类环境和环境科学研究这一意义来讲人类活动影响了自然环境，而自然环境反过来又作用于人类。
为了生存并追求美好的生存环境，人类从环境调查着手，通过环境监测，积累大量的长期监测数据，查出污染的来源，摸清污染物在传输进程中的散布和转变的规律性；通过开展模拟研究，成立模式，对环境污染的趋势作出预测预报；通过准确地评价环境质量，并在此基础上提出或肯定控制环境污染的对策。
如此往复进行，慢慢地改善环境。
这一系列活动组成了环境科学的一个研究体系。
环境监测是那个体系中的一个重要环节。
环境监测还与社会科学发生紧密联系。
一方面环境监测取得的数据用以制订或修改各类环境质量标准，纳入国家或地域的环保法规；另一方面，依法监测，可作为执行环保法规的技术仲裁。
由此可见，环境监测对环境科学研究和环境保护是十分重要的。
第1章绪论
声光报警器的进展及现状
1.1.1环境监测技术
随意科学的进展，人们发觉环境与人们的联系日趋紧密，拥有良好的环境监测技术以便令人们深度的了解环境从而进行生产和活动已经成了一种趋势。
环境监测技术主要包括对环境温湿度，气体（CO1、CO2等）的监测.
1.1.2探测器的进展趋势
探测器朝新探测技术的进展进一步拓展了探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手腕。
相关技术的进展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处置技术、低功耗MCU技术进一步增进了传统探测技术的改良，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。
多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向进展迈出了更快的步伐。
近几年来，单片机已慢慢深切应用到工农业生产各部门及人们生活的方方面面。
各类类型的单片机也按照社会的需求而开发出来。
单片机是器件级运算机系统，实际上它是一个微控制器或微处置器。
由于它功能齐全，体积小，本钱低，因此它能够应用到任何电子系统中去，一样，它也能够普遍应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能加倍完善，靠得住性大大提高，以知足社会进展的需要。
论文研究的目的及意义
1.2.1目的：
环境监测的目的是准确、及时、全面地反映环境质量现状及进展趋势，为环境管理、污染源控制、环境计划等提供科学依据。
具体可归纳为:
（1）按照环境质量标准，评价环境质量。
（2）按照污染散布情形，追踪寻觅污染源，为实现监督管理、控制污染提供依据。
（3）搜集本底数据，积累长期监测资料，为研究环境容量、实施总量控制、目标管理、预测预报环境质量提供数据。
（4）为保护人类健康、保护环境、合理利用自然资源、制订环境法规、标准、计划等服务。
1.2.2意义：
1.环境监测是掌握环境质量状况和进展趋势的重要手腕。
2.环境监测是科学管理环境的基础。
环境监测是环境保护的基础性工作，必需为环境管理和经济建设服务，及时向环境保护行政主管部门提供环境质量信息及转变趋势，为有关部门在监督污染物排放、控制新污染源产生和提高资源、能源利用率等方面提供决策依据。
3.环境监测是正确处置环境污染事故和污染纠纷的技术依据。
通过环境污染事故的监测和污染纠纷的仲裁监测，能够肯定环境是不是受污染、污染危害程度、受何种污染物污染等，这就为正确处置环境污染事故和污染纠纷提供技术依据。
论文内容
第一章绪论本章本主要介绍了声光报警器的进展史及进展趋势。
对声光探测器进行了系统性的论述。
还有论文研究的目的和意义进行了简单的解释。
第二章基于C51单片机的声光报警的设计方案本章是按照论文的要求分析了论文的主要任务。
继而归纳出整个设计的主要思想和肯定出设计方案。
第三章系统硬件实现本章针对的是系统硬件是设计。
在对整个系统硬件设计时，咱们主要从它的主控电路80C51（单片机的复位电路、时钟电路）的设计和外围电路（声光报警电路、A/D转换电路）的设计来具体介绍。
还有对在设计顶用到的声光传感器进行了重点介绍。
第四章软件实现本章是论文的软件部份。
其中，咱们熟悉了整个程序设计的运行环境keil。
还有程序的编写进程，对程序做了相应的注释。
第五章调试本章着重与软件的调试。
在运行环境中咱们调试的步骤和在运行中出现的问题及解决的方式。
最后附上结束语（我的感想）、谢辞和参考文献。
第2章基于C51单片机的声光报警的设计方案
课题的分析
单片机应用系统能够分为智能仪器表和工业测控系统两大类，无论哪一类，都必需以市场需求为前提。
所以，在系统设计前，第一要进行普遍的市场调查，了解该系统的时常应用概况，以分析系统当前存在的问题，研究系统的时市场前景，肯定市场开发设计的目的和目标。
简单地说，就是通过调研克服旧缺点，开发新功能。
按照论文的设计要求：
（1）、熟悉Keil编程环境；
（2）、熟悉有关探测器的理论知识；
（3）、给出设计方案；
这次的设计先从硬件设计上着手。
先要整理出声光报警系统的整体思路。
肯定出方案设计中需要的硬件设备。
咱们在肯定了大的方向基础上，就应该对系统实现进行计划。
包括应该收集的信号各种类、数量、范围，输出信号的匹配和转换，传感器的选择，技术指标的肯定等。
设计方案
2.2.1方案设计思想
这次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。
其中包括了咱们大学三年中所学到的相关知识，运用咱们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术，本设计基于单片机的声光报警系统。
80C51单片机比如一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。
当周围的环境达到咱们设定的数值时，声光传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。
物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。
通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。
当信号的数值符合A/D转换器的输入品级时，能够不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入品级时，就需要放大器放大。
而咱们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入品级，如此就可以够简化整个系统的设置。
传感器将物理信号通过A/D转换器转化为能够利用识别的电信号给单片机，这里咱们选择单片机的为输入方式，接收到信号的单片机经进程序的设定会由作为单片机的输出直接启动报警电路。
现在，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效果。
2.2.2整体框图
按照方案的设计思想，咱们从中就可以够取得了声光报警系统的整体框图如图2-1所示下：
图2-1声光报警系统的整体框图
利用80C51单片机，选用声光传感器作为敏感元件，利用AD574A转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的声光报警器。
整个设计由4大部份组成：
声光传感器、A/D转换电路、80C51单片机、声光报警电路。
其中，声光传感器是将现场温度、声光等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将声光传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。
声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。
综合考虑各因素，本文选择NIS-09声光传感器用作收集系统的敏感元件。
它灵敏度高，稳固性好，适合于火灾中气体的探测。
A/D转换器选用AD574A转换器。
第3章系统硬件的实现
主控电路设计
硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将收集到的数字电压值经运算机处置取得相应的二进制代码，与设定的值作比较。
整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机80C51实现其控制功能。
80C51系列
80c51单片微型运算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型运算机的一个重要分支。
单片机是70年代中期进展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。
80年代以来，单片机进展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。
80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。
连年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高80C51系列产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品的地位，最近几年来推出的与80C51兼容的主要产品有：
ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机；
Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；
华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；
ADI公司推出的AdμC8ⅹⅹ系列高精度ADC单片机；
LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；
Maxim公司推出的DS89420高速（50MIPS）单片机；
Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。
由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列，所以，本次设计选择80C51单片机。
80C51的大体结构
80C51的大体结构如图所示
图3-180C51的大体结构
由图可见，80C51单片机主要由以下部份组成：
（1）CPU系统
8位CPU，含布尔处置器；时钟电路；总线控制逻辑。
（2）存储器系统
4KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可扩至64KB）；128KB数据存储器（RAM，可再扩64KB）；特殊功能寄放器SFR。
（3）I/O口和其他动能单元
4个并行I/O口；2个16位按时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源，2个优先级）
80C51单片机的的封装和引脚
图3-280C51单片机的的封装和引脚
80C51系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（QuadFlatPack）和LCC（LeadedChipCaiier）形式封装。
这里仅介绍常常利用的总线型DIP40封装。
如图3-2所示。
40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：
电源、时钟、控制和I/O引脚
第一我们来连接一下单片机的引脚图，若是，具体功能在下面都有介绍。
单片机的40个引脚大致可分为4类：
电源、时钟、控制和I/O引脚。
电源:
VCC-芯片电源，接+5V；
VSS-接地端；
时钟:
XTAL一、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
控制线:
控制线共有4根，
ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲ALE功能：
用来锁存P0口送出的低8位地址
PROG功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
PSEN:
外ROM读选通信号。
RST/VPD:
复位/备用电源。
RST（Reset）功能：
复位信号输入端。
VPD功能：
在Vcc掉电情况下，接备用电源。
EA/Vpp:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
EA功能：
内外ROM选择端。
Vpp功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。
VO线
80C51共有4个8位并行I/O端口：
P0、P一、P二、P3口，共32个引脚。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
80C51单片机的时钟
（1）振荡器和时钟电路
80C51内部有一个高增益反相放大器，用于组成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。
80C51的时钟产生方式有以下两种。
a内部时钟方式
利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTALl和XTAL2两头跨接晶体振荡器（简称晶振），就组成了稳固的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。
外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在～12MHz之间选择。
为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳固、靠得住地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。
图3-3 80C51时钟电路接线方式
b外部时钟方式
此方式是利用外部振荡脉冲接入XTALl或XTAL2。
HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同。
表3-180C51单片机外部时钟接入方式
芯片类型
接线方法
XTAL1
XTAL2
HMOS
接地
接片外时钟脉输入端（引脚需接上拉电阻）
CHMOS
接片外时钟脉冲输入端
悬空
3.1.580C51单片机的复位
在整个声光报警系统中，要进行实验，必需对整个系统先复位。
复位是单片机的初始化操作。
单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。
其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个肯定的初始状态，并从那个状态开始工作，因此，复位是一个很重要的操作方式。
但单片机本身是不能自动进行复位的，必需配合相应的外部复位电路才能实现。
复位电路设计
单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。
咱们在设计单片机复位时，选用上电复位。
上电复位
上电复位利用电容器的充电实现。
图3-4是80C51单片机的上电复位电路。
图中给出了复位电路参数。
图3-5是80C51单片机的上电+按键复位电路。
上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。
上电刹时RST引脚取得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。
RST引脚的高电平只要能维持足够的时刻（2个机械周期），单片机就可以够进行复位操作。
该电路典型的电阻值和我电容参数为：
晶振为12MHZ，电容值为10uF，电阻值为。
图3-4上电复位电路图3-5上电+按键复位电路
复位状态：
初始复位不改变RAM（包括工作寄放器R0～R7）的状态，复位后80C51片内各特殊功能寄放器的状态如表所示，表中“x”为不定数。
表3-2复位后的内部特殊功能寄放器状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TH0
00H
BSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL0
00H
P0～P3
FFH
SCON
00H
IP
xx000000B
SBUF
xxxxxxxxB
IE
0x000000B
PCON
0xxx0000B
复位时，ALE和
成输入状态，即ALE=
=1，片内RAM不受复位影响。
复位后，P0～P3口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态，并将07H写入堆栈指针SP，同时将PC和其余专用寄放器清0。
现在，单片机从起始地址0000H开始从头执行程序。
所以，单片机运行犯错或进入死循环时，可使其复位后从头运行。
外围接口电路设计
3.2.1NIS-09声光传感器简介
在设计中咱们之所以选用NIS-09声光传感器，是因为它的输出模拟量与咱们所用的A/D转换器输入品级相符合。
（NIS-09声光传感输出电压是+，A/D转换器的输入量程是0～+10V）
声光传感器主要有以下两种：
（1）散射式
在发光管和光敏电阻之间设置遮光屏，无声光光阴敏元件接收不到信号，有声光时使光敏元件发出信号。
（2）离子式
用放射性同位素镅Am241放射出微量的a射线，使周围空气电离，当平行平板电极间有直流电压时，产生离子电流Ik。
有声光时，微粒将离子吸附，而且离子本身也吸收a射线，其结果是离子Ik减小。
如有一个密封装有纯净空气的离子室作为参比元件，将二者的离子电流比较，就可以够排除外界干扰，取得靠得住的检测结果。
在本次设计中，咱们选用NIS-09声光传感器。
它是离子式烟雾传感器，是日本NEMOTO公司专为检测延误而精心设计的新型传感器。
检测方式：
离子型，一源两室。
放射参数：
电源电压是DC9v，输出电压是+
电流损耗是27+3pA，灵敏度是+。
特性参数如下表所示：
a灵敏度特性（按照UL217标准风速0.1M/秒）
b电源电压特性（25℃60﹪RH）
c温湿度特性温度特性（温度60﹪）
d温度特性（温度25℃）源：
放射元素是媚241，
放射量是平均.=（29K——37KBq）。
工作环境：
电源电压是，最大
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