基于单片机的室内空气检测大学本科毕业论文.docx
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基于单片机的室内空气检测大学本科毕业论文
毕业论文（设计）
题目名称：
基于单片机的室内空气检测
总计：
毕业论文54页
表格2表
插图19幅
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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涉密论文按学校规定处理。
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日期：
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日期：
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摘要
随着我国的经济发展，人民的生活水平提高，人们对环境问题及健康问题日益重视，室内空气质量问题同时也受到人们的高度关注。
正常情况下，我们每个人平均有三分之二的时间在室内度过。
本论文主要研究设计了一种用于室内具有检测及超限报警功能的室内空气质量检测系统。
其方案主要是以51单片机为控制核心，选择数字温湿度传感器、甲醛传感器和MQ-5气体传感器。
系统将传感器输出的标准信号通过以AD0809为核心的A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由LCD显示相应的值。
同时设计了报警系统，实现在参数超标时及时的报警。
室内空气检测系统体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。
关键字：
51单片机；室内空气检测；A/D转换；LCD显示
ABSTRACT
Withthedevelopmentofourcountry'seconomy,theimprovementofpeople'slivingstandards,peopleincreasinglyfocusonenvironmentalissuesandhealthproblem,andindoorairqualityproblemsalsopaidcloseattentiontobythepeople.Generally,eachofus,onaverage,two-thirdsofthetimespentindoors.ThepapermainlydesignsasystemthatusedfordetectingofindoorairqualityWithtestingandtransfinitealarmfunction.Themainsolutionisbasedon51singlechipmicrocomputerascontrolcore,choosethedigitaltemperatureandhumiditysensorsandMQ-5formaldehydegassensors.StandardofsensoroutputsignalthroughthecoreofAD0832afterA/Dconversioncircuit,bysingle-chipcomputerfordataprocessing,finallybytheLCDdisplaythecorrespondingvalues.Designthealarmsystematthesametime,realizetimelyalarmwhenparametersexceedbid.Indoorairtestingsystemofsmallsize,lowpowerconsumption,simpleoperation,it’ssuitableforapplicationinfamilyandcommunityhealthcare,whichtoknowtheindoorairqualityinrealtime.
Keywords:
51singlechipmicrocomputer;Indoorairtesting;A/Dconversion;TheLCDdisplay
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1设计背景及意义1
1.2室内空气检测系统国内外研究现状1
1.3设计目的及内容2
2第二章系统总体设计方案3
2.1系统设计总概述3
2.2系统硬件总体设计方案3
2.3系统软件总体设计方案3
2.4硬件和软件结构4
3第三章室内空气检测系统的硬件设计5
3.1硬件的各模块设计5
3.1.1控制模块设计5
3.1.2温湿度检测模块设计7
3.1.3气体检测模块设计8
3.1.4报警模块设计10
3.1.6电源供电模块11
3.1.7按键模块12
3.2系统总电路图12
4第四章室内空气检测器的软件设计13
4.1编程语言的选择13
4.2编译软件的选择与介绍13
4.3主程序模块14
4.4温湿度检测模块14
4.5气体检测模块15
4.6报警模块16
4.7显示模块17
4.8按键模块18
5第五章系统仿真19
6第六章结论与展望20
6.1结论20
6.2展望20
参考文献21
附录23
附录一：
程序清单23
附录二：
外文文献翻译37
致谢46
大连大学学位论文版权使用授权书47
1绪论
1.1设计背景及意义
高层写字楼等大型场所几乎完全与外界隔离，空气中微量气体多达168种，绝大多数属污染物，人们长期处于这种密闭环境中，极容易因缺氧而头晕、胸闷、恶心等[1][2]。
室内空气质量在健康方面的影响：
美国环保署调查表明:
在美国，室内空气质量问题是有关全民健康的首要问题之一，受其影响的美国人口多达3000万，造成的经济损失超过了400亿美元/年，这些数字令人触目惊心[3]；加拿大卫生组织调查表明：
68%的疾病与室内环境污染有关，其中80%~90%的癌症与居住环境和生活习惯有关;英国科学家汉密尔顿测验了220名英国人血液中60种化学元素的平均含量，发现其与地壳中这些元素的含量分布相当[4]，湖南省相关部门对空气污染区及清洁区9-10岁儿童为调查对象，研究空气污染对儿童免疫力的影响，结果显示：
污染区儿童的免疫能力仅为清洁区儿童免疫能力的1/3;据统计，我国每年有11万人因室内空气质量不好而导致死亡[5]；从我国“室内环境监测中心”对室内空气质量监测力度越来越大的趋势也可以看出，此问题在我国也是越来越严重。
2003年3月由国家环保总局、卫生部、国家质量监督检验总局共同制定并发布的我国第一部“室内空气质量标准”，指出室内污染对人们健康的重要影响，同时也表明国家对室内空气污染的高度重视。
这个“标准”的颁布不仅使室内空气污染问题引起社会的广泛关注，也给空气质量检测系统带来巨大的市场和商机[6]。
通过课题的研究摆脱这种困境，研究可以使你处在一个完全无污染纯健康的环境，这就是我们的目的。
在已经学习了控制原理、检测及单片机等相关课程，为该项目的研究提供了理论基础。
同时本课题已经获得辽宁省大创项目立项，已经具备了一定的前期基础。
在这种情况下，设计开发一套空气质量检测系统是有现实意义的。
1.2室内空气检测系统国内外研究现状
气体传感器测定甲醛成为近年来甲醛检测研究的新热点。
早在1983年，压电类甲醛传感器就已问世[7]。
这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测定，但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移，故基本无实用性。
为适应室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前已开发出不少甲醛快速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，操作方便，适用于室内和公共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量[8]。
但这些仪器的工作原理、响应性能、适应范围等都不同。
在测试甲醛、氨气、苯等害气体方面，国外比较出名的有:
美国ESC公司生产的Z一300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400甲醛检测仪；国内的有:
江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪抑一308等[9]。
随着电子技术的发展，市场上出现各种室内环境测量仪器，包括数字式的温湿度计、甲醛测量仪等。
国外早在20世纪80年代就开始对温湿度控制技术进行研究，其采用模拟式的组合仪表，采集温湿度信息并进行指示、记录以及控制。
现在国外温湿度控制技术发展很快，正向着完全自动化、无人化的方向发[10][11]。
我国对于温湿度控制技术的起步较晚，我国工程技术人员在发达国家温湿度控制技术的基础上研究微机控制温湿度技术，这种技术仅限于温度、湿度和甲醛、氨气和苯浓度等单一种类环境因素的控制。
这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研究机构。
准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵（如英国PPM公司生产的PPM400甲醛仪约两万多元），测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定；目前国内外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用，操作方面国外的产品操作界面方便，功能更加完备[12]。
1.3设计目的及内容
本设计最终目的是实现一个家用集有害气体、温度和湿度为一体的多功能检测系统，要求其精度高，适用于家庭、综合办公楼等室内检测。
具有操作简便、成本低的特点。
通过充分的调研、综合分析、比较各种测量方法以及各种改善室内空气质量的方法，本设计以单片机最小系统为核心，采用数码管显示及报警系统，将室内环境测量和控制有机的结合起来。
主要完成的设计内容如下:
（1）主控制器模块，采用AT89S52单片机作为主控单元。
（2）温湿度模块，使用传感器DHT21采集温湿度数据。
（3）气体检测模块，使用MQ-5传感器及甲醛气体传感器采集气体浓度。
（4）报警模块，采用蜂鸣器来进行报警处理。
（5）显示模块，采用LCD显示模块显示测量值。
（6）电源供电模块，为整个电路提供电源。
（7）按键模块，实现了人机对话。
2第二章系统总体设计方案
2.1系统设计总概述
本论文主要完成室内空气质量检测系统的软件设计，其设计的内容包括：
A/D转换器程序、控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示等。
本系统采用单片机为控制核心，以实现室内空气质量检测系统的基本控制功能。
系统主要功能内容包括：
数据处理、时间设置、开始测量、超标报警、自动休眠：
仪器若不进行称量操作，5分钟后自动进入休眠模式，以降低电源消耗。
2.2系统硬件总体设计方案
室内空气检测系统的总体硬件模块主要包括五大部分，即气体检测硬件、标准气体采样硬件、单片机最小控制系统硬件、报警硬件和显示硬件。
本论文的室内空气检测系统硬件设计的关键技术在于有害气体检测硬件和单片机最小系统硬件这两个硬件部分，所以，主要以这两个部分展开硬件总体方案的设计。
由于本论文所检测的三种气体信号都是变换缓慢且微弱的信号量,在选择气体传感器时就必须要考虑到其精度、稳定性等问题,所以我们采用MQ-138甲醛传感器和MQ-135气体传感器，它们具有快速的响应恢复特性，有利于气体的检测。
设计一个单片机最小系统，该系统包括MCU芯片、电源、时钟、复位、A/D转换[13]。
标准气体采样硬件电路将室内空气中有害气体苯、氨气、甲醛含量不超过国家标准时的浓度值转换相应的电压量,给单片机最小控制系统的比较单元提供一个标准电压信号，显示硬件的功能是显示有害气体的种类和浓度值，报警硬件的功能是启动蜂鸣器，使其在气体超标的情况下发出报警信号。
2.3系统软件总体设计方案
软件设计部分主要包括：
编写语言的选择、主程序/子程序流程的设计、功能模块程序的编写、软/硬件结合调试与演示。
主要包括一下功能模块：
检测、液晶显示、时钟、模数转换[14]。
室内空气检测系统的主程序设计思想和其实现的功能是在上电复位后首先执行主程序,然后再分别调用各个功能的子程序，主程序分为初始化和循环执行的两部分。
2.4硬件和软件结构
图2.1室内空气检测系统电路的总框图
图2.2软件主程序流程图
3第三章室内空气检测系统的硬件设计
3.1硬件的各模块设计
3.1.1控制模块设计
1）单片机的简介与特点
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件[15][16]。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
它最早是被用在工业控制领域。
单片机具有以下特点：
1、系统结构简单，使用方便，实现模块化；
2、单片机可靠性高，可工作到10^6～10^7小时；
3、处理功能强，速度快；
4、低电压，低功耗，便于生产便携式产品；
5、控制功能强；
6、环境适应能力强。
7、受集成度限制，片内存储容量较小，一般8位单片机的ROM小于8/16K字节，RAM小于256字节，但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64K字节。
2）单片机的选择
系统使用Atmel公司的AT89S52单片机为核心控制器，来完成系统各个模块的协调统一，控制执行。
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
它具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间[17]。
与我们通常意义上的微机原理类似，可以通过外接A/D，D/A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，且能够提供以点阵或LCD液晶及外接按键实现人机交互，能对内部众多I/O端口连接步进电机对外围设备进行精确操控，具有强大的工控能力。
单片机最小系统的实现最小系统由晶振电路和复位电路组成，电路图如图3.1所示：
图3.1单片机最小系统电路
晶振电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。
高级的精度更高。
有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
该单片机的时钟产生方式有两种：
内部中断和外部中断，本系统中为了尽量降低功耗的原则，采用了内部时钟方式[18]。
电路图如图3.2所示：
图3.2晶振电路图
在单片机的内部有一个震荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号，图中电容器C1和C2稳定频率和快速起振，电容值在5—30pF，典型值是22pF，晶振CYS选择的是12MHz。
复位电路
电容在上接高电平，电阻在下接地，中间为RST。
这种复位电路的工作原理是：
通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始正常工作[19]。
首先RST保持两个机器周期以上的高电平时自动复位
1、上电复位：
上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。
手动复位：
首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作
本设计中复位电路采用的是开关复位电路，开关K1未按下是上电复位电路，上电复位电路在上电的瞬间，由于电容上的电压不能突变，电容处于导通状态，故RST脚的电压与VCC相同。
随着电容的充电，RST脚上的电压才慢慢下降。
开关按下时是按键手动复位电路，RST端通过电阻与VCC电源接通，通过电阻的分压就可以实现单片机的复位。
复位电路图如图3.3所示：
图3.3复位电路图
3.1.2温湿度检测模块设计
AM2301即DHT21系列的数字温湿度传感器中的一款，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。
传感器包括一个电容式感湿元件和一个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DHT21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，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为3针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
该器件与单片机的连接采用数字接口，直接连接单片机的IO口即可正常工作[20]。
其连接电路如图3.4所示：
图3.4温湿度传感器电路图
3.1.3气体检测模块设计
1、气体检测模块由甲醛传感器和MQ-135传感器组成，主要用于检测有害气体的甲醛、氨气和苯。
甲醛传感器的选择：
甲醛传感器由甲醛探头CH20传感器组成。
甲醛传感器/甲醛模块（CH2O传感器）详细介绍如下表3.1：
MQ-5气体传感器的选择：
MQ-5气体传感器由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件组成。
MQ-5气体传感器详细介绍如下表3.2[21]。
测量电路是由CH20甲醛传感器；MQ-5气体传感器；ADC0809和放大电路组成。
甲醛传感器是由甲醛探头与CH20传感器组成。
当空气经过系统后，产生了一个和甲醛浓度成正比率的电压信号，该电压信号又经过放大电路和AD0832与AT89C52单片机相连，在显示器显示甲醛的可读浓度值，当该值超过了国家规定标准值时发生报警。
MQ-5传感器通过热气来对敏感层的加热，当接触空气时会产生相应的电压信号经过放大电路和ADC0809与AT89C52单片机相连，当超过了国家规定标准值时发生报警。
甲醛标准是少于0.1mg/m3，苯小于0.09mg/m3
氨气小于0.2mg/m3，温度上限28摄氏度，下限18摄氏度，湿度上限70%RH，下限30%RH。
表3.1甲醛传感器的参数表表3.2MQ-5气体传感器参数
其输出信号为微弱电压信号，需要经过放大处理后才能送至AD转换器进行信号转换。
其信号处理电路如图3.5所示：
图3.5信号处理电路图
2、A/D转换电路
本设计采用ADC0809作为将模拟信号转换为数字信号的器件，它是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
具有3种信号传送方式：
定时、查询、中断。
其应用电路如图3.6所示：
图3.6A/D转换电路图
3.1.4报警模块设计
报警电路如图所示，由单片机的P3.3引脚控制。
当燃气浓度超出安全值时，引脚置高，三极管导通，进而蜂鸣器导通，蜂鸣器实现蜂鸣，即实现了报警的功能。
图3.7报警电路
3.1.5显示模块设计
液晶显示模块用于显示系统运行信息，方便用户使用。
在调试阶段也可以作为一个重要的调试信息输出接口，有助于快速定位项目中隐藏的问题。
在项目完成后，液晶显示作为人机交互的直观接口，能够在用户设定系统参数和查看系统状态时提供很好的方法。
本设计使用的液晶显示器件是LCD1602，也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块[25]。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形[12]。
该模块的电路如图3.8所示：
图3.8显示电路图
3.1.6电源供电模块
稳定可靠的电源是系统正常运行的保障，本系统需要设计一个5V电源来提供系统所需。
采用LM2940为稳压器件，具有电路简单，可靠的优点。
电路图如图3.9所示：
图3.9电源电路图
3.1.7按键模块
按键模块用于用户指令、设定的输入，设置系统的工作参数，功能等。
使用4个按键，按键的形式为直接连接IO口，单片机读取IO口信号，即可知道哪个按键被按下。
按键模块的电路图如图3.10所示：
图3.10按键电路
3.2系统总电路图
图3.10主电路图
4第四章室内空气检测器的软件设计
4.1编程语言的选择
在硬件已经确定了的基础上，我们接下来就要用软件来实现我们需要达到的功能了，即使在硬件不变的情况下，我们改变软件也能实现不一
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