基于51单片机的家居空气检测系统的设计.docx

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基于51单片机的家居空气检测系统的设计

常州信息职业技术学院

学生毕业设计（论文）报告

二级学院：

电子与电气工程学院

专业：

电气自动化技术

班号：

中韩电气141

学生姓名：

学生学号：

设计（论文）题目：

基于51单片机的家居空气检测

系统的设计与实现

指导教师：

设计地点：

常州信息职业技术学院

起迄日期：

2016.6.1~2016.11.20

毕业设计（论文）任务书

专业电气自动化技术班级中韩电气141姓名

一、课题名称：

基于51单片机的家居空气检测系统的设计与实现

二、主要技术指标（或基本要求）：

本系统要求实现分布式节点的温度等多种数据采集与处理，下位机MCU2对现场各节点的温度数据进行采集，以异步串行通信方式将各节点数据发往上位机MCU1进行显示处理。

上位机接收下位机发送来的数据信息，驱动字符液晶显示对应结果，同时检测按键电路对选中的节点报警温度上限的设置过程进行处理，另一方面，上位机驱动LED显示当前正在进行设置的节点和处于报警状态的节点。

当某一节点的实测温度超过报警设置时，对应的报警LED点亮，否则熄灭。

功能设定：

1、显示部分采用LCD1602显示屏，循环显示各项测量值如：

实际浓度、实际温度、湿度。

并在按键选择情况下连续显示一个测量值的变化。

2、当有害气体浓度超出安全范围时进行声光报警。

3、按键操作可以对测量的范围进行调整。

三、主要工作内容：

本文深入探讨了家居空气采集系统的发展状况及趋势，分析了当前空气采集系统的不足之处，设计了基于51单片机的家居空气采集系统的总体架构以及硬件部分，对系统的硬件的选型、外围模块的设计、搭建以及部分传感器模块做了详细论证和设计。

控制节点经过研究对比，选用STC89C52，对外围电路中的传感器模块、供电电源模块、报警电路、键盘、协调器接口电路以及时钟均做了详细设计，通过对比分析选择了适合本课题的温湿度传感器、空气质量传感器、甲醛传感器及烟雾传感器。

最后，进行了软件的设计和实现，主要包括主控程序、数据上传设计、报警子程序设计、按键扫描子程序设计以及终端子程序设计等。

最终按照计划思路实现了系统的全部功能及作用。

四、主要参考文献：

______________________________________________________________

[1]何立民.《MCS-51系列单片机应用设计》,系统配置与接口技术.

[2]郭强.《液晶显示应用技术》北京：

电子工业出版社，2000年．

[3]新民.《智能仪器原理及设计》哈尔滨工业大学出版社，1995。

[4]华成英.童诗白.《模拟电子技术基础第三版》北京:

高等教育出版社,2004.4.

[5]马忠梅等.《单片机的C语言应用程序设计》北京:

北京航空航天大学出版社，1997

[6]李刚,林凌,王焱编.新概念单片机教程.天津大学出版社，2004年

[7]彭爱华.《单片机高级语言C51应用程序设计》[M].北京工业出版社，1999。

[8]何立民.《MCS-51系列单片机应用设计》、系统配置与接口技术.

[9]arek,H.P.Trah,Y.Suzuki.SensorsforAutomotiveechnology[M],2004.

[10]R.C.etal.DynamicMulti-sensorDataFusionSystemforIntelligentRoboticsandAutomation[M],1998

学生（签名）20年月日

指导教师（签名）20年月日

教研室主任（签名）20年月日

二级学院领导（签名）20年月日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

一、选题的背景和意义：

空气质量的好坏反映了空气污染程度，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的。

来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一。

空气质量检测种类包括装修污染、办公室内空气检测、作业场所有害物质检测、食堂油烟检测、锅炉大气及工业窑炉检测及工厂排放工业废气检测。

室内空气的污染已经被归为危害公共健康的5大环境因素之一。

我们每个人大约有8%以上的时间是在室内度过，室内空气质量的高低直接关系到我们每个人的身体健康。

调查结果显示，68%的疾病跟室内环境污染有关系，关注以及改善室内环境、防止室内空气环境的污染，不仅仅是为了提升大家的生活品质问题，更是是直接关系到我们的身体健康以及生命安全的问题，直接关系到我国的改革发展的稳定大局以及国家的经济发展和民族的复兴。

本课题主要研究设计基于量化检测的“空气质量检测仪”系统，此系统旨在实现室内空气温度、湿度、有害气体的预警监测，有利于进行全方位的评价室内空气质量，为人类营造一个健康的室内生存空间。

空气质量检测仪体积小、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。

二、课题研究的主要内容：

设计了基于51单片机的家居空气采集系统的总体架构以及硬件部分，对系统的硬件的选型、外围模块的设计、搭建以及部分传感器模块做了详细论证和设计。

控制节点经过研究对比，选用STC89C52，对外围电路中的传感器模块、供电电源模块、报警电路、键盘、协调器接口电路以及时钟均做了详细设计，通过对比分析选择了适合本课题的温湿度传感器、空气质量传感器、甲醛传感器及烟雾传感器。

最后，进行了软件的设计和实现，主要包括主控程序、数据上传设计、报警子程序设计、按键扫描子程序设计以及终端子程序设计等。

最终按照计划思路实现了系统的全部功能及作用。

三、主要研究（设计）方法论述：

本系统构成框图如图2.1所示该检测系统由STC89C52单片机为核心,由显示模块、电源模块、传感器组、GPRS模块、时钟模块等部分组成。

传感器组由多种传感器组成，负责采集周围空气的信息，采集到的模拟信号通过STC89C52单片机自身携带的AD转换器进行模数转换,然后数据经过无线发送端，数据信进过GPRS传输模块发送到接收端。

本设计主要由单片机最小系统、灰尘检测、A/D模数转换、键盘输入、复位电路、时钟电路模块、液晶显示器和CO传感器模块、报警电路等部分组成。

系统整体框图如图2.1所示。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

2016.10—2016.11

阅读相关文献，学习理论知识，掌握研究方法，制定研究计划；撰写开题报告初稿。

2016.12—2017.2

修改开题报告。

2017.3—2017.4

收集统计数据，查阅文献资料，进行实地调查，撰写论文初稿；

2017.5—2017.6

参考指导老师的意见建议，修改论文，撰写论文终稿，准备毕业论文答辩。

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　　　指导教师签名：

年月日

六、二级学院意见：

　　　　　　　　　　　签名：

年月日

基于51单片机的家居空气检测系统的设计

摘要

本文深入探讨了家居空气采集系统的发展状况及趋势，分析了当前空气采集系统的不足之处，设计了基于51单片机的家居空气采集系统的总体架构以及硬件部分，对系统的硬件的选型、外围模块的设计、搭建以及部分传感器模块做了详细论证和设计。

控制节点经过研究对比，选用STC89C52，对外围电路中的传感器模块、供电电源模块、报警电路、键盘、协调器接口电路以及时钟均做了详细设计，通过对比分析选择了适合本课题的温湿度传感器、空气质量传感器、甲醛传感器及烟雾传感器。

最后，进行了软件的设计和实现，主要包括主控程序、数据上传设计、报警子程序设计、按键扫描子程序设计以及终端子程序设计等。

最终按照计划思路实现了系统的全部功能及作用。

通过实验测试，验证了在特定条件下系统数据传输正常；实验及仿真表明，该系统能很好的实现家庭内部空气信息的采集以及传输功能，验证了该方案的可行性。

论文从空气质量采集系统的理论依据、设计思路、实现过程、测试结果等方面均做了详细阐述，取得了预期效果，论文的研究成果对家居空气采集系统的完整性起到了补充作用，对其实践应用起到了推动作用。

关键字：

采集系统；温度测量；单片机；显示器

Thedesign ofHomeFurnishing air collection systembasedon51SCM

Abstract

ThispaperdiscussesthedevelopmentstatusandtrendofHomeFurnishingaircollectionsystem,analyzesthedeficienciesofthecurrentaircollectionsystem,designedtheoverallarchitectureHomeFurnishingairacquisitionsystemof51MCUandhardwarebasedontheselectionofsystemhardwaredesign,peripheralmodule,sensormoduleandbuildadetaileddemonstrationanddesignthecontrolnode.Afteracomparisonofresearch,selectionofSTC89C52,theperipheralcircuitofthesensormodule,powersupplymodule,alarmcircuit,keyboardinterfacecircuitandclock,thecoordinatormakesadetaileddesign,throughthecomparativeanalysisofthechoiceoftemperatureandhumiditysensorissuitableforthistopic.Istheairqualitysensor,smokesensorandformaldehydesensor.Finally,designedandrealizedthesoftware,includingthemainprogramdesign,dataupload,alarmsubroutinedesign,keyboardscanningsubroutinedesignandprogramdesign.Thefinalterminalinaccordancewiththeplanningideastorealizeallfunctionsofthesystemandfunction.

Throughtheexperimentaltest,verifiedinthesystemofdatatransmissionundercertainconditions;testandemulationresultsshowthatthissystemcanrealizetheinternalairinformationcollectionandtransmissionoffamilyfunctionisverygood,verifythefeasibilityofthescheme.Thepaperfromthetheoreticalbasis,theairqualitydataacquisitionsystemdesign,implementationprocess,testresultsetc.aredescribedindetail,andachievedthedesiredresults,theresearchontheintegrityofHomeFurnishingairacquisitionsystemplaysacomplementaryrole,topromotethepracticalapplication.

Keywords:

Acquisitionsystem;multi-node;temperaturesensor;microcontrollerMonitor

第1章绪论

1.1系统设计背景

空气质量反映了空气的污染程度，这是基于空气中污染物的浓度水平来确定的。

空气质量检测包括装修污染、办公室内空气检测，工作场所空气中有害物质的检测，在餐厅里，烟雾探测，对大气及工业炉和来自工厂的工业废气排放检测。

室内空气的污染已经被归为危害公共健康的5大环境因素之一。

我们每个人大约有8%以上的时间是在室内度过，室内空气质量的高低直接关系到我们每个人的身体健康。

调查结果显示，68%的疾病跟室内环境污染有关系，关注以及改善室内环境、防止室内空气环境的污染，不仅仅是为了提升大家的生活品质问题，更是是直接关系到我们的身体健康以及生命安全的问题，直接关系到我国的改革发展的稳定大局以及国家的经济发展和民族的复兴。

1.2 设计意义  

本课题主要研究设计基于量化检测的“空气质量检测仪”系统，本系统是实现对室内空气温度、湿度和有害气体的预警和监测，有利于对室内空气质量的综合评价，为人类创造一个健康的室内生活空间。

该空气质量检测器具有体积小、功耗低、操作简单的优点，适用于家庭和社区的医疗保健，可以实时了解室内空气的质量。

第2章系统总体总体方案设计

2.1系统设计要求

本系统要求实现分布式节点的温度等多种数据采集与处理，下位机MCU2对现场各节点的温度数据进行采集，以异步串行通信方式将各节点数据发往上位机MCU1进行显示处理。

上位机接收下位机发送来的数据信息，驱动字符液晶显示对应结果，同时检测按键电路对选中的节点报警温度上限的设置过程进行处理，另一方面，上位机驱动LED显示当前正在进行设置的节点和处于报警状态的节点。

当某一节点的实测温度超过报警设置时，对应的报警LED点亮，否则熄灭。

功能设定：

1、对LCD1602显示使用显示部分的测量值，如：

循环显示的实际浓度的实际温度，湿度。

并在选择按键的同时显示一个连续变化的测量值。

2、当有害气体浓度超过声光报警器的安全范围时。

3、按键操作，可调整测量范围。

2.2系统构成与功能描述

空气检测系统的硬件构成图如下图所示，系统以STC89C52单片机为主要，外接厌恶传感器甲醛传感器灰尘传感器一级温湿度传感器烟雾传感器，这些传感器负责采集空气中的各种数据，并将数据进行AD转换，再将数据传输到STC89C52单片机，然后数据信息经过无线发送端，数据信进过GPRS传输模块发送到接收端。

图2.1系统构成框图

第3章硬件电路设计

家居空气采集系统的硬件设计整体电路图如图3.1所示

3.1硬件设计整体电路图

3.1主控单元

STC89C52单片机STC公司生产的，它具有低功耗，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。

STC89C52单片机采用MCS-51内核系统，并在许多方面的改进，该芯片具有传统51单片机不具备的功能和作用，STC89C52可以给大多数嵌入式控制系统提供了高度的灵活性和高效率的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：

8K字节Flash，32位I/O口线，512字节的RAM，看门狗定时器。

此外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择省电模式。

STC89C51主要性能参数：

1、与MCS.51产品指令系统完全兼容

2、4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

3、1000次擦写周期

STC90C52芯片管脚如图3.2所示。

图3.2STC90C52芯片管脚

3.2空气信息采集模块硬件设计

3.2.1烟雾采集模块

在该系统中我们使用型号为MQ-2的烟雾传感器用来检测周围空气中的烟雾粉尘浓度，模块实物图如下图3.3所示：

图3.3烟雾传感器实物图

MQ-2可以检测空气中的丙烷、氢气等有害气体，它价格低廉，使用时间长。

MQ-2型烟雾传感器使用这种物质的二氧化锡气体检测，二氧化锡导电清洁空气低，如果空气中有可燃气体，电导率迅速增加。

该传感器检测到的气体，其对氢气的灵敏度是比较高的，一些其他的气体是好的，产品的优点的基础上，它可以检测到许多气体，适合在各种场合的应用。

3.2.2温度采集模块

温湿度采集模块采用的是型号为DS18B20的模块，DS18B20直接输出数字量，与单片机接口几乎不需要外围元件，使得硬件电路结构简单，应用广泛。

DS18B20在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了较大的进步，给用户带来了更加方便的使用以及更加令人满意的效果。

3.2.3甲醛检测传感器

我们使用甲醛检测传感器的mq138检测检测mq138传感器敏感材料的高活性金属氧化物半导体，当加热到一定温度的空气中，氧化反应中，氧原子吸附电子成为负氧离子，还原性气体时遇到的负氧离子氧化还原反应导致mq138传感器的模拟信号，同时输出信号降低表面浓度，模拟输出随着浓度的增加而增加，高浓度的高电压波动的家庭环境检测装置，适宜于醛、醇、酮、芳族化合物的探测，气敏感元件测试浓度范围，苯ltolooppm、甲苯lotoloo即甲醛ltoxoppm。

3.2.4CO检测模块

一氧化碳是一种有毒气体，在北方每年冬天都会发生一氧化碳中毒。

因此，实时监测CO空气中的浓度是非常必要的。

该系统采用一三电极电化学共传感器，以三电极电化学共传感器为名称，由三个电极组成：

工作电极、反电极、参比电极。

传感器的工作电极和参考电极的电位差为常数之间，因为没有电流流过电极，工作电极和参考电极放在一个固定的电位，电极和一个完整的环，电化学氧化还原反应的电极为工作电极的形式。

当CO气体传感器、氧化-工作电极和电解质和对电极之间的电子流中的还原反应，电子的流动和气体体积分数是成正比的电流是CO的化学反应在工作电极的输出产生的浓度成正比，电流采集可以得到，CO浓度传感器应用电路如图3.4所示。

图3.4CO传感器

3.2.5空气质量传感器

GP2Yl010AUOF是一款光学空气质量传感器，设计用来检测空气中的灰尘颗粒。

对角放置的红外发光二极管和光敏三极管，它可以用于检测光反射空气中的灰尘，如香烟烟雾甚至非常微小的颗粒也可以被检测到，通常在空气净化系统中的应用，因为空气是流动的，即在另外一个地方测量高可入肺颗粒物价值，一的地方，空气质量好，低可入肺颗粒物值面积测量结果更为准确。

实物图如图3.5所示。

图3.5传感器实物图

夏普GP2Y1010AU0F是光学的空气质量传感器，设计感尘埃粒子。

典型应用电路加上150Ω电阻和220UF电容如3.6所示。

图3.6典型应用电路图

电路管脚图如图3.7所示。

图3.7GP2Y1010AU0F引脚图

3.3外围电路设计

3.3.1键盘模块

键盘控制方式有：

行列式键盘、独立式键盘。

本设计的大棚蔬菜的多节点温度监测系统应具备温度的调整方式至少需要3个按钮（包括：

选择设置节点、减小报警上限、增加报警上限），在本次设计中采用单片机通信端口RB端口与PIC16F877A的RB中断和INT中断冲突，综合考虑分析本设计单片机工作频率要求且实验箱键盘输入模块与RC端口进行控制，因此采用循环扫描工作方式的独立式键盘。

为了使系统设计更完善，即可对选择设置节点、减小报警上限、增加报警上限，其中RB1为选择设置节点，可以通过RB1选择所需要设置的节点；RC2为减小报警上限，可以通过RC2减小先前所设置的报警温度上限；RC3为增加报警温度上限，可以通过RC3来增加报警温度下限。

其简图为图3.8所示

在本设计中有三个按键，它们分别可以通过按键的加减来调节当前的显示温度，现在分别说明各个键的作用。

键1：

K1，用来调节第一个个节点的报警温度，当通过按键的加减来调节当前的温度，超过所设置的温度时，相应的发光二极管就会点亮，则达到报警的目的；键2：

K2，用来调节第二个节点的报警温度，调节方法同K1；键3：

K3，用来调节第三个节点的报警温度，调节方法同K1。

，

图3.8按键电路

3.3.2显示模块

本课题所要显示的数据一共有6个，数据显示，共有6个，分别是温度、湿度、有毒气体和室内测量的浓度用2行16字符的LCD1602作为显示模块的范围，以满足显示要求。

液晶显示模块具有体积小、功耗低、内容丰富等特点。

在单片机的设计中，字符型液晶显示模块是最常用的信息显示装置。

本设计采用LCD1602液晶显示。

LCD1602使用标准的16针接口。

由于数码管只能显示阿拉伯数和简单的字符，和液晶显示丰富的显示字符的能力相比，综合考虑设计的系统结构简单，功耗低，功能强大，成本低等等。

因此，用LCD1602液晶显示器的设计。

液晶显示模块具有体积小、功耗低、内容丰富等特点。

在单片机的设计中，字符型液晶显示模块是最常用的信息显示装置。

字符液晶显示模块用于显示字母，数字和符号的点阵液晶，16*1，16*2，常用的20*2和40*2的模块。

本文介绍了基于长沙太阳人电子有限公司的1602字型液晶显示器。

一般1602字符型液晶显示器实物如图3.9：

图3.91602字符型液晶显示器实物如图

3.10LCD1602的具体接线路图

3.3.3时钟电路模块

每个空气质量的测试完成后，需要存储所需的数据，并将时间标签分别给每组数据带上。

所采用的时钟电路，是一款高性能、低功耗的电路，在DS1302内部是一个31×8的RAM寄存器，临时存放数据。

其电路如图3.11所示：

图3.11时钟电路模块

3.4微控制器部分设计

3.4.1报警模块

为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观采用了由2个发光二极管和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。

由于条件有限制和为了使系统电路结构简单、体积小。

本设计采用单片机控制的根据温度上限来报警，当大棚内的温度高于我们所设置的温度时，相应的发光二极管就会点亮，从而达到报警的目的。

由于LCD的显示字符数的限制，用三个发光二极管作为温度报警显示的标志。

报警模块控制电路为图3.12。

3.12报警模块电路图

3.4.2复位电路

复位电路是一个单芯片的中央处理器系统或其他组件在一定的初始状态，并开始工作，从这个状态，除了正常的初始化到系统中，当程序运行错误或错误的操作。

该系统处于死锁状态，要排除故障还需要重新启动重新启动电路。

本设计采用按键复位电路。

其电路如图3.13所示

图3.13复位电路

3.4.3A/D转换模块

从气体传感器的信号是模拟信号，与单片机STC90C51只能数字信号处理，所以它必须转换为模拟信号。

将其转换成数字信号处理器可以识别的数字信号，由于测试电路的0~5V的模拟电压的变化范围，这是更合适的选择合适的ADC0832模数转换。

ADC0832为8位分辨率的A/D转换芯片，高达256的最高分辨率，可以适应一般的模拟量转换要求。

内部输入电压与参考电压进行复用，使芯片的模拟电压输入介于0~5V。

芯片转换时间仅为32秒，根据数据的输出可