基于单片机的室内环境智能监测系统设计.docx
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基于单片机的室内环境智能监测系统设计
2016届毕业生
毕业设计说明书
（原创保证能用）
题目:
基于单片机的室内环境智能监测系统设计
院系名称:
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
教师职称：
2016年05月25日
摘要
随着社会的发展，科学技术的提升，生产生活的不断优化，人们的生活水平也在随之不断提高,因此人们也开始越来越重视室内环境发舒适程度。
住宅不仅是家庭团聚和生活的场所，而且还是人们生活的重要物质保障，但随着装修材料的肆意使用和生活用品的日益广泛,居住环境的隐患大幅度提高，室内环境污染已成为严重影响现代人类健康的杀手之一，严重影响着人们的生产生活。
因此尤为重要的便是室内环境的监测，不仅要灵敏的检测出各种有害气体的浓度大小,也要具有报警功能，可以时刻提醒危险。
当下市面上也有很多监测室内环境的装置仪器,但其大部分价格偏高而且功能相对单一局限，因此非常需要能够综合监测室内温湿度和有害气体的智能系统。
本设计主要运用了如下几方面的功能：
1．将单片机和温湿度、气体传感器相连接，实现实时采集和读取室内温湿度值以及监测气体浓度，达到预期效果.
2．利用LCD完成了显示电路的设计。
3．利用蜂鸣器报警功能，当气体浓度值和温湿度值超过设定的标准值时，实现自动报警功能。
4．当温湿度超限时，LCD显示器可以立即提示并结合发光二极管报警,当气体浓度超限时采用发光二极管报警.
关键词：
单片机;声光报警；LCD显示电路；室内环境监测
TitleThedesignofindoorenvironmentalintelligentmonitoringsystembasedontheSingleChipMicrocomputer
Abstract
Withthedevelopmentofsociety,theimprovementofscienceandtechnology,thecontinuousoptimizationofproductionandlife，people’slivingstandardshavebeenimproved,sopeoplehavebeguntopaymoreattentiontotheindoorenvironment。
Residenceisnotonlytheplaceoffamilypartyandlife，butalsoanimportantmaterialguaranteeofpeople’slives.Butwiththewantonuseofdecorationmaterialsanddailynecessities,thehiddendangerofthelivingenvironmentisgreatlyimproved.Indoorenvironmentpollutionhasbecomeoneoftheseriouskilleronthemodernhumanhealth，impactingonpeople’sproductionandlife。
Therefore,itisparticularlyimportanttomonitortheindoorenvironment，notonlytobesensitivetodetecttheconcentrationofharmfulgases，butalsowithalarmfunction，itcanalwaysremindthedanger.Atpresentonthemarketalsohasalotofindoorenvironmentalmonitoringinstrumentation，butmostofitshighpriceandfunctionrelativetoasinglelimited.Thereforethereisagreatneedforcomprehensivemonitoringofindoortemperatureandhumidityandharmfulgasintelligentsystem.
Thisdesignmainlyusesthefollowingseveralaspectsofthefunction：
1Thesinglechipmicrocomputerandthetemperatureandhumidity,gassensorareconnectedtoachievereal—timecollectionandreadingroomtemperatureandhumidityvaluesaswellasmonitoringthegasconcentration，toachievethedesiredresults.
2ThedesignofdisplaycircuitiscompletedbyusingLCD。
3Usingbuzzeralarmfunction,whenthegasconcentrationandtemperatureandhumidityvalueexceedsthesetstandardvalue，realizetheautomaticalarmfunction。
4Whenthetemperatureandhumidityareoutoflimit,theLCDmonitorcanpromptandcombinedwiththelightemittingdiodewarning，whenthegasconcentrationexceedsthelimit，thelightemittingdiodeisusedtoalarm。
Keywords:
MCU;Soundandlightalarm;LCD;Indoorenvironmentmonitoring
目次
1绪论
1.1研究背景
随着社会的发展，科学技术的提升，生产生活的不断优化，人们的生活水平也在随之不断提高,因此人们也开始越来越重视室内环境发舒适程度。
住宅是人们生活的重要物质保障，也是家庭团聚和生产生活的场所，人们的身体是否良好和室内环境的质量有着密不可分的关系。
温湿度在不同季节的变化也会影响到人体的健康。
一年中每个季节的温、湿度都会变化,随着温、湿度变化频率不一或多或少都会对人们的身体健康有一定的影响。
美国研究人员调查表明：
适合人体健康温度的范围是18。
5℃——23.6℃，健康湿度范围是45％——65%RH，如果在这种室内环境的情况下生活人体内细胞活跃度会有一定的上升，与受到污染的环境相比它还使人精神愉悦，人体寿命更长久一些。
每当空气的湿度低于42.6%RH的时候,人体的支气管和粘膜组织细胞的新陈代谢会减缓，对人们的生命安全造成巨大威胁。
当空气的湿度超过63。
7％RH时，人体内部会分泌过多的松果激素，从而抑制体内的生长激素和甲状腺激素的分泌，使得受体蛋白减少,调节作用紊乱，与此同时,人就会感到精神不振，浑身乏力.由此可见，室内环境监测装置的研究具有重要的意义.
1.2室内环境智能监测系统现状
在国内，我国正处于社会主义发展阶段,各方面实力还有欠缺，基于我国目前状况在我国环境监测系统的研究进程缓慢，监测设备和技术相对于发达国家还是比较落后,还没有达到监测智能化的水平.就我国目前情况来讲，对室内环境监测的仪器还需继续完善。
这些系统大多数都是以单片机为主要模板进行设计,从而实现对环境的检测功能。
但是随着时代的发展和人们在主体思维模式上的日益重视，我国对有很多研究人员对环境监测系统进行研究，研究成果也将会持续发展。
在国外，由于社会发展快、具有相对发达的环境检测技术，科研成果相对成熟,所以相关仪器在研发上得到重视,在使用上都得到广泛传播。
虽然我国对于环境监测系统的研究起步晚,室内检测技术与国外先进技术相比，仍相对落后，差距依旧很大,在传感器方面，还不能实现智能化，其产品还没有得到大量使用，但向发达国家学习的精神是一直以来不可动摇的，很多厂家或者研究所都在学习和引进国外先进的环境监测技术方案.综上所述，此设计所研究的内容有很大的理论意义和重要的实际使用价值。
1.3设计目的及内容
通过研究人员的不断努力，已经研发出一些可用于检测的产品，但该产品在市场上的占有率只是一小部分,其中大多数价格偏高,而且也只能检测空气中部分成份,功能种类相对局限单一。
因此根据市场调查，非常需要能够综合监测室内有害气体和温湿度的智
能系统来保障人们的生活环境，从而有助于提高人们的生活质量。
本设计的最终要实现的是适合家用的实时检测空气中有害气体成份、湿、温度在空气中的占有量的多功能监测仪器，还要达到实时监测的效果，这对我们的要求比较严格，并且要达到操作简单方便、价格低廉的目的。
本设计采用了报警模块和LCD显示模块等，把室内检测功能和环境质量控制有机的结合在一起，以单片机和多种传感器为主体实现智能控制,从一定程度上增加了人体安全指数。
该设计主要完成的设计内容如下：
（1）温湿度模块:
采用DHT11传感器，该传感器将数字采集技术和信号处理功能结合在一起，很大程度上提高了它的工作效率，并且也是产品走向智能化的重要标志.我们还采用LCD显示技术实现对电路显示模块及温、湿度模块设计。
（2）报警模块：
采用外接蜂鸣器的方法，当检测值超限时，实现快速报警的功能。
（3）检测模块：
将单片机和温湿度、气体传感器相连接，实现实时采集和读取室内温湿度值以及监测气体浓度。
该模块的实现意味着在室内威胁人们身体健康状况的因素降低了许多。
2系统设计方案论证以及总体框架设计
2。
1设计方案论证
2.1.1单片机模块的选择及论证
方案一：
选用AT89C51为主控芯片，它是具有低电压的一种带4K字节FLASH存储器的高性能CMOS8位微处理器,具有可编程及可擦除的功能。
在存储器中还能将三级程序快速锁定，32个I/O接口,可适用于串行通道模式，两个16位定时器和相同数量的计数器，128＊8位内部RAM，功率消耗低和掉电特有模式,5个中断控制源，片内包含振荡器和发出脉冲的时钟电路.
方案二：
选用AT89S52为主控芯片，它是一种具有8K系统可编程Flash存储器的低功耗、高性能CMOS8位微控制器。
其中包括32位I/O口线，看门狗定时器已达到实时监测功能,具有256字节RAM，三个计数器和相同数量的16位定时器，还有2个数据指针.AT89S52还能降低到0Hz状态下进行编程，可提供2种软件都能在该单片机执行节电模式操作。
当CPU处于空闲操作状态时，它是不运行的，但支持RAM、定时器/计数器、中断还能持续运行.当单片机处在掉电模式时，RAM的内部数据进行存储，振荡器停止工作,单片机全部的功能均处于睡眠状态，一直等到下一个中断信号到来或者复位命令执行，单片机才开始在次工作。
通过两种单片机的对比：
AT89S52不仅能够用于ISP在线路功能还可用于并行编程，相比较来讲AT89C51只能用于并行编程。
在计算速度方面，AT89C51的运行频率只有24MHz，而AT89S52极限运行频率可达33MHz。
从输出编程电压的情况可以看出,AT89S52仅仅为4—5V，而AT89C51不止要支持正常运行工作5V还需要Vpp供电12V。
所以选用AT89S52单片机。
2。
1.2温湿度监测模块选择与论证
方案一:
采用独立元器件连接电路。
把温度传感器LTC2996与湿度传感器TC623CEOA一起连接到单片机上，从单片机显示模块上读取参数数值后送入显示电路。
采用这种方法组成的电路很麻烦，编程比较困难，并且许多元器件在焊接的过程中操作容易出现错误，调试起来更复杂一些，与此同时大大提高了连接电路的成本.
方案二：
采用由数字采集技术和温度传感器技术组成的温湿度传感器DHT11连接电路.它具有较好的实用性和稳固性，有效的温度范围是0～50℃,测量准确度是5％，湿度的范围是20%RH～90%RH，非常符合系统的需要。
DHT11的信号传输距离至少20m，是用单总线数据传输，有利于各种MCU进行连接.它的电压范围仅有3.3～5.5VDC，分辨率为湿度1％RH，温度1℃，具有长期的稳定性，完全互换和超低能耗等功能。
综上所述，方案二不仅操作简单，成本低,而且大大降低了外界对系统的干扰，并且测量精度较高。
数字传感器的本质上简化了系统的程序，并减少了利用空间。
可从单片机上直接读取经过A/D转换器信号转变输出的数字信号.因此经过分析比较，采用第二种方案。
2.1。
3煤气监测选择与论证
方案一：
选用催化燃烧式传感器.它是将空气中可燃气体经过传感器的催化燃烧作用检测它在空气中所占比例浓度是否达到爆炸燃点.该传感器是通化学反应让金属表面电阻率发生改变从而构成惠斯登检测桥路。
当空气中含有可燃性气体接触到检测元件上时，该气体快速无焰燃烧，并产生热量，随热量的增加金属表面的电阻值逐渐增大，从电桥上会产生一个电压信号，此电压信号强弱与检测到的可燃气体浓度成正比。
它的优点是：
稳定性好、反应时间短、灵敏度高、错误率低、可控性能强、使用时间约为3年。
方案二：
选用气体传感器MQ—5连接电路.它选择的材料是电阻较大的SnO2，其工作原理为可燃气体在SnO2表面发生化学反应使电阻跟随其发生变化，从而达到监测的目的。
SnO2传感器之所以能够被很多科学研究人员所重视原因在于它在低温的环境下能够运行、性能相对比较稳定、检测范围比较广泛等特点.
经过两种方案对比，可燃气体传感器MQ-5操作简单，功能强大，并且经济实惠、更适用于家用。
综上所述，本设计采用半导体式传感器MQ—5。
2.2总体硬件电路框架
该系统是以AT89S52单片机为核心，通过连接A/D模块，作用于温湿度传感器的信号处理模块,温湿度的自动报警功能,LCD1602显示及单片机控制等部分，达到预期的效果.通过传感器来检测室内的可燃气体浓度、温湿度的数值,并把检测的数据与设定好的数值相比较，若大于预设值则报警模块启动，若小于预设值则不启动。
从而实现对温湿度、可燃气体的浓度等数据的处理功能，并且和声报警系统相连接，在LCD1602上显示检测的温湿度数据，使得人们能够及时处理。
流程图如下图2。
1所示：
图2。
1系统流程总图
3硬件系统设计与连接
3.1温湿度检测模块设计
DHT11是将数字采集与温湿度传感器集成一体、并能够准确的将信号传输给单片机综合型传感器，其技术参数如表3。
1所示。
表3.1温湿度传感器DHT11技术参数
参数名称
技术条件
参数名称
技术条件
供电电压
3。
3-5.5VDC
输出
单总线数字信号
测量范围
温度1—50℃湿度20—90％RH
测量精度
湿度±5％RH温度±2℃
分辨率
湿度1%RH,湿度1℃
互换性
可完互换
长期稳定性
〈±1％RH/年
此模块的开发为人们家庭环境检测提供了重要的保障，它包含耐用、工作性能稳定、供电电压低等特点.非常便于电路连接的单线制串行接口，持久使用性、超强稳定性，让DHT11适用于各类环境,在类似的模块中具有其特有的优势,它是采用单排引脚封装技术。
DHT11与AT89S52连线如图3。
1所示.
图3.1DHT11与AT89S52连线图
3。
2A/D转换器
ADC0832为8位分辨率在其内部设有模/数转换芯片,另外还有两个通道可调换的特性,分辨等级很高。
工作时每次模/数转换间隔只用32µs,大大提高了运行效率而且可靠性高。
通过使能端控制DI接口，对信号的进行处理，从而达到所需的通道.因此本设计将采用具有运行效率高、可靠性强等特点的转换器ADC0832为模数转换器件。
ADC0832引脚与单片机的连接,分别是CS、CLK、DO、DI.CS输入高电平指令时A/D芯片不运行,其他端口的电平没有限制。
只有当转换器进行信号转换时，AT89S52单片机才发出低电平的指令，将CS端口与P10连接变为低电平，并且持续一段时间等到电平信号转换完成，转换器芯片才开始信号转化，单片机P12引脚与CLK端相连并发出时钟脉冲指令,DI端则与单片机P13引脚相连，然后进行数据信号输入。
该连接图如图3.2所示。
图3。
2ADC0832与单片机的连接图
3。
3燃气监测模块设计
3。
3.1MQ-5传感器
MQ-5构造主要包括微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层和一小块加热器.成品气敏元器件有6个引脚，它上面有4个引脚是用来接收信号,剩下的2个引脚通过加热器输出电流。
MQ-5数据如表3.2、表3。
3所示。
MQ这类气体传感器是由活性很大的金属经过一系列化学反应得到的其氧化物从而构成半导体材料。
MQ—5的电阻变化就是在该过程中实现的.在条件允许的情况下,传感器还可以作为还原物，带有负电荷的和此条件下的半导体发生一般化学反应，使半导体表面的氧气减少，以至于该导体表面电势能减小，从而让传感器的阻值降低.在气体浓度适当的情况下，传感器的电阻值与气体浓度接近成反比，可用以下公式表示:
（3—1）
式中:
Rs-传感器电阻；
A—常数；
[C]—气体浓度；
—曲线斜率。
表3—2MQ—5标准工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
VC
回路电压
≤15V
ACorDC
VH
加热电压
5.0±0。
2V
ACorDC
RL
负载电阻可调
RH
加热电阻
31Ω±3Ω
PH
加热功耗
≤900mVV
表3—3MQ-5灵敏度特性
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体电阻
10KΩ-60KΩ（1000ppm甲烷）
探测范围：
300-5000ppm液化气、天然气、煤气
α
浓度斜率
≤0.6（R1000ppm/R500ppm
标准工作条件
温度、湿度
20℃±2℃；65%±5％RH
标准测试电路
Vc:
5.0V±0。
1VVH:
5.0V±0.1V
预热时间
不少于48小时
3.3.2燃气监测模块设计
MQ—5传感器接触到可燃气体时，它会立刻做出反应将可燃气体经过传感器转变成电信号，经过信号放大器将信号放大后传给A/D转换器,该信号经过该转换器把信号转化为数字信号，最后把信号送入单片机内部，再由单片机发出指令进行下一步操作。
具体接线如图3。
3所示。
图3—3MQ—5传感器与ADC0832转换器连接
3。
4AT89S52单片机时钟电路
采用外部振荡方式，将时钟信号导入微处理器内部，可以让AT89S52单片机的信号与振荡器的时钟相统一。
具体如图3。
4所示。
图3。
4时钟电路图
3。
5AT89S52单片机复位电路
不仅振荡电路与单片机工作状态有关，复位引脚同样影响着单片机工作的进行。
复位命令就是处理器返回开始状态，然后再一次执行开始命令。
当RES引脚得到处理器输入低电平的指令时，该处理器立刻进入复位状态，直到下一次RES引脚得到处理器输入的高电平指令，处理器就可以继续运行。
如图3.5所示。
图3.5单片机复位电路
3.6显示电路设计
利用单片机控制LCD1602显示,通过按键来控制温湿度的最高值。
如果检测到温湿度发生变化,LCD显示器立即做出相应变化，以达到实时显示的目的.电路图如图3.6所示。
图3.6单片机显示电路
3。
7报警模块设计
声报警功能是由单片机P1.5引脚控制，蜂鸣器实现声报警功能.由于温湿度值大于预设值,引脚得到高电平信号,VT管导通，从而使得蜂鸣器导通。
声光报警电路图如图3.7所示。
图3.7报警模块
4系统软件设计
4。
1编程语言选择
C语言是在国际上应用最广泛的编程语言之一，它既可以直接对计算机产生控制作用，又涵盖了编程语言的大部分优点,其结构丰富多变,运用起来更加便捷，语言句式简便，程序构造清楚，可用于多种编程平台适应性更强.
4。
2程序设计流程
4.2.1温湿度测量模块
与温湿度测量电路设计相对应来设计软件模块，将DHT11传感器感应到的实测值，通过微处理器进行A/D转换成数字信号显示在数码管上。
以这个数值和预设值相比较，若设定值在10～24摄氏度之间时不报警，若在此范围外，则红色二极管亮起，报警电路启动.如果下次监测得到的实测值在此范围内,则二极管报警电路停止工作。
微处理器发出启动信号，DHT11从低耗能模式开启到高速运转模式，主控制器完成启动信号后,温湿度传感器发出40bit的数据，同时开启采集电路,当数据采集结束后，会自动调整回到低耗能模式。
微处理器和温湿度传感器交互中：
总线保持在高电压位置，主控制器会将电压降低以此等候温湿度传感器的回响。
如4。
1所示.
图4。
1温湿度测量模块流程图
4。
2。
2燃气监测模块
如果燃气浓度超过预设好的值的时候,微处理器AT89S52通过CHO引脚将数字量转变成模拟量，触发光警戒系统当燃气浓度低于设定的值，光报警程序停止工作。
流程图如下图4.2所示.
图4.2燃气检测模块
5系统调试
通过AT89S52控制、温湿度传感器DHT11测得数据，最终在LCD1602显示器上显示最终数值，并且MQ-5传感器具有检测气体及报警功能。
检测数据仿真图，如图5。
1所示。
实物图，如图5.2所示（显示为“RS：
25%TEMP：
29℃”）。
图5.1测试数据
图5.2实物图测试结果
总结
随着社会的发展，科学技术的提升，生产生活的不断优化，人们的生活水平也在随之不断提高，因此人们也开始越来越重视室内环境发舒适程度。
住宅不仅是家庭团聚和生活的场所，而且还是人们生活的重要物质保障,人们的身体是否良好和室内环境的质量有着不可分割的关系，我们知道温湿度和有害气体浓度是标定环境不可或缺的参数,对其准确的测量具有重要意义。
本文是针对人们的长期居住场所或者工作场所的室内空气质量而设计的.除了实现室内多种气体的监测以及温湿度监测,还具有声报警功能。
本文综合利用单片机、传感器和LCD显示等方面技术，完成了各功能的设计并系统地介绍了软硬件的设计方法。
1．本文将单片机和传感相结合，实现了对环境温湿度的采集与读取功能以及气体浓度的报警功能，达到了预期检测效果.
2．利用LCD数码管完成了显示电路的设计。
3．利用蜂鸣器报警功能，当气体浓度值和温湿度值超过设定的标准值时，实现自动报警功能。
4．当温湿度超限时，LCD显示器可以立即提示并结合发光二极管报警，当气体浓度超限时采用发光二极管报警。
由于时间以及条件所限，本设计还存在很多不足，当然顺着这条思路继续往下做的话，还可以把智能控制系统做的更加的完善与多功能，并有望实现智能家居控制系统的设计工作。
在今后的设计中，我将会更加
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