室内环境监控系统.docx

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室内环境监控系统

常州信息职业技术学院

学生毕业设计（论文）报告

系别：

电子与电气工程学院

专业：

电气自动化技术

班级：

电气111

学生姓名：

踪娜

学生学号：

**********

设计（论文）题目：

室内环境监测系统

*******

设计地点：

常州信息职业技术学院

起迄日期：

2013.09~2014.06

毕业设计（论文）任务书

专业电气自动化技术班级电气111姓名踪娜

一、课题名称：

室内环境监控系统

二、主要技术指标（或基本要求）：

本设计的最终目的是对室内环境进行一个实时监控，该系统能够完成一定范围温度监测、湿度监测、光照强度监测以及有害气体监测，并在虚拟仪器的平台上实现温度、湿度、光照强度及有害气体浓度等相关数据的实时显示。

三、主要工作内容：

本系统使用温湿度传感器和光照强度、空气质量传感器对室内环境的相关参数进行采集，采集到的数据经过信号调理电路，传输到单片机内部进行数据处理，最后,在上位机的虚拟仪器平台上显示测试值。

四、主要参考文献：

李国刚,万本太.中国环境监测科技发展需求分析[J].中国环境监测,2004,06:

5-8.

袁腾.智能家居环境监测系统的设计[D].湖南大学,2012.

于波.基于单片机的室内环境监测系统设计[D].中国海洋大学,2011.

肖友平.基于虚拟仪器的室内环境远程监测系统设计[D].西南石油大学,2010.

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

教研室主任（签名）年月日

系主任（签名）年月日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

室内环境监控系统

一、选题的背景和意义：

随着社会的进步,人们对居住和工作的环境有了更高的要求,越来越重视其舒适性和安全性,这就要求对室内的各项环境参数进行量化管理"其中,对有的参数（如温度!

湿度!

光强!

有害气体一氧化碳等）实现实时监测与控制,进而达到综合调节控制"然而,现有的室内环境监测设计大多是针对单个参数（如温度!

湿度等）的简单监测系统,自动化水平低,扩展性差,难以实现监测多参数数据的实时显示和存储,以及系统功能的扩展"

二、课题研究的主要内容：

本设计的最终目的是对室内环境进行一个实时监控，该系统能够完成一定范围温度监测、湿度监测、甲烷、酒精，液化气，烟雾等有害气体监测，并在虚拟仪器的平台上实现温度、湿度、有害气体浓度等相关数据的实时显示。

三、主要研究（设计）方法论述：

1、查阅资料、选定设计方案；

2、确定设计方案；

3、确定单片机、传感器的选型；

4、编写程序并进行调；

5、比较得出结论；

6、撰写毕业设计论文。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

2013/09/23~2013/09/27

毕业设计选题

2013/09/28~2013/09/30

完成毕业设计任务书

2013/10/01~2013/10/08

完成毕业设计开题报告

2013/10/09~2013/10/30

完成毕业设计报告初稿

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　　　指导教师签名：

年月日

六、系部意见：

　　　　　　　　　　　系主任签名：

年月日

摘要

目前，随着生活水平的不断提高，人们开始重视自己所处的生活环境，对室内居住环境的舒适度要求越来越高，住宅和居室是人们生活的重要物质条件，是人们生活、家庭团聚的场所，但随着装修材料的大量使用和生活用品的日益广泛，家居环境隐患重重。

不仅表现在室内温湿度的影响上，也体现在室内有害气体浓度的大小上。

在室内装修后，CO和甲醛的检测受到了人们的关注，中国环境保护协会有关数据统计表明每年因室内环境污染患病或死亡的人数比例也引起专家们的注意，室内环境污染已经成为严重影响现代人类健康的杀手之一。

现在市场上也有对室内环境的检测仪器，主要针对的是有害气体的检测，功能单一，而且价格昂贵，根据市场调查，现代社会非常需要一款集室内温湿度和有害气体检测于一体的综合监测系统。

本设计主要做了以下几方面的工作：

一是确定系统的整体设计方案。

包括系统应具备的功能、达到的技术指标、系统的设计原则；二是整个系统的各个模块的硬件和软件的设计。

单片机和传感器的分析与使用，以STC89C52单片机为核心，使用单总线技术的DHT11数字温湿度传感器的测温湿电路以及程序设计，用气敏传感器MQ-2进行数据采集的电路以及程序设计；三是虚拟仪器显示电路的程序设计。

关键词：

室内环境，单片机，温湿度，MQ-2，虚拟仪器

Abstract

Atpresent,withthecontinuousimprovementoflivingstandards,peoplebegintopayattentiontotheirownlivingenvironment,comfortrequirementsforindoorlivingenvironmentmoreandmorehigh,housingandthebedroomisoneoftheimportantmaterialconditions,people'slifeisaplaceforpeople'slife,familyreunion,butwiththemassuseofdecorationmaterialsandarticlesfordailyuseisbecomingmoreandmorewidely,householdenvironmenthazards.Notonlytheinfluenceoftheindoortemperatureandhumidity,alsoreflectedinthesizeoftheindoorharmfulgasconcentration.Afterindoordecoration,COandthedetectionofformaldehydebytheattentionofpeople,China'senvironmentalprotectionassociationrelevantstatisticsshowthateveryyearduetoillnessordeathproportionofindoorenvironmentpollutionalsoattracttheattentionoftheexperts,indoorenvironmentpollutionhasbecomeoneoftheseriousinfluenceofthemodernhumanhealthkiller.Nowinthemarkethaveontheindoorenvironmenttestinginstrument,mainlyisforharmfulgasdetection,singlefunction,andthepriceisexpensive,accordingtothemarketsurvey,verymodernsocietyneedsasetofindoortemperatureandhumidityandharmfulgasdetectioninabody'scomprehensivemonitoringsystem.

Thisdesignmainlydidthefollowingseveralaspects:

oneistodeterminethesystemoveralldesignscheme.Includingthesystemshouldhavethefunction,technicalindex,thesystemdesignprinciples;Second,thevariousmodulesofthewholesystem'shardwareandsoftwaredesign.AnalysisandusingsinglechipmicrocomputerandsensortoSTC89C52single-chipmicrocomputerasthecore,theuseofsinglebustechnologyDHT11digitaltemperatureandhumiditysensortemperaturehumiditymeasuringcircuitandtheprogramdesign,gassensor,MQ-2dataacquisitioncircuitandprogramdesign;Threeistheprocessofthevirtualinstrumentdisplaycircuitdesign.

Keywords:

indoorenvironment,singlechipmicrocomputer,temperatureandhumidity,MQ-2,virtualinstrument

第1章.绪论

1.1设计背景及意义

随着电子技术的发展，传感器的性能和种类的不断提高和丰富，使得基于微型计算机芯片控制的室内环境实时分析监测系统成为可能。

该设计通过传感器引入数字化的环境信息，通过单片机的数据分析，如果此监测系统与室内空调、加湿器、照明系和电动门窗系统等家具电器配合使用，显然节能减排、深入人心，建筑节能和智能化发展得到大力提倡的今天，其不仅能为人们的生活带来便利，更符合可持续发展的理念，无论是经济学角度还是社会学角度来看，设计和研究基于数字化的室内环境监测系统辅助家居智能化和节能环保的设备有着重要的现实意义和经济价值。

该设计基于上述请况出发，应用

8051系列单片机丰富的I/O接口和对数据的采集、处理功能，实现传感器由物理量到数字化的转变，输入到单片机通过微处理器的分析处理给出相应的结果，然后，通过虚拟仪器的图形化编程软件LabVIEW实时的显示出各环境监测值，使人们能够及时了解各环境参数的情况，并在环境参数变到危害到正常的生活需要的时候给出报警电路的报警信号，及时的通知人们离开或者是加以相应的处理，使得适合人们居住。

由于相关的智能化家居设备的不稳定性和不确定性，这里就不做相应的控制算法的研究和处理，仅把相关参数储存在相应位置或者输出到对应的I/O口，供其他相关设备读取数据。

伴随着人们生活水平的不断提高，越来越多的人们更加关注居住生活环境的安全质量（主要包括温度、湿度、有害气体浓度等等）问题，所以对室内环境做实时监测和数据分析显得尤为重要。

1.2室内环境监测系统发展现状

早期，在电子技术的推动下，温度与湿度传感器代替了简单的温度计与湿度计，以单片机为核心的监测系统发展迅速,连接接口电路，并将结果显示虚拟仪器软件的前面板上。

另外，单片机还可直接控制打印监测数据。

这种方式在很大程度上提高了工作效率，并扩展了应用范围。

但系统所采用的温度、湿度传感器直接输出的是模拟电压信号，传输过程中信号易损耗，影响系统精度，且传输距离较近。

每个测试点都需要各自独立的信号线，为了实现多点监测，不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转换开关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其难于维护，价格昂贵。

自上世纪九十年代以来，伴随微处理器芯片和网络通信技术的发展，为了简化系统设计并降低成本，各公司及科研机构开始致力于相关领域的探索，使得温度、湿度等数据监测数字化、网络化的实现成为可能。

其中，美国达拉斯半导体公司推出了1-WireBus（单总线）接口协议，单总线技术与其它总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的。

因此，单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。

同时各软件公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。

此外，使用者还希望对仪器本身的技术问题关注尽可能少，而将更多的精力转向测试对象，这样即使是使用了VC、VB等高级语言编程、调试测试程序，也不能适应现代监测系统对系统开发时间的要求，因而需要寻求新的编程方法。

出于这些考虑，近年来，许多公司开发出很多出色的仪器开发系统软件包。

其中，基于图形设计的用户接口和软件开发环境是最流行的发展趋势。

在这方面最有代表性的软件产品是NI公司的LabVIEW、HP公司的VEE等。

1.3虚拟仪器概述

1.3.1虚拟仪器的产生

虚拟仪器技术是计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。

它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、网络化的方向发展。

电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：

模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。

第一代模拟仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。

第二代数字化仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。

第三代智能仪器内置微处理器，具有自动测试和数据处理功能，可以代替部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。

它的功能模块全部都以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。

第四代虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，并导致传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。

虚拟仪器（VirtualInstruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（National

InstrumentsCorp.简称NI）于1986年提出的。

M公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。

随着硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。

虚拟仪器既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器,能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试、测量及自动化工业的系统测试和监控变得非常方便和快捷。

1.3.2虚拟仪器的概念

虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户西南石油大学硕士毕业生学位论文可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计算机。

如同在操作自己定义、设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。

虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A数字I/O、定时器、信号调理等）的测试能力和控制能力结合起来，虚拟仪器突破了传统仪器以硬件为主体的模式。

实际上，使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。

虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。

软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。

用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。

利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。

它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。

虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。

1.3.3虚拟仪器的构成

虚拟仪器从构成要素上讲,由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成方式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统,或已GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。

虚拟仪器的构成如图1.1所示：

目前,虚拟仪器的构成方式有以下几种：

（l）PC-DAQ插卡式的Vl

这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。

充分利用计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利、其关键在于A/D转换技术。

这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。

随着基于PC的工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ方式存在的缺点己经正在被克服。

因个人计算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜,因此其用途广泛，特别适用于工业测控现场!

各种实验室和教学部门使用。

（2）并行口式的Vl

可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种Vl功能。

其最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。

（3）GPIB总线方式的El

GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）技术是IEEE488标准的Vl早期的发展阶段。

它的出现使电子测量由独立单台手工操作向大规模自动测试系统发展"典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。

在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。

GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便的把多台机器组合起来，形成自动测试系统。

GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。

适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合。

（4）VXI总线方式的Vl

VXI总线是VMEbusextensionforIstrumentation的缩写，是高速计算机总线VME在Vl领域的扩展，有稳定的电源,强有力的冷却能力和严格的RFI/EMl屏蔽。

由于其标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。

经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，具有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但VXI系统要求有专用的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

（5）PXI总线形式的Vl

PXI总线是PCIextensionforInstrumentation的缩写,是PCI在Vl领域的扩展。

这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发!

精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。

（6）网络接口方式的Vl

尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起,不过NI等公司已经开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品,使人们可以通过Internet操作仪器设备。

根据虚拟仪器的特性，我们能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络。

利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。

现在，有关MCN（MeasurementandControlNetworks）方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。

由此可见,网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。

（7）USB接口方式的Vl

UniversalSerialBus（USB）因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB2.0高达48oMbits/s的传输速率，逐渐成为仪器控制的主流总线技术。

现代计算机上的USB接口越来越多，使得工程师可以很方便的将基于USB的测量仪器连接到整个系统中。

但是，USB在仪器控制方面上亦有一些缺点。

如USB的排线没有工业标准的规格，在恶劣环境下，可能造成数据的丢失。

此外，USB对排线的距离也有一定的限制。

无论哪种Vl系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机和工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。

1.3.4虚拟仪器的优点

一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的功能，而且在许多方面具有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉!

可一机多用、可重复开发等。

1.4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监测系统，要求其精度高，适用于家庭、综合办公楼等室内监测。

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，采用数码管显示及声光报警系统，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，它使用传感器DHT11采集温湿度数据。

（3）气体检测模块，使用MQ-2传感器采集有害气体气体浓度。

（4）报警模块，采用发光二极管的亮灭来显示有害气体是否超标。

（5）显示模块，采用虚拟仪器的图形化软件LabVIEW显示测量值。

基于单片机的室内环境监测系统设计 。

第2章.

系统模块的方案论证和总体框架设计

2.1系统设计原则

本文设计的环境监测系统是一种监测设备，同时也是基于微型计算机的应用为目的的电子仪器，最终目的是面向市场和面向用户。

因此，在系统设计过程中必须要考虑兼顾各方面的特点和技术要求，始终遵循以下几条原则：

安全性原则：

系统设计和制作要完全依据《电气设备安全通用要求》规定的内容进行，保证系统的电气性能安全。

准确性原则：

环境信号是极其微弱的信号，非常容易受到环境感应电的干扰，因此在系统设计、制作中要采取一切手段保证信号的不失真。

实时性原则：

保证系统能够对环境进行实时监测。

可靠性原则：

系统必须保证能够长时间稳定的工作，性能可靠而不出故障。

简易性原则：

目前大多数人员对计算机操作的掌握非常有限，因此易学!

易用是对系统的基本要求。

通用性和可移植性原则：

当前使用的和市面上可以见到的微型计算机品牌、档次、内部结构是多种多样的，系统必须保证能够在绝大多数计算机上通用和安全移植。

2.2系统基本方案选择与论证

2.2.1单片机模块选择与论证

方案一：

AT89C51是4K字节的高性能CMOS8位微处理器，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

方案二:

AT89S52单片机含8位CPU，具有8K在系统可编程Flash存储器及256字节数据存储器，有32位I/O端口线和2个数据指针，3个16位定时/计数器，一个2级中断结构