基于单片机的家居空气质量监控系统.docx

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基于单片机的家居空气质量监控系统

基于单片机的

家居空气质量监控系统

摘要

随着社会的不断发展与科学技术的日新月异。

家庭住所作为人们日常起居生活最核心的区域越来越被人们所关注。

特别是近年来，外界环境污染愈发严重，人们越来越渴望自己的居所在满足日常基本起居的同时更能够为自己提供一个安全、舒适、温馨的环境。

为此，人们在需要相应的空气净化设备同时，更需要一种简洁、方便、有效、功能齐全、面向家居的空气质量检测设备。

将检测与控制相结合，实现设备间的智能联动。

本文所构建了家居的空气质量监控系统面向于现代家居环境能够检测并显示出温度，湿度，甲醛，PM2.5各项实时数据。

本系统以AT89C51单片机为核心，主要包括传感器温湿度采集，传感器气体采集，A/D模/数转换，LCD液晶显示，声光报警等部分。

系统通过搭建的传感器元件采集家居中温湿度，甲醛含量以及PM2.5含量，并实时显示上述采集数据。

此外，采集上来的数据与单片机内部设定的整定值比较。

当数据不合标准时发出报警信号并开启相应设备通知家居主人。

最后，本文将设计的系统在PROTUES环境下进行了仿真，验证了设计的正确性，可行性。

本设计借鉴了市场现有的产品以及环境质量现有的研究成果。

集实用性，高效性，经济性于一身。

为今后智能家居的发展提供了新的思路。

关键词：

单片机；空气质量检测；传感器；PROTUES

abstract

Withthecontinuousdevelopmentofsocietyandtherapiddevelopmentofscienceandtechnology.Asthecoreofpeople'sdailylife,thefamilyresidencehasbecomemoreandmoreconcernedbypeople.Especiallyinrecentyears,theenvironmentalpollutionhasbecomemoreandmoreserious,peoplearemoreandmoreeagertomeettheirownhomesinthedailybasiclivingwhilemoreabletoprovidethemselveswithasafe,comfortable,warmenvironment。

Tothisend,weneedthecorrespondingairpurificationequipmentatthesametime,butalsoneedasimple,convenient,effective,completefunction,forhomeairqualitytestingequipment.Thedetectionandcontrolarecombinedtorealizetheintelligentlinkagebetweendevices。

Theairqualitymonitoringsysteminthehomeisdesignedtodetectanddisplaythetemperature,humidity,formaldehydeandPM2.5real-timedatainthemodernhomeenvironment.ThissystemtoAT89C51microcontrollerasthecore,includingthetemperatureandhumiditysensoracquisition,sensorgascollection,A/Dmode/numberconversion,LCDliquidcrystaldisplay,soundandlightalarmandotherparts。

Thesystemcollectsthetemperatureandhumidity,theformaldehydecontentandthePM2.5contentofthesensor,anddisplaysthedatainrealtime.Inaddition,thedatacollectedfromtheinternalsettingsofthemicrocontrollerandthesettingvalueofthecomparison。

Whenthedataisnotstandard,thealarmsignalisissuedandthecorrespondingequipmentisturnedontoinformthehomeowner.Finally,thedesignofthesysteminthePROTUESenvironmentsimulation,verifythecorrectnessofthedesign,feasibility。

Thisdesigndrawsontheexistingresearchresultsoftheexistingproductsandenvironmentalqualityofthemarket。

Practicality,highefficiency,economyinonebody。

Itprovidesanewideaforthedevelopmentofsmarthomeinthefuture。

Keywords:

singlechipmicrocomputer;airqualitydetection;sensor;PROTUES

目录

第1章引言1

1.1设计背景及意义1

1.2家居环境监测系统现状2

1.3设计目的及内容3

第2章系统设计方案论证和总体框架设计4

2.1设计要求4

2.1.1家居空气质量监测系统功能4

2.2系统硬件的选型与论证4

2.2.1单片机控制器的选型4

2.2.2温、湿度传感器的选型5

2.2.3甲醛气体监测模块选择与论证6

2.2.4PM2.5监测模块选择与论证6

2.3家居空气质量监测系统总体设计框架7

第3章系统硬件模块电路设计8

3.1控制模块设计8

3.1.1AT89C51单片机的介绍8

3.1.2时钟电路设计11

3.1.3复位电路设计12

3.1.4单片机最小系统硬件电路图12

3.2传感器模块设计13

3.2.1温湿度检测模块设计13

3.2.2甲醛检测模块设计13

3.2.3PM2.5检测模块设计14

3.3液晶显示模块设计14

3.4报警模块设计16

3.5电源模块设计16

第4章系统软件设计18

4.1程序设计软件简介18

4．2程序流程图18

4.2.1温湿度测量模块软件设计18

4.3.2PM2.5测量模块软件设计19

4.3.3甲醛测量模块软件设计19

第5章仿真与实验测试21

5.1PROTUES软件介绍21

5.2仿真结果21

总结24

致谢25

参考文献26

第1章引言

1.1设计背景及意义

伴随着社会日新月异的发展与人类生活水平的极大提高，家居环境质量的好快逐渐成为我们关注的重点。

而在我们家居生活中温度湿度、可吸入颗粒物PM2.5含量、有害气体含量等以上数据因与我们健康密切相关因为而最为被关注。

据相关资料显示，人体的健康会极大的被温度湿度环境所影响。

专家指出：

日常家居中，温度控制在17℃-26℃，湿度控制在43％-67％RH的情况下人体最为感到舒适。

而长期生活在湿度低于43％RH的空气环境中，人体的各项器官，特别是呼吸呼吸系统会产生极大的损害。

鼻腔，呼吸道乃至肺部的黏膜纤毛生理功能受到极大损害，纤毛的蠕动减缓，从而很难清理掉粘膜上的灰尘、细菌等附着物的，给细菌与病毒滋生提供了良好的环境，从而损害人体健康。

而在湿度较大的环境下，特别是大于65％RH时，松果激素大量产生，促使人体肾上腺素，甲状腺素含量减少，造成人体兴奋度降低，疲惫，没有活力。

同时，高湿度环境会损害人体免疫力，容易产生各种疾病，危害人体健康。

PM2.5又叫细颗粒物，指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 微米的颗粒物。

由于本身质量微小，可悬浮在空气中，大量的PM2.5颗粒物存在空气中会对环境造成极大的污染，是检测环境质量的重要指标。

PM2.5在正常的环境中含量极少，但随着我国环境质量的不断变差以及PM2.5的含量不断加大，其对人类健康的危害愈发严重。

与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

甲醛是近些年伴随着过度装修用料所导致的新型家居污染源。

甲醛无色有刺激性气味，随呼吸系统进入人体后会破坏人体细胞蛋白质，进而对人体器官特别是呼吸系统，神经系统造成极大地破坏。

甲醛中毒的临床表现为眼红、眼痒、咽喉不适或疼痛、声音嘶哑、喷嚏、胸闷、气喘、皮炎等。

严重时引发肾衰竭与癌症。

近年来，世界范围内的科学家对甲醛问题展开了全面的讨论与研究。

认为家居环境污染是导致甲醛中毒的最直接原因，因而净化家居环境，慎用装饰材料是防范甲醛危害的最使用的办法。

我国作为甲醛污染大国，也在近些年制定了相应的防范措施。

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”，此标准严格定义了家居环境质量的各项标准，特别明确了各污染源的含量健康标准，给广大居民鉴定自家家居环境质量提供了科学参考。

由此可知，家居环境质量越发受到人们重视，而相应的家居环境质量检测控制仪器也应与而生，并拥有广泛的应用前景与商机。

可见，对家居环境监控设备的研究具有重要的意义。

1.2家居环境监测系统现状

人类对于温湿度的测量由来已久，早在中世纪的欧洲，著名科学家伽利略就曾有过尝试。

他所制作的简易温度计，感热部分由果核大的玻璃泡构成，另一端则连有敞口的玻璃管。

根据热胀冷缩原理，受热水平面会根据变化上下移动，从而判定出温度的变化，并可大致测出温度的高低。

后来，经过科学家们的不懈努力，又在此基础上进行可改进，对感热材料换成了水银，使温度变化更加敏感，这也为后来温度计的形成提供了基础。

水银温度计结构简单，制作方便，计量稳定，目前依旧被我们广泛使用，但缺点是材料易碎，并且不能实现远距离测量，不具备智能化等功能。

目前在家居使用中，对有害气体的过滤，特别是甲醛气体的去除以活性炭居多。

所谓的活性炭，顾名思义主要以炭构成，在制作过程中，将炭打磨成细小的炭粒。

炭粒表面具备有较大的表面积，而炭粒的内部则有极为细小的穿孔。

正是这种构造，让活性炭颗粒与空气有着充足的接触空间，并具备极大的吸附能力，从而实现对空气的过滤与净化。

活性炭的制作需要较为精细的讲究，对于消除特定的有害气体时，活性炭的孔隙结构要适合有害气体的分子结构，从而最大限度的发挥活性炭的吸附能力。

活性炭在对甲醛、苯系物、氨、氡等有害气体的过滤有着极强的作用。

此外，活性炭购买方便，使用简洁非常适合家居环境下的空气净化。

但活性炭使用条件较为严苛，需要在流动的空气环境中方可起到较好的过滤作用，并且过滤空间面积较小，过滤后若要循环使用，则必须在日光下进行暴晒处理，使活性炭内部吸附的气体分子挥发掉。

方可再次使用。

对于PM2.5,1997年美国环保局制定颁布了比PM10更小的颗粒物，即PM2.5作为空气质量标准，并规定年均和日均浓度限值分别为21ug/m3、65ug/m3，而PM10年均和日均浓度限值不变。

2006年美国环保局进一步缩小PM2.5的日均浓度限值，也就是现在的标准限值，即年均和日均浓度限值分别为15ug/m3、35ug/m3并且废除了PM10的年均浓度限值，可见，美国对颗粒物的限值标准越发严格。

年月世界卫生组织在《全球大气质量指南》中力推的年均和日均浓度限值分别为10ug/m3、25ug/m3、根据全球各国的社会经济发展水平和环境空气污染特征的差异，将环境空气质量分为三个阶段目标和一个指导值。

阶段等级越高，对环境空气质量的要求越严格。

近年来，越来越多的发达国家和地区已根据各自发展状态对其环境空气质量标准作了相关的修订。

进入20世纪，伴随着电子技术的飞速发展与日益广泛的应用，空气环境检测技术有了更深层次的发展，相关电子产品也得到了极其广泛的应用。

特别是电子化的温度计、湿度计、甲醛测量仪、PM2.5净化设备等。

国外在这方面研究较早也取得了较为显著的成果。

早在上世纪80年代模拟式组合仪表已应用在温湿度检测中。

进入新世纪国外的温湿度控制已全面向自动化、智能化、无人化方向靠拢，并将成果转化为产品投入市场。

我国在此方面发展较晚，受困于技术与材料方面的限制，仅在温度、湿度单一方面取得了一定成果，在集成性方面还有待进一步发展。

在有害气体的检测方面，国外的发展也走在我国前面。

目前相当一部分公司开发出的产品已在相关气体检测方面占有重要的市场，如英国Tsl公司生产的PPM40OTM甲醛检测仪、德国生产的TG2000系列固定式有害气体检测仪。

我国公司的产品尽管与国外知名厂商存有一定差距，但产品发展仍取得了不错的效果，如深圳市赛纳威环境科技有限公司生产的赛纳威甲醛检测器，北京ECO-5（琥珀金）居家智能甲醛监控装置，天津福民科技有限公司生产的优耐特甲醛全时段检测净化器等。

以上这些空气检测装置虽然在检测有害气体方面有不错的性能，但其应用范围主要适用于工业领域，并不适用与家居环境空气的质量检测，可见在家居领域，此项研究仍有极大地研究价值。

特别是伴随着单片机技术的不断成熟。

电子化的空气检测仪器与家居智能化的发展完美契合。

本文正式尝试将两者的结合，设计出一种基于单片机的家具空气质量监控系统。

1.3设计目的及内容

本文所构建出的家居空气质量监控系统面向于现代家居环境能够检测并显示出温度，湿度，甲醛，PM2.5各项实时数据。

集实用性，高效性，经济性于一身。

通过比较市场现有的产品以及环境质量现有的研究成果。

最终设计出了以单片机为控制核心，多传感器检测多项数据，并加入了液晶显示及声光报警模块，将家居环境至来年个检测和智能控制有机的结合起来，为今后智能家居的发展提供了新的思路。

本文主要完成的设计内容如下:

（1）完成了系统设计方案论证和总体框架设计。

（2）控制模块，使用AT89C51单片机作为系统核心控制器。

（3）温湿度模块，使用传感器DHT11采集温湿度数据。

（4）气体检测模块，使用PM2.5传感器及甲醛气体传感器采集气体浓度。

（5）报警模块，采用蜂鸣器，指示灯来进行报警处理。

（6）显示模块，采用LCD液晶显示屏显示室内空气实时数据。

（7）设计了系统整体和各模块工作的程序框图。

（8）利用PROTUES对构建系统进行仿真，验证设计的可行性。

第2章系统设计方案论证和总体框架设计

2.1设计要求

本论文要设计的是一种面向于家居的空气环境质量监控系统，能够实时检测空气温度湿度、PM2.5、甲醛等有害气体。

当某一数据超标时能自动发出报警信号并开启相应设备。

此外为了满足智能家居的设计要求，该系统监控的各项数据能够实时传送至系统显示屏，计算机，主人的通信设备。

还能与空调、加湿器、净化器等设备形成智能联动，帮助改善家中的空气质量。

本文设计的空气质量检测系统的环境质量数据依据《室内空气质量标准》GB/T18883-2002设计。

相应标准如下表2-1：

表2-1室内空气质量标准

项目

单位

值

适用范围

相对湿度

%

40~80

温度

℃

22~28

甲醛HCHO

mg/m3

0.10

1小时均值

可吸入颗粒PM2.5

mg/m3

0.15

日平均值

2.1.1家居空气质量监测系统功能

在本文设计的家居空气质量监控系统，是以单片机为核心，收集相应的气体采集模块采集相应的空气数据。

并将采集的各项数据实时显示在LCD显示屏上，并通过控制器将采集数值与内部设定值比较，采集值越限时启动报警模块发出声光报警。

为了实现以上功能：

系统硬件在搭建过程中，具有单片机控制器，温度传感器，湿度传感器甲醛传感器、PM2.5含量探测器、A/D转换电路、液晶显示器，LED灯光与蜂鸣器等。

2.2系统硬件的选型与论证

2.2.1单片机控制器的选型

本文设计的监控系统是围绕单片机进行整体构建的，因此选择一个合适的运转的核心与大脑就是设计的至关重要的一部。

因而，在开始设计之前，我们需要从市场是种类繁多的单片机中选择出合适的类型，并经过一定的论证，以此保证整个系统运行的可靠。

所以，在选型过程中，我们本着讲究技术性，开发性，实用性三方面综合考虑，从而达到最优的性价比与未来升级换代的可能性。

具体说来

（1）在技术性方面:

以满足系统功能实现，可靠运行为目的，对单片机芯片引脚，功能进行考察，是否满足上述要求。

（2）在实用性方面:

对特定厂家特定市场生产的单片机产品进行调研，通过型号间的纵向比对以及不同产品间的横向比较，选择最合适的产品，保证系统可靠运行。

（3）在开发性方面，着眼长远发展，选择的单片机类型能够满足未来升级换代的选择性，从而最大限度的满足经济性的条件。

本设计选用的AT89C51单片机芯片是美国ATMEL公司的产品。

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEAROM—FlashProgra1mmableandErasaableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位单片机，数据可重复擦除。

该器件使用了ATMEL公司所研发的最先进的高密度存储制造技术，并可与工业级别的MCS-51指令集与阵脚所兼容。

正式因为以上优点，AT89C51在不失工作性能与存储性能的同时更兼具了灵活与成本低廉等特点。

故而在控制领域得到了极其广泛的应用。

AT89C51的芯片如图2.1所示。

图2.1AT89C51的外观及针脚

2.2.2温、湿度传感器的选型

在目前市场上众多的流行温度湿度传感器主要分为两种。

即分立式与集成式:

分立式传感器就是采用各自的温度检测探头与湿度检测探头分别采集数据，然后将两个传感器采集的实时信息分别送入单片机相应的I/O接口，单片机通过采集两个接口的信息然后再进行数据处理，通过以上流程可知，分离式使用较为繁琐并占用更多的数据资源。

而集成式正是解决了这个缺点，将温度检测，湿度检测合成一个传感器。

并继承了两种器件的全部功能。

综上所述，本系统采用集成式的DHT11温湿度传感器。

DHT11是数字温湿度传感器系列中的插针型传感器，如图2.2所示，温湿度探头集成了温敏元件与湿敏元件，并聚合在一个芯片后传输数据。

图2.2DHT11温湿度传感器

DHT11体积仅为为7.65mm×5.08mm×2.35mm和耗电电流在工作时为550μA,休眠为3μA，平均为28μA，因而具有体积小，功耗小等特点。

当家居环境温度越限时，报警信号可产送至终端设备，实现报警功能。

DHT11湿度量程范围是0%RH～100%RH,温度量程范围是-42℃～125.2℃，测量分辨率分别为12bit（温度）、14bit（湿度），在高速或超低功耗的应用中也可分别降至11bit和7bit。

同时还具有电源电压监测功能，可监测到Vdd电压低于2.51V的状态，精度为±0.05V通过以上分析，可以作为家居温湿度传感器使用。

2.2.3甲醛气体监测模块选择与论证

目前市场上流行甲醛监测传感器主要分为：

电化学传感器、光学传感器和光生化传感器等。

其中光学传感器本身体积较大，使用陈本价高，因此不适用于实时监测系统。

而光生化传感器本身在其测量元件酶的活性以及其它因素可能导致传感器不稳定，大大降低了系统可靠性。

电化学传感器正是弥补了上述类型的缺点，成本低，易生产，性价比高。

非常适用于家居环境检测。

因此，本设计中采CH2O/C-10电化学传感器,如图。

图2.3CH2O/C-10甲醛气体检测器

2.2.4PM2.5监测模块选择与论证

PM2.5指空气中空气动力学当量直径小于2.5UM的细小固体颗粒物质。

它们在空气中悬浮时间越长，其浓度越高，空气污染越严重。

具有小粒径、大面积、强活性等特点，易吸附重金属等有毒物质，而且在空气中的滞留时间长、扩散距离远。

现有技术下，检测、的方法主要有重量检测法、微量振荡天平法、射线检测法、光散射检测法。

由于光散射法具有检测速度快、重复性好并且可实现在线检测等优势，所以被广泛应用，本文采用夏普GP2Y1010AU0F光学空气质量传感器。

图2.4GP2Y1010AU0FPM2.5传感器

2.3家居空气质量监测系统总体设计框架

本系统以AT89C51单片机为核心，主要包括传感器温湿度采集，传感器气体采集，A/D模/数转换，LCD液晶显示，声光报警等部分。

系统通过搭建的传感器元件采集家居中温湿度，甲醛含量以及PM2.5含量，并实时显示上述采集数据。

此外，采集上来的数据与单片机内部设定的整定值比较。

当数据不合标准时发出报警信号并开启相应设备通知家居主人。

系统整体设计如图2.5所示

图2.5家居环境质量监控系统整体框架

第3章系统硬件模块电路设计

3.1控制模块设计

3.1.1AT89C51单片机的介绍

AT89C51是美国ATMEL公司推出的与MCS-51单片机兼容的衍生机型，在我国目前的8位单片机市场中占有较大的市场份额。

ATMEL公司是美国20世纪80年代发展起来的半导体公司，1994年以E2PROM技术与Intel公司的80C51的内核使用权进行交换。

ATMEL公司的技术优势是其Flash存储器技术，将Flash技术与80C51的内核技术相结合，形成了片内带有Flash存储器的AT89C5X/AT89S5x系列单片机。

该系列单片机继承了MCS-51的原有功能，与MCS-51系列单片机在原有功能、引脚及指令系统方面完全兼容。

此外，其中某些品种又增加了一些新的功能。

AT89C51与MCS-51系列中的87C51相比，片内4KBFlash存储器取代了片内4KB的EPROM,可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低，因此收到了应用设计者的欢迎，AT89C51是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。

AT89C51的上限工作频率为33MHz,其片内硬件组成结构如图3.1：

图3.1AT89C51片内硬件组成结构

有如下功能部件和特性：

（1）8位微处理器（CPU）；

（2）数据存储器（128BRAM）；

（3）程序存储器（4KBFlashROM）；

（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口和P3口）；

（5）1个全双工的异步串行口；

（6）2个可编程的16位定时器/计数器；

（7）1个看门狗定时器；

（8）中断系统具有5个中断源、5个中断向量；

（9）特殊功能寄存器（SFR）26个；

（10）低功耗模式有空闲模式和掉电模式，且具有掉电模式

下的中断恢复模式；

（11）3个程序加密锁定位。

AT89C51与51系列中各型号芯片的引脚互相兼容，目前多采用40只引脚双列直插。

图3.2