基于單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上中文題目：基于單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計外文題目：DESIGN OF INDOOR ENVIRONMENT MONITORING SYSTEM BASED ON MCU畢業(yè)設(shè)計（論文）共 70 頁（其中：外文文獻及譯文7頁） 圖紙共1張 完成日期 201年6月 答辯日期 201年6月本科畢業(yè)設(shè)計（論文）學(xué)生誠信承諾保證書本人鄭重承諾：基于單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容真實、可靠，系本人在 指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立完成。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人承擔(dān)全部責(zé)任。學(xué)生簽名：年 月 日本科畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師誠信承諾保證書本人鄭重承諾：我已按學(xué)

2、校相關(guān)規(guī)定對 同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計（論文）的選題與內(nèi)容進行了指導(dǎo)和審核，確認由該生獨立完成。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人承擔(dān)指導(dǎo)教師相關(guān)責(zé)任。指導(dǎo)教師簽名：年 月 日專心-專注-專業(yè)摘要隨著社會的發(fā)展，生活質(zhì)量的提高，越來越多的人意識到房屋裝修后所殘留的氣體對人體的傷害，而房屋裝修后所殘留的有害氣體主要為甲醛。而甲醛的揮發(fā)又與溫度和濕度有關(guān)，對此研究并設(shè)計一種檢測室內(nèi)溫濕度和甲醛濃度的監(jiān)控系統(tǒng)就很有必要。該系統(tǒng)的設(shè)計方案是基于單片機來實現(xiàn)的，選擇溫濕度傳感器和有機氣體傳感器，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行處理后將溫濕度和甲醛濃度顯示，同時分析數(shù)據(jù)是否超標。當(dāng)溫濕度

3、超標時，單片機通過蜂鳴器報警提醒人們來調(diào)整溫濕度；當(dāng)甲醛濃度超標時，單片機通過啟動風(fēng)機來降低甲醛濃度。此外，還能通過紅外遙控器對系統(tǒng)進行控制。綜上所述，本設(shè)計具有實時檢測室內(nèi)溫濕度以及甲醛濃度、實時顯示、溫濕度超標報警、甲醛自動凈化和紅外遙控等功能，這些功能的實現(xiàn)可有效減少室內(nèi)甲醛，為人們的生活環(huán)境提供有效的防護，并為人們提供了一個更加舒適、健康的環(huán)境，關(guān)鍵詞：甲醛；單片機；液晶顯示；報警；紅外遙控AbstractWith the development of the society and the improvement of life quality, more and more peop

4、le realize that the residual gas after the building is decorated, the harm of human body and the harmful gas of the residue after the building is decorated mainly for formaldehyde. And the volatilization of formaldehyde is related to temperature and humidity, and it is necessary to study and design

5、a monitoring system for indoor temperature humidity and formaldehyde concentration. Design scheme of the system is based on single chip microcomputer to realize, choose organic gas sensor, the temperature and humidity sensors and sensor data will be collected by A/D conversion sent to the single-chi

6、p microcomputer, single chip microcomputer to deal with the data after the temperature and humidity and formaldehyde concentration showed that excessive analysis data at the same time. When the temperature and humidity is above the standard, the single chip is called by the buzzer to alert people to

7、 adjust the temperature and humidity. When the concentration of formaldehyde is excessive, the single chip can reduce the concentration of formaldehyde by starting the fan. In addition, the system can be controlled by an infrared remote control. To sum up, this design has the real-time detection of

8、indoor formaldehyde concentration, temperature and humidity, and real-time display, temperature and humidity levels, automatic alarm, formaldehyde purification and infrared remote control, and other functions. The implementation can reduce indoor formaldehyde effectively, provide effective protectio

9、n for people's living environment, provide a more comfortable, healthy environment for people.Key words: formaldehyde; MCU; Liquid crystal display; Alarm; Infrared remote control目錄0 前言甲醛是室內(nèi)揮發(fā)性有機物中最主要也是最具危害的污染源，它廣泛存在于家具、地板、油漆等室內(nèi)裝修材料中。它主要對人體的神經(jīng)系統(tǒng)及呼吸系統(tǒng)癥狀造成損害，空氣中含有少量甲醛就會引起人體的不適，輕者導(dǎo)致皮膚過敏、呼吸道發(fā)炎，重者可能導(dǎo)致

10、基因突變，引起鼻咽腫瘤。我國規(guī)定居室空氣中甲醛的最高允許濃度為0.6ppm，即0.08 mg/m3。研究表明，甲醛的揮發(fā)和溫濕度有著密切的聯(lián)系，同時考慮到溫濕度還和人體的舒適感密切相關(guān)，因此很有必要開發(fā)一套集溫濕度和甲醛濃度為一體的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的理論非常簡單，即通過傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)傳送至處理器，然后處理器對數(shù)據(jù)進行分析后作出相應(yīng)的處理。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)較早，最早可追溯至二戰(zhàn)之后，美國在進行放射性物質(zhì)研究時為了保護科學(xué)家的安全，對室內(nèi)環(huán)境的各項指標都進行了嚴密的監(jiān)測。傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)只是檢測室內(nèi)溫濕度和有害氣體的濃度，并沒有后續(xù)的控制措施，存在人性化差、實用性不

11、高的缺點，同時受限于當(dāng)時的科技水平，傳感器和處理器的性能較差，造成了傳統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)還存在著采樣次數(shù)少、實時性差、精度低、體積大等缺點。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器和處理器的性能在不斷提高的同時，體積也越來越小，這使得基于微處理器的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)功能更多、體積更小、精度更高，不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測室內(nèi)溫濕度和有害氣體濃度，還具有液晶顯示、自動凈化空氣的功能，真正實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測和控制。隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能控制技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢也越來越趨向于智能家居系統(tǒng)，即通過互聯(lián)網(wǎng)將傳感器和家用電器連接在一起，傳感器將數(shù)據(jù)上傳，家用電器（比如空調(diào)、電動窗簾等）根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)自動進行相應(yīng)

12、的操作，并且可以通過智能手機終端遠程監(jiān)控，雖然該系統(tǒng)更加的自動化和智能化，但是系統(tǒng)龐大、成本過高阻礙了其在市場上的推廣，目前只有很少一部分用戶使用，大部分家庭對于其過高的成本望而卻步。針對上述情況，基于微處理器的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)仍然符合市場需求，本設(shè)計的原理框圖如圖0-1所示，整個系統(tǒng)以單片機為控制核心，采用一體化溫濕度傳感器和有機氣體傳感器，傳感器將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送至單片機，單片機對數(shù)據(jù)處理后將溫濕度和甲醛濃度顯示在液晶顯示器上，同時單片機將數(shù)據(jù)與提前設(shè)定的預(yù)警值進行比較，若溫濕度超過設(shè)定的預(yù)警值，單片機使蜂鳴器發(fā)出間歇性的蜂鳴聲，提醒人們打開空調(diào)或采取其他措施來調(diào)

13、整溫濕度，若甲醛濃度超過設(shè)定的預(yù)警值，單片機則啟動風(fēng)機來凈化甲醛，當(dāng)甲醛濃度回到預(yù)警值范圍之內(nèi)時，單片機關(guān)閉風(fēng)機。此外，本設(shè)計還加入了紅外遙控器，通過紅外遙控器可以控制系統(tǒng)的開/關(guān)、設(shè)置溫濕度及甲醛濃度預(yù)警值、控制風(fēng)機的開/關(guān)。綜上所述，本設(shè)計除了能夠?qū)崟r監(jiān)測室內(nèi)溫濕度和甲醛濃度、液晶顯示和自動凈化甲醛，還具有溫濕度超標報警和紅外遙控的功能，使得系統(tǒng)更加人性化。圖0-1 原理框圖Fig.0-1 The principle diagram本系統(tǒng)針對廣大市場而設(shè)計，價格低廉、性能優(yōu)異，不僅能為人們提供一個舒適、健康的生活環(huán)境，而且能在最大程度上節(jié)約電能，在大力提倡節(jié)能環(huán)保的今天，本設(shè)計有著重要的經(jīng)

14、濟價值和現(xiàn)實意義。1 方案論證本次設(shè)計的基于單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)所適用的場所為1525m2的居家臥室，具有預(yù)警值設(shè)置、溫濕度和甲醛濃度檢測、液晶顯示、超標報警、自動凈化甲醛等有害氣體、紅外遙控的功能。根據(jù)以上功能，本系統(tǒng)的硬件電路包括單片機、溫濕度采集電路、甲醛采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、報警電路、紅外接收電路、紅外發(fā)射電路、執(zhí)行電路以及電源電路。單片機采用STC89C52，數(shù)據(jù)采集電路采用一片溫濕度傳感器SHT11和一片有機氣體傳感器MQ138進行數(shù)據(jù)采集；A/D轉(zhuǎn)換電路采用一片ADC0804；液晶顯示電路采用一塊LCD12864；報警電路采用一個蜂鳴器；紅外接收電路采用一個

15、一體化紅外接收頭RPM6938；紅外發(fā)射電路采用一片紅外編碼芯片PD6121G；執(zhí)行電路采用一個BTN7970B電機驅(qū)動芯片和一個12V離心風(fēng)機，風(fēng)機后面安裝一片家用有害氣體過濾網(wǎng)。下面詳細介紹本系統(tǒng)的具體工作流程。本系統(tǒng)在首次使用時，可通過紅外遙控器分別設(shè)置溫度和濕度的預(yù)警值，系統(tǒng)默認溫度設(shè)置為2025，濕度設(shè)置為40%70%RH。甲醛濃度的預(yù)警值根據(jù)國家標準已提前設(shè)置為0.6ppm，設(shè)置好溫濕度傳感器和甲醛傳感器的預(yù)警值后整個系統(tǒng)開始后續(xù)的工作。1）溫濕度傳感器SHT11將檢測到的溫濕度模擬量經(jīng)過其內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量并傳送給單片機，然后單片機將數(shù)據(jù)進行處理之后進行顯示，同時單片機將檢

16、測到的溫濕度與設(shè)置的預(yù)警值進行比較，若超過預(yù)警值，單片機使蜂鳴器報警，提醒人們打開空調(diào)或采取其他措施對室內(nèi)溫度及時調(diào)整。2）有機氣體傳感器MQ138將檢測到的甲醛模擬量通過外部A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量并傳送給單片機，然后單片機對數(shù)字量分析與處理，并將檢測到的甲醛濃度與設(shè)置的預(yù)警值進行比較。若甲醛濃度超過預(yù)警值，則在液晶顯示屏上顯示“甲醛超標”字樣，同時單片機通過執(zhí)行電路啟動風(fēng)機對甲醛進行凈化；當(dāng)甲醛濃度回到預(yù)警值之下時，關(guān)閉風(fēng)機，并在液晶顯示屏上顯示“甲醛正?！弊謽?。3）紅外遙控器除了具有開/關(guān)機、靜音、設(shè)置溫濕度上下限的功能外，人們還能根據(jù)的實際嗅覺感受隨時開啟風(fēng)機對室內(nèi)空

17、氣進行凈化。因為本系統(tǒng)采用的有害氣體濾網(wǎng)由活性炭以及高效吸附材料構(gòu)成，不僅可以有效凈化甲醛，而且還可以有效過濾掉PM2.5、粉塵，花粉，去除房間異味。2 硬件電路設(shè)計2.1 單片機2.1.1 單片機選型方案對比方案一：AVR單片機屬于精簡指令系統(tǒng)計算機。AVR單片機具有很多51系列單片機沒有的優(yōu)點：它的時鐘源可以直接提供給CPU使用，而不用經(jīng)過內(nèi)部分頻；它的 I/O口全部是真正的雙向I/O口；內(nèi)部具有豐富的中斷及寄存器資源；AVR使用的是超功能精簡指令集，這使得其運行速度和數(shù)據(jù)處理能力大大提高。方案二：STC89C52屬于51系列單片機中的一種，相比于AVR單片機，它使用的是復(fù)雜指令系統(tǒng)，因此

18、它的運行速度遠不及AVR單片機；STC89C52中的所有通用寄存器均可直接與立即數(shù)打交道，而AVR單片機的32個通用寄存器中前16個寄存器都不能直接與立即數(shù)打交道，這使得STC89C52的通用性更好。此外，相比于AVR單片機高昂的價格，STC89C52還具有價格上的優(yōu)勢。 綜上所述，由于STC89C52具有更好的通用性和價格上的優(yōu)勢，因此本設(shè)計最終選擇了STC89C52單片機。2.1.2 STC89C52簡介STC89C52的外部引腳如圖2-1所示。圖2-1 STC89C52外部引腳圖Fig.2-1 STC89C52 external pinsSTC89C52共有40個外部引腳，各個引腳的功能

19、及說明如表2-1所示。表2-1 STC89C52引腳功能說明表Tab.2-1 Pins function specification table of STC89C52功能說明VCC接+5V電源GND接數(shù)字地XTAL1片內(nèi)振蕩反相放大器和時鐘發(fā)生器電路輸入端XTAL2片內(nèi)振蕩反相放大器和時鐘發(fā)生器電路輸出端RST復(fù)位信號輸入端，高電平有效PSEN片外程序存儲器的讀選通信號，低電平有效ALE/PROG訪問外部存儲器地址鎖存信號/編程脈沖輸入端EA/VPP外部程序存儲器訪問允許控制端/編程電源輸入端P0口雙向I/O口，內(nèi)部無上拉電阻，可驅(qū)動8個LS型TTL門電路。擴展外部存儲器及I/O口時，可作為

20、低8位地址總線及數(shù)據(jù)總線的分時復(fù)用端口。P1口準雙向I/O口，內(nèi)部有上拉電阻，可驅(qū)動4個LS型TTL門電路。P2口準雙向I/O口，內(nèi)部有上拉電阻，可驅(qū)動4個LS型TTL門電路。擴展外部存儲器及I/O口時，可作為高8位地址總線。P3口準雙向I/O口，內(nèi)部有上拉電阻。P3口還可提供第二功能。P3口作為第二功能使用時，每一位都有特定用途，P3口的每一個端口都可單獨定義為普通輸入/輸出口或者第二功能口，其特殊用途如表2-2所示。表2-2 P3口第二功能表Tab.2-2 second function table of P3端口引腳第二功能注釋P3.0RXD串行口數(shù)據(jù)接收端P3.1TXD串行口數(shù)據(jù)發(fā)送端

21、P3.2INT0外部中斷請求0P3.3INT1外部中斷請求1P3.4T0定時/計數(shù)器0外部計數(shù)輸入P3.5T1定時/計數(shù)器1外部計數(shù)輸入P3.6WR外部RAM寫選通信號輸出P3.7RD外部RAM讀選通信號輸出2.1.3 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是指能夠使單片機正常工作的最簡單的電路系統(tǒng)，除單片機之外，單片機最小系統(tǒng)還包括時鐘電路、復(fù)位電路和電源電路，下面介紹時鐘電路和復(fù)位電路，因為本設(shè)計的溫濕度傳感器、有機氣體傳感器、液晶顯示器、風(fēng)機等器件都需要用到電源，因此電源電路在后面的章節(jié)介紹。1）時鐘電路圖2-2是STC89C52采用內(nèi)部時鐘方式的連接電路，單片機芯片引腳XTAL1（19腳）、XT

22、AL2（18腳）外接石英晶體和電容。因為單片機的運行速度和晶體的振蕩頻率成正相關(guān)，所以本設(shè)計中時鐘電路的石英晶體選擇振蕩頻率較高的12MHz，電容C1和C2選擇典型值30pF。 圖2-2 內(nèi)部時鐘方式的連接電路Fig.2-2 The wiring circuit of the internal clock mode2）復(fù)位電路對于本設(shè)計中的STC89C52來說，只需要給它的復(fù)位引腳RST加上大于兩個機器周期（也就是24個時鐘振蕩周期）的高電平就可使其完成復(fù)位?？偟膩碚f，單片機有三種復(fù)位方式，即上電自動復(fù)位、按鍵手動復(fù)位和看門狗復(fù)位。上電自動復(fù)位是通過系統(tǒng)接通電源時RST引腳通過電容與電源VCC

23、接通實現(xiàn)的；按鍵手動復(fù)位有按鍵脈沖復(fù)位和按鍵電平復(fù)位兩種，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來實現(xiàn)的，按鍵電平復(fù)位是通過RST引腳通過按鍵按下后經(jīng)電阻與電源VCC接通來實現(xiàn)；看門狗復(fù)位是通過內(nèi)部看門狗芯片和程序來實現(xiàn)。本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單性能穩(wěn)定的按鍵電平復(fù)位電路。按鍵電平復(fù)位電路如圖2-3所示，當(dāng)系統(tǒng)上電時，電源通過電阻R6對電容C3進行充電，充電過程中電容C3相當(dāng)于短路，因此RST端就得到了一段時間的高電平，電容C3充電完成后相當(dāng)于開路，RST端變?yōu)榈碗娖?，完成上電?fù)位；當(dāng)程序運行出錯（比如程序“跑飛”）或操作錯誤使系統(tǒng)處于“死鎖”狀態(tài)時，可按下復(fù)位鍵S1使單片機復(fù)位。當(dāng)按下S1時，R

24、ST端直接與電源相連而變?yōu)楦唠娖剑瑫r電容C3被短路放電，當(dāng)按鍵松開時，電源對電容C3再次充電，RST端還是高電平，電容充電結(jié)束后，RST端變?yōu)榈碗娖?，?fù)位完成。圖2-3 按鍵電平復(fù)位電路Fig.2-3 Key level reset circuit綜上所述，可以得到本設(shè)計的單片機最小系統(tǒng)如圖2-4所示。圖2-4單片機最小系統(tǒng)Fig.2-4 The minimum system of MCU2.2 溫濕度采集電路設(shè)計 由于本設(shè)計要檢測室內(nèi)溫度和濕度，所以要用到溫度和濕度傳感器，傳統(tǒng)的設(shè)計方案分別使用了溫度和濕度兩個獨立的傳感器，需要另加校正和A/D轉(zhuǎn)換，在硬件和軟件設(shè)計上都比較復(fù)雜。通過查閱資

25、料得知，集成式溫濕度傳感器的使用已經(jīng)非常普遍，而且其技術(shù)和性能都已經(jīng)成熟，能夠同時檢測溫度和濕度，傳感器內(nèi)部還有A/D轉(zhuǎn)換和校準寄存器，輸出的溫濕度精確度更高，SHT11是這類傳感器中的佼佼者，而且性能好價格便宜，所以選擇SHT11來實現(xiàn)本設(shè)計。2.2.1 溫濕度傳感器簡介本設(shè)計采用的溫濕度傳感器SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款集溫濕度傳感器于一體的數(shù)字化集成式貼片型傳感器，體積小且安裝方便。SHT11的濕度測量范圍為0100%RH，溫度測量范圍為-40+123.8，濕度測量精度為±3%RH ，溫度測量精度為±0.4，而且它的功耗非常低，僅為 80W。SHT

26、11的性能特點如下：1）集成度高，該芯片同時具有溫濕度檢測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能。2）采用二線串行數(shù)字接口，傳輸可靠性非常高。3）內(nèi)置分辨率為814位的A/D轉(zhuǎn)換器。4）測量精確度高，可對測量結(jié)果進行校正和補償。因為SHT11這些優(yōu)異的性能所以它被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)、汽車等領(lǐng)域。SHT11芯片引腳如圖2-5所示。圖2-5 SHT11引腳圖Fig.2-5 SHT11 pinsSHT11引腳說明：1）DATA：雙向數(shù)據(jù)線接口。2）SCK：輸入時鐘線接口。3）VDD：接+5V電源。4）GND：電源地。5）NC：空腳。2.2.2 SHT11的工作原理SHT11芯片內(nèi)部包括一個電容性聚合體濕度

27、敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，它們的介電常數(shù)都與溫濕度成正相關(guān)，這兩個敏感元件分別夾在兩個獨立電容的上下級板之間，當(dāng)溫度或者濕度發(fā)生變化時，敏感元件的介電常數(shù)也會隨之發(fā)生變化，進而導(dǎo)致電容變化，之后輸出電壓隨電容變化。該傳感器具體的工作原理如圖2-6所示，兩個測量元件分別將溫度和濕度物理量轉(zhuǎn)換為電壓信號，但是這個電壓信號太微弱，需要經(jīng)過一個放大器放大之后送入芯片內(nèi)部的一個A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后由二線串行數(shù)字接口傳送至單片機。SHT11在出廠之前，都會先在恒溫恒濕的環(huán)境中進行校準，然后將校準系數(shù)存儲在校準寄存器中；使用過程中芯片會根據(jù)校準系數(shù)自動校準溫濕度；此外

28、，通過SHT11內(nèi)部加熱元件的加熱作用，能防止傳感器在高濕環(huán)境中結(jié)露，但是加熱后的測量結(jié)果相比于加熱前會有所偏差。圖2-6 溫濕度傳感器工作原理圖Fig.2-6 Temperature and humidity sensor working principle diagram因為STC89C52使用的是通用I2C總線協(xié)議，而SHT11的通信協(xié)議由生產(chǎn)廠家制定，這導(dǎo)致兩者的通信協(xié)議不兼容，所以需要通過單片機的I/O口來模擬SHT11的通信時序。SHT11的通信協(xié)議為5個5位命令代碼，單片機就是通過這5個命令代碼來實現(xiàn)對SHT11的控制。5個命令代碼的含義如表2-3所示。表2-3 溫濕度傳感器指令

29、代碼表Tab.2-3 Table of temperature humidity sensor instruction code 命令代碼含義X00011測量溫度X00101測量濕度X00111讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器X00110寫內(nèi)部狀態(tài)寄存器X11110復(fù)位其他保留2.2.3 溫度和濕度值的計算由SHT11輸出的溫濕度值并不是真實的數(shù)值，還需要利用相應(yīng)的公式對他們進行校正和補償，其中溫度值不需要進行補償，只需利用校正公式就能得到其真實值，而濕度值要經(jīng)過補償后才能得到其真實值。1）溫度值的計算SHT11輸出的溫度值具有良好的線性，因此所測得的真實的溫度值可由式（2-1）得到。T=d1+d2×

30、;SOT (2-1)在上式中，T為SHT11所測得的真實溫度值，SOT為SHT11直接輸出的溫度值，d1和d2為常數(shù)，由表2-4、2-5可得到它們的具體數(shù)值。表2-4 d1的取值表Tab.2-4 Value table of d1VDD/Vd1/d1/5-40.00-40.004-39.75-39.553.5-39.66-39.393-39.60-39.282.5-39.55-39.19表2-5 d2的取值表Tab.2-5 Value table of d2SOTd2/d2/14位0.010.01812位0.040.0722）濕度線性補償和溫度補償SHT11直接輸出的濕度值為相對濕度，與實際濕

31、度有所偏差，主要表現(xiàn)在濕度輸出特性呈非線性和溫度對濕度的影響，因此可以通過線性補償和溫度補償對其進行修正。對濕度的線性補償可由式（2-2）實現(xiàn)：RHlinear=c1+c2SORH+c3SORH2 （2-2）在上式中，RHlinear為線性補償過的濕度值，SORH為SHT11直接輸出的濕度值，c1、c2和c3為補償系數(shù)，可由表2-6得到它們的具體數(shù)值。表2-6 濕度線性補償系數(shù)表Tab.2-6 Humidity linear compensation tableSORHc1c2c312位-40.0405-2.8×10-68位-40.648-7.2×10-4如果SHT11所在

32、的環(huán)境溫度與測試參考溫度25相差較大的話，還需要對輸出濕度按式（2-3）進行溫度補償。RHTRUE=T-25×t1+t2×SORH+RHlinear （2-3）在上式中，RHTRUE為最終得到的室內(nèi)濕度真實值，T為SHT11所測得的溫度值，SORH為SHT11直接輸出的濕度值，RHlinear為線性補償過的濕度值，t1和t2為補償系數(shù)，它們的具體數(shù)值可通過表2-7查詢得到。表2-7 溫度補償系數(shù)表Tab.2-7 Table of temperature compensation factorSORHt1t212位0.010.000088位0.010.001282.2.4 S

33、HT11的安裝與連接考慮到本系統(tǒng)所使用的場所為臥室，溫濕度傳感器SHT11的安裝位置為比床略高的床頭以方便及時檢測人體周圍的溫濕度。SHT11與單片機的連接如圖2-7所示，圖2-7 溫濕度傳感器電路Fig.2-7 Temperature and humidity sensor circuitSHT11通過數(shù)據(jù)線（DATA）和時鐘線（SCK）跟單片機進行通信，其中數(shù)據(jù)線（DATA）外加上拉電阻接5V電源后接單片機的P2.4口，時鐘線（SCK）接P2.3口用于和單片機通信同步。2.3 氣體傳感器模塊設(shè)計2.3.1 氣體傳感器MQ138簡介本設(shè)計要檢測室內(nèi)甲醛等有害氣體的濃度，因此采用了室內(nèi)最常用的

34、有機氣體傳感器MQ138，它不僅能檢測室內(nèi)甲醛，還能檢測甲苯、丙酮、乙醇、氫氣等有機氣體，具有體積小、靈敏度高、檢測范圍寬、工作穩(wěn)定且壽命長、驅(qū)動簡單、價格便宜等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用家庭、工廠有機氣體的檢測和報警。工作原理：MQ138內(nèi)部的測量元件為氣體敏感材料二氧化錫，在清潔的空氣中二氧化錫的導(dǎo)電率較低；當(dāng)空氣中存在甲醛等有機蒸汽時，二氧化錫的導(dǎo)電率就會升高，而且有機蒸汽的濃度越高，二氧化錫的導(dǎo)電率越高。因此MQ138在工作時其輸出電流就隨有機蒸汽的濃度而變化。MQ138傳感器芯片由微型陶瓷管、敏感元件、測量電極、加熱元件四部分組成，其中微型陶瓷管起保護作用，測量電極用于輸出測量數(shù)據(jù)，加熱元件為芯

35、片提供合適的工作溫度。MQ138芯片引腳如圖2-8所示。圖2-8 有機氣體傳感器MQ138引腳圖Fig.2-8 Organic gas sensor MQ138 pins diagramMQ138的引腳功能說明：1）A（引腳1、3）：測量極一端。A管腳短接后接5V電源正極。2）B（引腳4、6）：測量極另一端。B管腳短接后接輸出測量電流。3）H（引腳2、5）：加熱極。本設(shè)計采用的有機氣體傳感器MQ138的敏感元件在潔凈空氣中的測量電阻為10K，甲醛濃度探測范圍010ppm，其標準工作條件和工作環(huán)境條件如表2-8、2-9所示：表2-8 標準工作條件表Tab.2-8 Table of standar

36、d working conditions符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注VC/V回路電壓5±0.1DCVH/V加熱電壓5±0.1DCRH加熱電阻31±3PH加熱功耗小于900mw表2-9 環(huán)境條件表Tab.2-9 Table of environmental conditions符號參數(shù)名稱技術(shù)條件標準環(huán)境條件Tao/使用溫度-20+5020±2Tas/存儲溫度-20+70RH/RH相對濕度小于95%65%±5%2.3.2 MQ138預(yù)警值的計算本設(shè)計使用的MQ138采用5V電壓供電，甲醛預(yù)警值設(shè)置為國家標準0.6ppm。MQ138的內(nèi)部電路連接如圖2

37、-9所示，在潔凈的空氣中測得其內(nèi)部二氧化錫的電阻為10K，所以輸出電流為0.5mA；當(dāng)甲醛濃度為0.6ppm時，由于二氧化錫導(dǎo)電率升高其電阻降低為8 K，此時輸出電流增大到0.625mA。因為MQ138輸出的模擬信號要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號才能被單片機識別，而A/D轉(zhuǎn)換器輸入的模擬量為電壓信號，所以MQ138的輸出電流要轉(zhuǎn)換為電壓，本設(shè)計在輸出極和地之間加一個2 K的精確電阻，那么當(dāng)MQ138在潔凈的空氣中時輸出電壓為1V，當(dāng)甲醛濃度超過0.6ppm時輸出電壓就會超過1.25V，所以當(dāng)單片機從A/D轉(zhuǎn)換器接收到的電壓超過1.25V時就認為甲醛超標。圖2-9 MQ138內(nèi)部電路連接Fig.

38、2-9 MQ138 internal circuit connections2.3.3 MQ138的安裝與連接考慮到本系統(tǒng)所使用的場所為臥室，有機氣體傳感器MQ138的安裝位置為比床略高的床頭，隨時檢測人體周圍的甲醛濃度，以便系統(tǒng)及時處理。MQ138的電路連接如圖2-10所示。圖2-10 MQ138工作電路Fig.2-10 MQ138 working circuitMQ138傳感器4號和6號引腳短接后輸出的模擬電流經(jīng)電阻放大后連接到ADC0804芯片的6號引腳，即模擬電壓輸入端。2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計上節(jié)說道，氣體數(shù)據(jù)采集電路輸出的電壓信號必須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后才能傳送給單片機，而A/D轉(zhuǎn)換芯

39、片的種類也非常多，考慮到本設(shè)計所適用的場合為室內(nèi)，對轉(zhuǎn)換速度和精度要求不是很高，因此最終選擇ADC0804作為本設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換芯片。2.4.1 ADC0804簡介本設(shè)計選用的ADC0804集成式A/D轉(zhuǎn)換器采用CMOS工藝制造，外部有20個引腳，其主要參數(shù)如下：1）8位分辨率；2）單通道A/D轉(zhuǎn)換；3）輸入輸出電平與TTL/CMOS兼容；4）5V電源供電時輸入電壓在05V之間；5）工作頻率為650KHZ，轉(zhuǎn)換時間為100S。ADC0804芯片引腳如圖2-11所示：圖2-11 ADC0804引腳圖Fig.2-11 ADC0804 pinsADC0804芯片引腳功能說明如表所示：表2-10 AD

40、C0804引腳功能說明表Tab.2-10 Pins function specification table of ADC0804功能說明CS片選端，低電平有效。當(dāng)CS=0時，表明該芯片被單片機選中，可啟動工作WR寫信號輸入端，當(dāng)WR由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，啟動一次A/D轉(zhuǎn)換RD讀信號輸入端，低電平有效。當(dāng)RD=0時，單片機可以通過DB0DB7讀出本次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果VIN(+)模擬電壓輸入端VIN(-)模擬電壓接地端VREF/2參考電壓接入引腳，決定量化單位CLK時鐘信號輸入端CLKR內(nèi)部時鐘發(fā)生器的外接電阻端AGND模擬信號地DGND數(shù)字信號地INTRA/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，低電平有效。當(dāng)

41、INTR=0時，表示本次A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成DB0DB7A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字信號輸出口VCC芯片電源5V輸入2.4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2-12所示，其中氣體傳感器模塊輸出的模擬電壓輸入到ADC0804的6號引腳VIN+，轉(zhuǎn)換結(jié)果由DB0DB7輸送給單片機。圖2-12 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.2-12 A/D conversion circuit2.5 顯示電路設(shè)計本設(shè)計要實時顯示溫濕度、甲醛濃度和報警狀態(tài)以供人們查看，所以顯示電路的設(shè)計就需要液晶顯示器，而液晶顯示器的種類也非常多，其中最常用的為LCD1602和LCD12864。2.5.1 方案對比方案一：LCD1602由5

42、×7點陣組成，5V電源供電，可顯示2行字符，每行可顯示16個字符，內(nèi)部含有128個字符的ASC字符集字庫。此外，1602只有并行接口，沒有串行接口，而且其最大的缺點是不能顯示漢字。方案二：LCD12864采用5V直流電源供電，內(nèi)置8192個16×16點陣、128個字符（8×16點陣），還具有64×256點陣顯示RAM，可顯示4行字符，不僅能顯示數(shù)字和字符，還能顯示漢字。由于LCD1602不能顯示漢字，若用拼音代替漢字，則查看起來不直觀，而且本系統(tǒng)在正常工作時要顯示溫度、濕度、甲醛濃度和報警狀態(tài)四行數(shù)據(jù)，相比之下，LCD12864可以顯示四行字符或漢字，能

43、夠滿足本設(shè)計的要求，因此最終選擇LCD12864來實現(xiàn)本設(shè)計。2.5.2 LCD12864簡介 LCD12864芯片引腳如圖2-13所示。圖2-13 LCD2864引腳圖Fig.2-13 LCD2864 pinsLCD12864引腳功能：1）VSS：電源地。2）VDD：電源正極。3）VO：液晶顯示對比度調(diào)節(jié)。4）RS（CS）：數(shù)據(jù)/命令選擇端，高電平數(shù)據(jù)選擇端，低電平命令選擇端（串行方式片選口）。5）R/W（SID）：讀/寫選擇端（H/L）。6）E（SCLK）：使能信號。7）D0D7：數(shù)據(jù)口。8）PSB：并/串選擇端，高電平為并行方式，低電平為串行方式。9）RST：復(fù)位端，低電平有效。10）B

44、LA和BLB：背光電源正極和負極。11）NC：空腳。LCD12864與單片機的接口有并行和串行兩種控制方式。其中，串行控制方式是將LCD12864通過數(shù)據(jù)總線與單片機進行連接，這種方式占用單片機的I/O口較少；而在并行控制方式下，單片機通過8個I/O口與LCD12864的8個數(shù)據(jù)口連接進行數(shù)據(jù)傳送，這種控制方式雖然占用單片機較多的I/O口，但是不占用單片機內(nèi)存，而且接口電路與時序無關(guān)，因此大部分電子設(shè)備在接口充裕的情況下都采用并行控制方式，本設(shè)計同樣選擇了并行控制方式。2.5.3 顯示電路連接圖2-14為LCD12864以并行控制方式與單片機的接線圖。圖2-14 LCD顯示電路Fig.2-14

45、 LCD display circuit其中，LCD12864的3號引腳V0外接滑動變阻器來調(diào)節(jié)對比度，數(shù)據(jù)/命令選擇端RS、讀/寫選擇端R/W、使能信號E、并/串選擇端PSB分別與單片機的P2.7、P3.6、P2.6、P3.7相連，數(shù)據(jù)口DB0DB7通過上拉電阻與單片機的P0口相連。LCD12864工作時，第一行顯示甲醛濃度狀態(tài)，甲醛濃度沒有超過預(yù)警值時顯示“甲醛正?！弊謽?，甲醛超標時顯示“甲醛超標”字樣；第二行顯示溫度值，當(dāng)溫度超標時該行閃爍；第三行顯示濕度，當(dāng)濕度超標時該行閃爍。在生活中人們可能會忘記報警是否啟動，所以第四行顯示蜂鳴器的狀態(tài)，蜂鳴器正常工作時顯示“開啟報警”字樣，靜音模式

46、下顯示“關(guān)閉報警”字樣。2.6 報警電路設(shè)計在本設(shè)計中，當(dāng)溫濕度超出預(yù)警值時，需要通過報警電路提醒人們注意，并及時采取措施對溫濕度進行調(diào)整。常用的報警方式有語音報警、燈光閃爍報警和蜂鳴器報警。語音報警電路內(nèi)含語音合成芯片和放大電路，不僅能提醒人們出現(xiàn)報警還能讓人們知道報警的對象；燈光閃爍報警通過報警指示燈的閃爍來提醒人們，這種報警方式只有當(dāng)指示燈的燈光在人們的視野范圍內(nèi)時才有效果；蜂鳴器報警則通過蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲來提醒人們。由于在本設(shè)計的報警電路只需提醒人們溫濕度超標，因此選擇了蜂鳴器報警的方式。蜂鳴器報警電路如圖2-15所示，單片機只需通過一個電阻和一個三極管來驅(qū)動蜂鳴器。報警電路的具體工作

47、情況如下：監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時，當(dāng)室內(nèi)溫濕度超過系統(tǒng)設(shè)置預(yù)警值時，單片機使P2.5口輸出5s間斷性的高電平，蜂鳴器通電發(fā)出間歇性的報警音，若溫濕度一直超過預(yù)警值，則每間隔10分鐘發(fā)出一次報警；當(dāng)溫濕度回到預(yù)警值之內(nèi)時，單片機使P2.5口輸出低電平，蜂鳴器不發(fā)音。圖2-15 蜂鳴器報警電路Fig.2-15 Buzzer alarm circuit2.7紅外遙控系統(tǒng)設(shè)計紅外線遙控因其具有功能強大、價格低廉、體積小、使用方便等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于家用電器、娛樂設(shè)備和電動玩具等電子設(shè)備中。本設(shè)計通過紅外遙控系統(tǒng)可實現(xiàn)在一定距離范圍內(nèi)對整個系統(tǒng)的控制，紅外遙控的功能有開/關(guān)系統(tǒng)、靜音、設(shè)置溫濕度、開啟/關(guān)閉風(fēng)

48、機，特別是當(dāng)室內(nèi)的甲醛等有害氣體超標時，可通過紅外遙控器啟動風(fēng)機凈化室內(nèi)空氣。2.7.1紅外遙控發(fā)射器設(shè)計原理紅外遙控發(fā)射器主要有紅外編碼芯片、鍵盤、紅外二極管發(fā)射電路等組成，它的工作原理為：當(dāng)有按鍵按下時，紅外編碼芯片檢測按鍵位置，然后將按鍵數(shù)據(jù)編碼，最后將包含按鍵數(shù)據(jù)的遙控碼發(fā)射出去；當(dāng)沒有按鍵按下時，芯片處于低電流維持狀態(tài)。紅外發(fā)射原理如圖2-16所示：圖2-16 紅外發(fā)射原理圖Fig.2-16 Infrared emission principle diagram2.7.2 紅外編碼芯片及其工作原理本設(shè)計的紅外編碼芯片采用的是日本NEC公司的PD6121G，該芯片的編碼方式采用技術(shù)成熟

49、且運用較多的脈寬調(diào)制方式。PD6121G紅外編碼芯片適用于TV、VCR、音響、空調(diào)、風(fēng)扇等遙控設(shè)備，通過其鍵盤電路的設(shè)計和內(nèi)部ROM可設(shè)置16位用戶識別碼用以區(qū)別不同的設(shè)備。PD6121G具有以下特點。1）工作電壓低。正常工作電壓范圍2.0V3.3V。2）功耗低。沒有按鍵按下時芯片處于低耗電維持狀態(tài)，維持電流一般小于1A。3）32條單鍵，3條雙鍵按鍵指令。利用SEL端可使單/雙鍵指令擴大一倍。PD6121G芯片引腳如圖2-17所示：圖2-17 PD6121G引腳圖Fig.2-17 PD6121G pinsPD6121G芯片各引腳功能：1）KI0KI3：按鍵輸入端，每端內(nèi)部都具有下拉電阻。2）K

50、I/O07：按鍵掃描I/O端。3）REM：遙控碼發(fā)送端，用以驅(qū)動紅外發(fā)射二極管。4）OSCI/OSCO：電路振蕩器輸入/輸出端，外接400500KHz陶瓷諧振器，實現(xiàn)固定頻率振蕩，且無須頻率調(diào)整。本設(shè)計采用455KHz陶瓷諧振器。5）VDD：外接電源正極接入端，電壓范圍2.03.3V，本設(shè)計采用3V電壓供電。6）VSS：電源接地端。7）SEL：遙控數(shù)據(jù)碼擴展端，通過此端控制數(shù)據(jù)碼的D7位，當(dāng)SEL接VDD時，D7=0,；當(dāng)SEL接VSS時，D7=1。因為SEL為高阻抗輸入端，工作時必須接VDD或VSS。因為本設(shè)計只用到8個按鍵，不需要擴展數(shù)據(jù)碼，所以本設(shè)計中PD6121G的SEL端接VDD。8

51、）CCS：用戶碼設(shè)定端，KI/O與CCS連接可設(shè)定用戶碼。9）LMP：當(dāng)REM發(fā)送紅外遙控碼時，輸出低電平，是與之相連的發(fā)光二極管亮，表示遙控器處于紅外發(fā)送狀態(tài)。 PD6121G基本工作原理：PD6121G內(nèi)含振蕩、時鐘分頻、定時、按鍵掃描、數(shù)據(jù)寄存、用戶ROM控制電路以及遙控碼輸出驅(qū)動電路等，按鍵輸入KI03，按鍵掃描KI/O07接至鍵盤組成按鍵陣列，電源接通時，振蕩電路不工作，此時紅外電路處于低電流（小于1A）維持狀態(tài)；當(dāng)有按鍵按下時，振蕩器啟動、產(chǎn)生按鍵掃描信號和內(nèi)部定時，然后檢測按鍵位置和用戶碼外部設(shè)置狀態(tài)，從數(shù)據(jù)寄存器取出相應(yīng)按鍵的數(shù)據(jù)碼，根據(jù)用戶碼的外部設(shè)定與內(nèi)部用戶碼ROM產(chǎn)生相

52、應(yīng)用戶碼，最后從REM發(fā)送出帶引導(dǎo)碼的完整遙控碼。紅外發(fā)射管發(fā)出的遙控碼為采用脈寬調(diào)制的二進制碼，其中二進制的“0”用高電平為0.56ms、低電平為0.56ms、周期為1.125ms的矩形脈沖表示；二進制的“1”用高電平為0.56ms、低電平為1.69ms、周期為2.25ms的矩形脈沖表示，其波形如圖2-18所示。圖2-18 位“0”和位“1”波形圖Fig.2-18 "0" and "1" waveform diagramsPD6121G外接455KHz的晶振，經(jīng)過芯片內(nèi)部分頻電路，信號頻率被調(diào)制在38KHz（445KHz/1238KHz），占空比約占三

53、分之一。PD6121G產(chǎn)生的遙控碼是32位二進制碼，其中前16位為用戶識別碼，由芯片內(nèi)部ROM和按鍵電路的連接確定，用于區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同的遙控器發(fā)出的遙控碼互相干擾；后16位是8位數(shù)據(jù)碼及其反碼。遙控器在按鍵按下后，就會發(fā)出帶有按鍵數(shù)據(jù)的32位二進制遙控碼，遙控碼的波形如圖2-19所示，一組遙控碼持續(xù)的時間約為108ms，其中包括9ms高電平加4.5ms低電平組成的引導(dǎo)碼、818ms的低8位用戶碼、818ms的高8位用戶碼、918ms的8位數(shù)據(jù)碼和918ms的8位數(shù)據(jù)反碼，還有一個2.5ms的停止碼。如果按鍵按下的時間超過108ms，則認為是誤操作，那么就只發(fā)送引導(dǎo)碼和停止碼。圖2

54、-19 遙控編碼波形圖Fig.2-19 Remote coding waveform diagrams2.7.3 紅外發(fā)射電路設(shè)計本設(shè)計的紅外發(fā)射電路如圖2-20所示。圖2-20 紅外發(fā)射電路Fig.2-20 Infrared emission circuit用戶碼高八位C0C7由CCS和按鍵之間的二極管決定，有二極管的為“1”，沒有二極管的為“0”，由圖2-19可知本設(shè)計的用戶碼高八位C0C7依次為；用戶碼低八位C'0C'7先由KI/O0KI/O7上拉電阻確定，有上拉電阻的為“1”，沒有上拉電阻的為“0”， 由圖2-19可知C'0C'7先確定為；之后由高八位的

55、反碼決定輸出的低八位用戶碼，若高八位反碼中有“1”則低八位中的對應(yīng)位反相，對應(yīng)位有“0”則不反相。由此可知用戶碼為A8F7H。查閱按鍵數(shù)據(jù)表可知8個按鍵S2S9所對應(yīng)的數(shù)據(jù)碼如下表2-12所示，它們所對應(yīng)的功能分別為開/關(guān)、靜音、上移、下移、左移、右移、設(shè)置、凈化。表2-12 按鍵數(shù)據(jù)碼表Tab.2-12 Table of keys data codes按鍵數(shù)據(jù)碼S200000000S300100000S400010000S500110000S600001000S700101000S800011000S900111000按鍵功能描述：1）開/關(guān)（S2）：由開/關(guān)鍵控制整個系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉。2）靜音（S3）：使單片機的P2.5口始終保持低電平，蜂鳴器不發(fā)聲。當(dāng)人們感覺被蜂鳴器報警的聲音打擾到的話，就可以按下此按鍵關(guān)閉報警。3）上/下/左/右移（S4S7）：控制LCD12864光標移動。在設(shè)置狀態(tài)下，當(dāng)光標停留在數(shù)據(jù)上時，可修改預(yù)警值。4）設(shè)置（S8）：修改預(yù)警值入口。5）凈化（S9）：控制風(fēng)機的啟動和關(guān)閉。2.7.4 紅外接收電路設(shè)計單片機的紅外接收電路主要由紅外接收頭組成。當(dāng)紅外接收電路接收到遙控碼時，首先對遙控碼進行放大和解調(diào)，然后再傳送給單片機，單片機對其解碼后判定鍵值，最后根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)的操作。本設(shè)計的紅外接收電路采用了一體化紅外接收頭RPM6938，RPM6938有