室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要室內(nèi)環(huán)境是人的一生中接觸時(shí)間最長、關(guān)系最為密切的環(huán)境。室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量關(guān)系到每一個(gè)人的生活質(zhì)量及健康。良好的室內(nèi)環(huán)境是一個(gè)能為大多數(shù)人認(rèn)可的、舒適的濕熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境和電磁環(huán)境，同時(shí)也能夠提供新鮮宜人、激發(fā)活力并且對健康無負(fù)面影響的高品質(zhì)空氣，以滿足人體的舒適感和健康的需要。本次設(shè)計(jì)的是一個(gè)室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以讓人們能夠在室內(nèi)生活更舒適，更放心。設(shè)計(jì)主要由硬件和軟件兩局部組成。硬件局部采用51系列單片機(jī)AT89S52，外加鍵盤電路，液晶顯示電路，時(shí)鐘電路，環(huán)境中的溫度、濕度、苯含量和TVOC含量檢測電路，數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換電路以及系統(tǒng)的控制輸出電路。通過系統(tǒng)的程序，軟件局部主要完成以下幾種功能：通過鍵盤掃面子程序，系統(tǒng)可以識別出人按下的按鍵，從而完成對系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)定和系統(tǒng)顯示器上所顯示內(nèi)容的切換等功能；通過定時(shí)中斷程序，系統(tǒng)可以定時(shí)地采集室內(nèi)環(huán)境中的溫度、濕度、苯和TVOC等有害氣體含量的數(shù)據(jù)；通過軟件中的數(shù)據(jù)比擬程序，將采集回來的數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)相比擬并能判斷出數(shù)據(jù)是否正常，從而系統(tǒng)會采取相應(yīng)的措施和報(bào)警；通過顯示子程序，系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)、時(shí)間以及報(bào)警等信息顯示出來。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有控制裝置簡單，本錢低，易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：室內(nèi)環(huán)境；單片機(jī)；智能監(jiān)控；定時(shí)采樣；A/D轉(zhuǎn)換AbstractIndoorenvironmentisthelongestexposuretimeinone'slifeandtheclosestenvironment.Indoorenvironmentalqualityconcernseveryone'squalityoflifeandhealth.NotonlyitisagoodindoorenvironmentformostmembersoftheInteriorapproved,comfortableinhotandhumidenvironment,lighting,acousticandelectromagneticenvironments,butalsoitprovidesfreshandpleasant,stimulatingactivityandnonegativehealtheffectsofhigh-qualityairinordertomeettheneedsofcomfortandhealthofthehumanbody.Thesystemisanintelligentmonitoringsystemforindoorenvironment,anditallowspeopletoliveintheenvironmentofmorecomfortable,moreeasily.Thisdesignconsistsofbothhardwareandsoftwarecomponentsofthesystem.hardwareusingAT89S52whichis51seriesMCU,pluskeyboardcircuit,LCDcircuits,clockcircuitry,temperatureandhumidityintheenvironment,contentofformaldehydeandTVOCmeasurementcircuit,dataconversioncircuitsandsystemsforcontrollingtheoutputcircuit.Softwarepartmainlycompletesfollowingseveralfeatures:throughexternalinterruptedprogram,systemcanrecognitionoutpeoplethroughpressonsystemtimeofsetvalue,andonenvironmentindicatorsnormalrangeofsetvalue;throughtimedinterruptedprogram,systemcantimedtocollectionindoorenvironmentintheoftemperature,andhumidity,andformaldehydeandTVOC,harmfulgascontentofdata;throughsoftwareintheofcomparisonprogram,willcollectionbackofdataandsetdataphasecomparisonandcanjudgmentoutdatawhethernormal,therebytakecorrespondingofmeasures;throughdisplayedprogram,systemdata,time,andalarminformationcanbedisplayed.Thedesignofthesystemhasasimplecontroldevice,lowcost,easytoimplementandsoon.Keywords:indoorenvironment;MCU;intelligentmonitoring;dataregularlysampling;A/Dtransform目錄第1章緒論11.1題目的來源和現(xiàn)狀11.2影響室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的因素以及危害21.3本設(shè)計(jì)的主要工作及技術(shù)要求3第2章系統(tǒng)控制方案的選擇42.1系統(tǒng)的概述42.2控制方案的設(shè)計(jì)4第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)73.1核心控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)73.1.1核心控制芯片的選型73.1.2AT89S52核心控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)93.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)103.2.1室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)103.2.2室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)113.2.3室內(nèi)苯含量檢測電路的設(shè)計(jì)143.2.4室內(nèi)TVOC含量檢測電路的設(shè)計(jì)163.3系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)193.4系統(tǒng)顯示器的設(shè)計(jì)213.4.1系統(tǒng)顯示器的選型213.4.2LCD1602顯示器電路的設(shè)計(jì)233.4.3LCD1602顯示器的用法及性能參數(shù)243.5系統(tǒng)鍵盤電路的設(shè)計(jì)263.6系統(tǒng)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)29時(shí)鐘芯片的選型29時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)303.7系統(tǒng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)303.8系統(tǒng)控制輸出機(jī)構(gòu)電路的設(shè)計(jì)313.9系統(tǒng)串口通訊電路的設(shè)計(jì)333.10系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)34第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)354.1系統(tǒng)主體程序的設(shè)計(jì)354.2系統(tǒng)定時(shí)采集數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)364.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示程序的設(shè)計(jì)364.4系統(tǒng)鍵盤掃描程序的設(shè)計(jì)374.5系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理以及控制輸出程序的設(shè)計(jì)384.6系統(tǒng)時(shí)鐘應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)394.7系統(tǒng)報(bào)警程序的設(shè)計(jì)404.8VB監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)41第5章結(jié)論43參考文獻(xiàn)44致謝46附錄I47附錄II49附錄III62第1章緒論1.1題目的來源和現(xiàn)狀室內(nèi)環(huán)境是人的一生中接觸時(shí)間最長、關(guān)系最為密切的環(huán)境，特別是老、弱、病、殘、幼、孕等體弱者在室內(nèi)活動(dòng)時(shí)間更長。室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量關(guān)系到每一個(gè)人的生活質(zhì)量及身心健康。良好的室內(nèi)環(huán)境是一個(gè)能為大多數(shù)人認(rèn)可的、舒適的濕熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境和電磁環(huán)境，同時(shí)也能夠提供新鮮宜人、激發(fā)活力而且對健康無負(fù)面影響的高品質(zhì)空氣，以滿足人體的舒適感和健康的需要。因此加強(qiáng)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與治理，對保證人民的健康，提高國民的整體素質(zhì)十分重要。尤其像我國這樣人口眾多，而醫(yī)療保健水平又一般的國家，加強(qiáng)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測，維持一個(gè)綠色的居住、辦公場所，讓廣闊人民都擁有一個(gè)健康的體魄，顯得尤為重要。據(jù)世界銀行估計(jì)，中國每年因室內(nèi)空氣污染所造成的經(jīng)濟(jì)損失約32億美元。另據(jù)國際有關(guān)組織調(diào)查統(tǒng)計(jì)，世界上30%的建筑物中存在有害于健康的室內(nèi)空氣，這些有害氣體已經(jīng)引起全球性的人口發(fā)病率和死亡的增加。室內(nèi)環(huán)境污染已經(jīng)列入對公眾健康危害最大的五種環(huán)境因素之一。人們在經(jīng)歷了“煤煙型污染〞

和“光化學(xué)污染〞后，正進(jìn)入以“室內(nèi)空氣污染〞為標(biāo)志的第三污染時(shí)期。近幾年來，隨著我國城鎮(zhèn)居民的生活水平的提高，人們對自身的居住環(huán)境要求越來越高，不斷改善著住房條件，從單一的增加居住面積到對住房的豪華裝修。目前，我國城鎮(zhèn)居民每年有1500億元花費(fèi)在居室裝修上。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，上海市，僅家庭裝修市場每年產(chǎn)值可達(dá)200-250億元，而且以每年10-15%的速度遞增。據(jù)報(bào)道，找個(gè)室內(nèi)裝飾工程的市場需求量到2005年已經(jīng)超過6000億元，它所帶動(dòng)的裝飾材料和家電等超過4000億元。由室內(nèi)裝飾裝修材料引起的室內(nèi)環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。另據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國由于室內(nèi)空氣污染造成的損失，如果按支付意愿價(jià)值估計(jì)，約為106億美元。在工業(yè)、經(jīng)濟(jì)和開發(fā)高度開展的同時(shí)，我們的室內(nèi)環(huán)境也日益地被嚴(yán)重污染。在我國，近年來我國室內(nèi)空氣污染狀況驚人，室內(nèi)空氣污染對人體健康造成的威脅觸目驚心，污染凈化與治理刻不容緩。某專門機(jī)構(gòu)對室內(nèi)空氣研究發(fā)現(xiàn)，許多民用和商用建筑的室內(nèi)空氣污染程度是室外空氣污染的4-10倍，有的甚至超過100倍。北京市兒童醫(yī)院從2004年開始，對白血病患兒進(jìn)行了家庭居住環(huán)境調(diào)查，發(fā)現(xiàn)90%的小患者家中半年之內(nèi)曾經(jīng)裝修過，而且大多是豪華裝修。全世界每年有30萬人因?yàn)槭覂?nèi)空氣污染而死于哮喘病，其中35%為兒童。我國肺癌發(fā)病率以每年26.9%的速度遞增，因裝修污染引起的上呼吸道感染而導(dǎo)致重大疾病的兒童約有210萬名。在我國，室內(nèi)環(huán)境問題從來沒有像今天這樣受到重視。國務(wù)院兩位副總理連續(xù)3次批示，指出室內(nèi)環(huán)境問題關(guān)系到居民身體健康。因此，在我國室內(nèi)環(huán)境污染已經(jīng)成為國家、政府、企業(yè)和消費(fèi)者關(guān)注的熱點(diǎn)。據(jù)中國消費(fèi)者協(xié)會的統(tǒng)計(jì)顯示，近年來家庭裝飾投訴列前5位，而且室內(nèi)環(huán)境污染投訴在家庭裝修投訴中名列首位。2004年初，經(jīng)民政部批準(zhǔn)成立了中國室內(nèi)裝飾協(xié)會室內(nèi)環(huán)境檢測工作委員會，它是目前我國室內(nèi)環(huán)境檢測和治理行業(yè)唯一的社團(tuán)組織，它的成立標(biāo)志著我國的室內(nèi)環(huán)境污染的管理進(jìn)入了新的階段。1.2影響室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的因素以及危害影響室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量的因素有很多，主要包括以下幾個(gè)方面：〔1〕有害氣體的污染美國專家檢測發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)空氣中存在500多種揮發(fā)性有機(jī)物，其中致癌物質(zhì)就有20多種，致病的病毒200多種。危害較大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。中國消費(fèi)者協(xié)會公布過一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果：抽樣檢測的新裝修的住房中有七成含有有毒氣體。在這樣的新居中，人們往往出現(xiàn)頭痛、頭暈、過敏性疲勞和眼、鼻、喉刺痛等不適感，世界衛(wèi)生組織(WHO)將此現(xiàn)象稱為“病態(tài)建筑物綜合征〞。2002年8月初，中國消費(fèi)者協(xié)會公布了一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果：北京對30戶裝修后的室內(nèi)環(huán)境污染物進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)甲醛濃度超標(biāo)達(dá)73%，杭州對53戶裝修后的室內(nèi)環(huán)境污染物進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)甲醛濃度超標(biāo)達(dá)79%，最高的超標(biāo)達(dá)30倍以上?！?〕浮游粒子的污染浮游粒子中危及人類健康的主要是粒徑小的所謂的飄塵。浮游粒子的發(fā)生源主要有：=1\*GB3①人體頭皮、皮膚屑、衣物上的污垢和人體活動(dòng)如室內(nèi)步行、掃除等；=2\*GB3②建筑材料和設(shè)備石棉纖維、玻璃纖維、螨蟲等；=3\*GB3③吸煙煙霧煙塵、焦油等；=4\*GB3④其他空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的粉塵等?！?〕香煙煙霧的污染香煙煙霧是室內(nèi)空氣的主要染源。煙霧中既有氣態(tài)分子狀污染物(占91.8%)，又有浮游粒子狀污染物(占8.2%)。這些粒子狀污染物還會吸附在墻壁等地方，隨著低沸點(diǎn)成分的揮發(fā)和氣態(tài)污染物一起構(gòu)成室內(nèi)的臭氣源?！?〕放射性污染物的污染室內(nèi)放射性污染物主要是氡。氡是一種惰性氣體，多用做保護(hù)氣，它是自然界中唯一的天然放射性氣體。室內(nèi)空氣中的氡來源于建筑水泥、礦渣和裝飾石材?！?〕生物性污染物的污染生物性污染主要是細(xì)菌。細(xì)菌主要來源于地毯、毛絨玩具和被褥等。1.3本設(shè)計(jì)的主要工作及技術(shù)要求本課題的研究重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)出一個(gè)單片機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)以此來實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度及污染氣體〔苯、TVOC等〕參量的智能監(jiān)控。該系統(tǒng)使用4種傳感器檢測電路來檢測室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)，通過軟件設(shè)計(jì)的程序?qū)⒃O(shè)定值與測量值相比擬得到數(shù)據(jù)的偏差，以此進(jìn)行相應(yīng)的控制，使環(huán)境得到改善。本課題的主要研究內(nèi)容如下：〔1〕查閱并研究室內(nèi)環(huán)境檢控系統(tǒng)的相關(guān)資料，了解室內(nèi)環(huán)境影中響人們生活的主要指標(biāo)，了解室內(nèi)環(huán)境的好壞給人們生活帶來的影響，研究多種控制方案，確定出一種最適合的方案；〔2〕設(shè)計(jì)出室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制局部，即單片機(jī)最小系統(tǒng)。其中包括復(fù)位電路、電源電路、晶振電路、I/O口擴(kuò)展電路等?！?〕設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的外圍電氣結(jié)構(gòu)，包括檢測電路、顯示電路、鍵盤電路、控制輸出電流、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘電路和報(bào)警電路等?！?〕學(xué)習(xí)單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)資料，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括中斷程序、控制程序、數(shù)據(jù)比擬程序、顯示程序、鍵盤輸入程序等?！?〕改善系統(tǒng)的性能和修改系統(tǒng)出現(xiàn)的小問題并做出總結(jié)。第2章系統(tǒng)控制方案的選擇2.1系統(tǒng)的概述在人們的日常生活中，環(huán)境是每一個(gè)人都離不開的，它包括室外環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境兩種。室外環(huán)境就是人們一直關(guān)心和了解的大自然環(huán)境，它的好壞對人類生存具有重要意義，衡量它的好壞有很多方面，如空氣質(zhì)量、綠化面積的大小、是否有沙塵暴天氣、人們生活的排氣污染和垃圾污染程度等方面。室內(nèi)環(huán)境也是一種重要的、人們生活不可缺少的場所。在室內(nèi)環(huán)境中，人們可以生活、睡覺、學(xué)習(xí)和工作。除此之外，人們可以呆著室內(nèi)環(huán)境中去躲避自然災(zāi)害等。衡量室內(nèi)環(huán)境的好壞與衡量室外環(huán)境的好壞有些差異，它包括室內(nèi)的溫度、濕度、苯和TVOC等有害氣體的含量等。良好的室內(nèi)環(huán)境會使人的身體更健康、更舒適。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，它可應(yīng)用在家庭、辦公室、教學(xué)樓等室內(nèi)場所，其功能是它可以實(shí)時(shí)檢測室內(nèi)環(huán)境中的溫度、濕度、苯和TVOC有害氣體的含量，并可以通過系統(tǒng)的顯示器顯示出來；如果所檢測的室內(nèi)環(huán)境環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)超標(biāo)，系統(tǒng)就會自動(dòng)報(bào)警，并且通過控制輸出電路來控制排氣扇、吹風(fēng)機(jī)、電熱絲和加濕器等電器工作，從而使室內(nèi)空氣質(zhì)量得到改善，讓室內(nèi)工作、生活和學(xué)習(xí)的人們感覺更舒適。2.2控制方案的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)方案選擇了AT89S52單片機(jī)作為核心控制芯片，系統(tǒng)外接具有10按鍵的矩陣鍵盤和LCD1602顯示器，使系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，這樣人們可以方便地通過鍵盤對系統(tǒng)進(jìn)行信息輸入和調(diào)整；通過外部精確的時(shí)鐘電路，能夠保證時(shí)間的精確性，從而使系統(tǒng)在時(shí)間控制模式下運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)通過檢測電路來采集室內(nèi)環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號變成數(shù)字信號并傳送到單片機(jī)控制器中，單片機(jī)通過控制算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過LCD1602將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。除此之外，系統(tǒng)根據(jù)處理的數(shù)據(jù)來控制室內(nèi)環(huán)境，使人們一直處在良好的環(huán)境中。該設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)局部：〔1〕設(shè)計(jì)一組室內(nèi)環(huán)境信息采集電路，該電路可以實(shí)現(xiàn)采集室內(nèi)環(huán)境中的溫度、濕度、苯含量和TVOC含量數(shù)據(jù)。采集電路功能的實(shí)現(xiàn)是利用溫度傳感器、濕度傳感器、苯含量傳感器、TVOC含量傳感器來對信號進(jìn)行采集?！?〕設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路。因?yàn)橄到y(tǒng)采集回來的數(shù)據(jù)都是模擬信號，要想讓控制器識別和應(yīng)用，那么應(yīng)該將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。系統(tǒng)采用一個(gè)集成的A/D轉(zhuǎn)換芯片PCF8591來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換?！?〕設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)作為控制核心。該最小系統(tǒng)的硬件包括單片機(jī)芯片、系統(tǒng)電源電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、晶振電路、時(shí)鐘電路、鍵盤電路等。其中時(shí)鐘電路是該系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，利用它可以識別出春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)，也可以進(jìn)行時(shí)間計(jì)算。鍵盤電路是系統(tǒng)的輸入，人們可以應(yīng)用鍵盤來對系統(tǒng)的一些控制數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，也可以對時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)?！?〕設(shè)計(jì)一個(gè)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的顯示模塊。本設(shè)計(jì)采用的是LCD1602液晶顯示模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的顯示器。該顯示器可以顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集回來的溫度、濕度、苯含量和TVOC含量數(shù)值，還可以顯示當(dāng)前的時(shí)間，系統(tǒng)運(yùn)行正常和異常的報(bào)警狀態(tài)等信息。〔5〕設(shè)計(jì)一組系統(tǒng)對室內(nèi)環(huán)境控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該設(shè)計(jì)是一組應(yīng)用單片機(jī)控制的繼電器。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)由4路繼電器構(gòu)成，單片機(jī)通過信號控制繼電器的通斷，并分別控制加濕器的開關(guān)、排氣扇的開關(guān)、吹風(fēng)機(jī)的開關(guān)和加熱絲的開關(guān)，使這4個(gè)電器相互協(xié)調(diào)工作，從而使室內(nèi)的環(huán)境保持良好的狀態(tài)?！?〕設(shè)計(jì)一組環(huán)境異常的報(bào)警電路。該報(bào)警電路包括LED報(bào)警信號燈和蜂鳴器。當(dāng)檢測的某種環(huán)境指標(biāo)出現(xiàn)異常的時(shí)候，相應(yīng)的LED燈閃爍，與此同時(shí)，蜂鳴器也進(jìn)行報(bào)警。第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1核心控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心控制系統(tǒng)是室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，它就像系統(tǒng)的“心臟〞一樣重要。它可以控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，也可以智能地分析數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和控制等功能，因此選擇和設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定、良好的核心控制系統(tǒng)是十分重要的。3.1.1核心控制芯片的選型該設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)是用在室內(nèi)的，它的核心控制模塊采用小型芯片單片機(jī)，這樣可以使系統(tǒng)的運(yùn)行更加智能化，自動(dòng)化。單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管它的大局部功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大局部部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大局部芯片還具有外存，同時(shí)它還集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)也被稱為微控制器〔Microcontroler〕，是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器開展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成極復(fù)雜的而對系統(tǒng)要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中?？刂破鞑捎玫膯纹瑱C(jī)型號為AT89S52，它是51系列單片機(jī)的一種。AT89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能的CMOS的8位微控制器，內(nèi)置8KB可在線編程閃存。該器件采用Atmel公司的高密度非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，其指令與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51指令集兼容。片內(nèi)程序存儲器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲器在系統(tǒng)內(nèi)通過SPI串行口改寫或用同用的非易失性存儲器改寫。通過把通用的8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個(gè)芯片上，AT89S52便成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)。它的應(yīng)用范圍廣且本錢較低，可用于解決復(fù)雜的控制問題，如廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、外設(shè)控制、順序控制等方面。AT89S52單片機(jī)DIP封裝方式有40個(gè)引腳，因此它具有很多種功能特性，它與同系列產(chǎn)品相比，性價(jià)比很高。單片機(jī)的40個(gè)引腳大致可分為4類，分別是：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。該單片機(jī)引腳圖如圖3.1所示。圖3.1AT89S52單片機(jī)引腳圖〔1〕電源=1\*GB3①VCC：芯片電源，接+5V；=2\*GB3②VSS：接地端。〔2〕時(shí)鐘XTAL1、XTAL2：晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端?！?〕控制線〔4根〕=1\*GB3①ALE/PROG：地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖。ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址；PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。=2\*GB3②PSEN：外ROM讀選通信號。=3\*GB3③RST/VPD：復(fù)位/備用電源。RST〔Reset〕功能：復(fù)位信號輸入端。VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。=4\*GB3④EA/Vpp：內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp?！?〕I/O總線AT89S52共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號〔屬于控制總線〕。AT89S52單片機(jī)是一種數(shù)字型的8位控制芯片，其主要有以下幾種性能：〔1〕可編程Flash存儲器存儲空間是8K；〔2〕具有32個(gè)可編程的I/O口總線；〔3〕有256字節(jié)的RAM；〔4〕有1個(gè)看門狗定時(shí)器和3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；〔5〕有6個(gè)中斷向量，并具有2個(gè)中斷優(yōu)先級控制功能；〔6〕空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷等模塊繼續(xù)正常運(yùn)行；〔7〕支持2鐘軟件可選擇節(jié)電模式；〔8〕掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作都停在，直到下一個(gè)中斷或者硬件復(fù)位為止。3.1.2AT89S52核心控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心裝置，它的主要局部是控制器的芯片，除此之外，AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括單片機(jī)的電源電路、單片機(jī)的晶振電路和單片機(jī)的復(fù)位電路3個(gè)主要局部。AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖3.2所示。圖3.2AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)該室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的功能之一是對室內(nèi)環(huán)境中的溫度、濕度、苯含量和TVOC含量的檢測，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電路分為四種，分別是室內(nèi)溫度采集電路、室內(nèi)濕度采集電路、苯含量采集電路和TVOC含量采集電路。3.2.1室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)LM35系列是美國NS公司生產(chǎn)的精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。因此，LM35比按絕對溫標(biāo)校準(zhǔn)的線性溫度傳感器敏感得很多。LM35系列傳感器生產(chǎn)制作時(shí)已經(jīng)過校準(zhǔn)，輸出電壓與攝氏溫度一一對應(yīng)，使用極為方便。它的靈敏度為10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃(-55℃至+150℃溫度范圍內(nèi))，重復(fù)性好，低輸出阻抗，線性的輸出和內(nèi)部精密的校準(zhǔn)使其與讀出或控制電路接口連接簡單和方便，可選單電源和正負(fù)電源兩種方式工作。系統(tǒng)采用LM35系列的溫度傳感器來采集室內(nèi)的溫度，根據(jù)測量溫度的范圍，那么選擇的型號為LM35DZ。LM35DZ的封裝方式是TO-92塑封。其外形如圖3.3所示。LM35DZ的性能指標(biāo)及特性如下所示：〔1〕在攝氏溫度下直接校準(zhǔn)；〔2〕+10.0mV/℃的線性刻度系數(shù)；〔3〕確保0.5℃的精度(在25℃)〔4〕額定溫度范圍為0℃至+100℃〔5〕適合于遠(yuǎn)程應(yīng)用；〔6〕工作電壓范圍寬4V至30V；〔7〕輸出阻抗，通過1mA電流時(shí)僅為0.1Ω。圖3.3LM35DZ溫度傳感器的外形該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)溫度檢測電路的原理圖如圖3.4所示，它包括檢測電路、放大電路和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路三局部。圖3.4溫度采集電路原理圖系統(tǒng)的溫度采集電路包括兩個(gè)局部，一局部是LM35DZ的溫度采集電路，另一局部是放大電路。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用LM35DZ單電源供電的工作方式，在溫度傳感器的電源端分別加上+5V和GND，這樣在傳感器的輸出端就能得到模擬信號，其輸出公式為：Vout=0mV+10mV/℃。系統(tǒng)采集的溫度輸出的信號很小，不便于數(shù)據(jù)的處理，為了提高數(shù)據(jù)處理的精度和減小數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的誤差，在信號輸出的局部加上兩級放大，第一級放大倍數(shù)為5倍，第二級不放大而是讓其信號轉(zhuǎn)換成正電壓。該溫度采集電路的輸出接到PCF8591的模擬輸入通道AIN0上，這樣所得到的整個(gè)采集的模擬電壓數(shù)據(jù)可以通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換送入控制器中。3.2.2室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是將室內(nèi)的濕度控制在兩種范圍內(nèi)：冬季30-60%和夏季40-65%。為了滿足系統(tǒng)的測量精度和范圍，本次設(shè)計(jì)選用型號為HM1500的濕度傳感器作為檢測室內(nèi)環(huán)境濕度的工具。HM1500的外形如圖3.5所示，它有W1〔白色〕、W2〔藍(lán)色〕、W3〔黃色〕3條引線，分別是地線、電源線和輸出線。圖3.5HM1500濕度傳感器HM1500是專門適用于需要精確可靠檢測濕度的系統(tǒng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是有很小的易于安裝的接頭，可以非常節(jié)省機(jī)械自動(dòng)安裝的本錢。由于它是線性的電壓輸出濕度檢測模塊，輸出范圍是1V-4V，并且內(nèi)部具有放大電路，因此可直接與微控制器的A/D轉(zhuǎn)換模塊相連接，不需要另外設(shè)計(jì)放大電路。除此之外，它還具有尺寸小、防水、互換性好、可靠性高、漂移小、極低的溫度依賴性、比例輸出于電源電壓、響應(yīng)時(shí)間短、對化學(xué)品具有高體抗性等特點(diǎn)。HM1500的特性參數(shù)詳見表3.1。表3.1HM1500的特性參數(shù)參數(shù)符號最小值典型值最大值單位濕度量程RH199%RH相對濕度精度〔10-99%RH〕RH±3±5%RH供電電壓Vs4.755.005.25V輸出范圍Vout10004000mV典型輸出@RH=55%Vout2.422.482.54V消耗電流Ic0.40.8mA溫度系數(shù)〔10~50℃〕Tcc+0.1%RH/℃平均靈敏度〔33~75%RH〕ΔmV/%RH+25mV/%RH吸收電容容量〔R?=15KΩ〕Is300μA150小時(shí)結(jié)露恢復(fù)時(shí)間t10s濕度遲滯±1.5%RH漂移0.5%RH/yr響應(yīng)時(shí)間〔5-10%RH，靜態(tài)，63%〕τ10s濕度傳感器HM1500內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有溫度系數(shù)補(bǔ)償、非線性溫度補(bǔ)償作用，因此，可以使采集的濕度信號與其輸出的模擬電壓信號成線性關(guān)系而不受溫度等因素的影響。輸出的擬合多項(xiàng)式為〔單位：Vout：mV；RH：%〕：(3.1)溫度系數(shù)補(bǔ)償為〔單位：RH：%；Ta：℃〕：(3.2)非線性與溫度補(bǔ)償為〔單位：RH：%；Ta：℃〕:(3.3)HM1500溫度傳感器的輸出特性參考數(shù)值詳見表3.2，公式為：(3.4)表3.2HM1500模擬線性電壓輸出值RH(%)Vout(mV)RH(%)Vout(mV)101325552480151465602605201600652730251735702860301860752990351990803125402110853260452235903405502360953555該設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的濕度檢測電路如圖3.6所示。圖3.6室內(nèi)濕度檢測電路在濕度檢測電路中，用+5V給HM1500傳感器供電，HM1500的輸出口直接連接到能實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的PCF8591芯片的模擬輸入通道AIN1上。3.2.3室內(nèi)苯含量檢測電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測的環(huán)境指標(biāo)之一是苯的含量。苯是一種無色具有特殊芳香氣味的液體，甲苯、二甲苯屬于苯的同系物，都是無色液體。住宅環(huán)境里的苯主要來自建筑裝飾中使用大量的化工原材料，如涂料，填料及各種有機(jī)溶劑等，都含有大量的有機(jī)化合物，經(jīng)裝修后大量揮發(fā)到室內(nèi)各個(gè)角落，污染范圍之大難以考量。苯是致癌物質(zhì)，主要損害人的中樞神經(jīng)及肝功能。醫(yī)學(xué)研究說明：苯可以危及血液及造血器官，易引起白血病及敗血癥等疾病。尤其是對孕婦的危害，極為嚴(yán)重。因此，對室內(nèi)環(huán)境中苯含量進(jìn)行監(jiān)測和控制是很重要的。檢測苯含量的傳感器采用MQ138傳感器模塊，它是一種可用于檢測苯、甲醛、甲苯、酒精、甲醇等氣體濃度的氣敏型半導(dǎo)體傳感器，具有價(jià)格低廉、響應(yīng)速度快、靈敏度高、性能穩(wěn)定及外圍驅(qū)動(dòng)電路簡單等特點(diǎn)。MQ138傳感器模塊可測量的氣體種類有苯、甲醇、丙酮、甲苯、酒精、甲醛等，其測量的范圍詳見表3.3。表3.3MQ138模擬線性電壓輸出值氣體名稱測量范圍氣體名稱測量范圍苯1-100ppm甲苯10-100ppm甲醇5-100ppm酒精30-300ppm丙酮10-300ppm甲醛1-10ppmMQ138半導(dǎo)體氣體傳感器模塊由微型陶瓷管、敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感組件，這些元件固定在不銹鋼制成的腔體內(nèi)，并和一些電阻、放大器等元件組成檢測電路固定在電路板上形成模塊，其外部構(gòu)造如圖3.7所示.圖3.7MQ138苯含量檢測模塊MQ138傳感器模塊的特性有以下幾點(diǎn)：〔1〕具有信號輸出指示燈指示；〔2〕雙路信號輸出〔模擬量輸出及TTL電平輸出〕；〔3〕TTL輸出有效信號為低電平并且信號燈亮〔可接單片機(jī)I/O口〕；〔4〕模擬量輸出隨濃度增加而增加，濃度越高，輸出的模擬電壓越高；〔5〕具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；〔6〕快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；〔7〕探頭可以插拔設(shè)計(jì)，方便試驗(yàn)和調(diào)試。MQ138模塊有四個(gè)引腳，分別是VCC、DOUT、AOUT、GND。VCC是傳感器模塊的電源，一般使用+5V直流電源；DOUT和AOUT分別是傳感器的數(shù)字信號輸出端和模擬信號輸出端；GND是傳感器模塊的電源地端。本設(shè)計(jì)使用該模塊的模擬輸出端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，AOUT引腳與A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591的AIN2相連接。其設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖3.8所示。圖3.8苯含量檢測電路原理圖3.2.4室內(nèi)TVOC含量檢測電路的設(shè)計(jì)室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測的室內(nèi)重要環(huán)境指標(biāo)之一是有害氣體TVOC的含量。TVOC是空氣中三種有機(jī)污染物〔多環(huán)芳烴、揮發(fā)性有機(jī)物和醛類化合物〕中影響較為嚴(yán)重的一種。TVOC的主要成分有：烴類、鹵代烴、氧烴和氮烴，它包括：苯系物、有機(jī)氯化物、氟里昂系列、有機(jī)酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烴化合物等物質(zhì)。室內(nèi)環(huán)境中都會含有TVOC有害氣體，常溫下它是以蒸發(fā)的形式存在于空氣中，其平安濃渡范圍在0.16mg/m3至0.3mg/m3之間。在室外，TVOC主要來自燃料燃燒和交通運(yùn)輸；而在室內(nèi)那么主要來自燃煤和天然氣等燃燒產(chǎn)物、吸煙、采暖和烹調(diào)等的煙霧，建筑和裝飾材料，家具，家用電器，清潔劑和人體本身的排放等。TVOC的毒性、刺激性、致癌性和特殊的氣味性，會影響皮膚和黏膜的功能，對人體產(chǎn)生急性且嚴(yán)重的損害，因此監(jiān)測和控制室內(nèi)TVOC的含量是極為重要的。本系統(tǒng)采用型號為MS1100-P111的傳感器模塊作為室內(nèi)TVOC含量檢測電路的傳感器。MS1100-P111傳感器模塊選用MS1100為核心傳感器探頭，它是一款原裝進(jìn)口的半導(dǎo)體式TVOC氣體傳感器，具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性，能夠偵測0.1ppm以上的氣體。除此之外，它還具有體積小巧、價(jià)格廉價(jià)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。MS1100-P111模塊的外形如圖3.9所示。圖3.9MS1100-P111傳感器模塊的實(shí)物圖MS1100-P111模塊的具體技術(shù)參數(shù)如表3.4所示。表3.4MS1100-P111傳感器模塊的技術(shù)參數(shù)加熱電壓5V±2%〔DC〕工作電流100mA〔max〕回路電壓<<DC12V負(fù)載電阻1K〔可調(diào)〕檢測濃度范圍0-1000ppm〔不同氣體范圍不同〕靈敏度>>3%元件功耗430mW模擬信號輸出范圍0-5V〔模擬信號可以直接接AD采集〕輸出方式模擬信號輸出，數(shù)字信號輸出響應(yīng)時(shí)間<<5S〔預(yù)熱3-5分鐘〕系統(tǒng)的TVOC含量檢測電路的具體設(shè)計(jì)如圖3.10所示。圖3.10室內(nèi)環(huán)境的TVOC含量檢測電路在MS1100-P111傳感器模塊中，TVOC含量和其輸出的模擬電壓信號是成線性關(guān)系的，其參考值見表3.5。表3.5TVOC含量對應(yīng)輸出電壓的參考數(shù)值TVOC含量〔ppm〕輸出電壓〔mV〕TVOC含量〔ppm〕輸出電壓〔mV〕0640203690121002538702238030402032570354150427104042705282045438062920504480730105545708309060466093160654740103220704820153490754900系統(tǒng)的TVOC檢測電路分為兩局部，第一局部是A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591的第4路模擬輸入通道AIN3，采集的TVOC含量數(shù)據(jù)正是通過該通道匯總到單片機(jī)存儲器中；第二局部是MS1100-P111氣體傳感器模塊，將該模塊加上工作電壓+5V之后，傳感器就會自動(dòng)檢測TVOC含量，并且該模塊有數(shù)字信號輸出和模擬信號輸出兩種方式，設(shè)計(jì)采用模擬信號輸出方式將數(shù)據(jù)傳送給A/D轉(zhuǎn)換器。3.3系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的功能是檢測和控制出室內(nèi)環(huán)境空氣中的苯含量、TVOC含量、室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度4項(xiàng)指標(biāo)。這4項(xiàng)指標(biāo)都用相對應(yīng)的傳感器來檢測，所得到的數(shù)據(jù)都是模擬量，要想讓系統(tǒng)的核心控制器應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，那么采用A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換芯片往往是必不可少的，本系統(tǒng)采用PCF8591芯片，它的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持信號電路、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。PCF8591是單片、單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有4個(gè)模擬輸入、一個(gè)模擬輸出和一個(gè)串行I2C總線接口。3個(gè)地址引腳A0、A1和A2用于編程硬件地址，允許將最多8個(gè)器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。器件的地址控制和數(shù)據(jù)通過兩線雙向I2C總線傳輸。I2C總線是Philips公司推出的串行總線，整個(gè)系統(tǒng)僅靠數(shù)據(jù)線〔SDA〕和時(shí)鐘線〔SCL〕實(shí)現(xiàn)完善的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，即CPU與各個(gè)外圍器件僅靠這兩條線實(shí)現(xiàn)信息交換。I2C總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的并行總線系統(tǒng)相比具有結(jié)構(gòu)簡單、可維護(hù)性好、易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展、易實(shí)現(xiàn)模塊化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。然而PCF8591就是一種具有I2C總線接口的A/D轉(zhuǎn)換芯片。在與CPU的信息傳輸過程中僅靠時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以實(shí)現(xiàn)。PCF8591的引腳分布如圖3.11所示。圖3.11PCF8591芯片的引腳圖PCF8591轉(zhuǎn)換芯片的引腳功能如下：〔1〕AIN0～AIN3：模擬信號輸入端；〔2〕A0～A3：引腳地址端；〔3〕VDD、VSS：電源端；〔4〕SDA、SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線；〔5〕OSC：外部時(shí)鐘輸入端，內(nèi)部時(shí)鐘輸出端?！?〕EXT：內(nèi)部、外部時(shí)鐘選擇線，使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)EXT接地?！?〕AGND：模擬信號地。采用PCF8591模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片最大的優(yōu)點(diǎn)就是為控制器節(jié)省很多的I/O口。由于該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的是AT89S52單片機(jī)作為控制器，所以I/O口數(shù)量很有限，采用此芯片是很好的選擇。除此之外，PCF8591芯片還具有以下特點(diǎn)：〔1〕工作電壓：2.5V~6V〔待機(jī)電流低〕；〔2〕通過3個(gè)硬件地址引腳編址；〔3〕4個(gè)模擬輸入可編程為單端或差分輸入；〔4〕模擬電壓輸入輸出范圍：VSS~VDD；〔5〕帶一個(gè)模擬輸出的乘法DAC；〔6〕單電源供電；〔7〕自動(dòng)增量通道選擇；〔8〕片上跟蹤與保持電路；〔9〕I2C總線串行輸入/輸出；〔10〕8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換；〔11〕采樣速率取決于I2C總線速度。PCF8591芯片的功能包括多路復(fù)用模擬輸入、片上跟蹤和保持功能、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)模轉(zhuǎn)換，其最大轉(zhuǎn)換速率取決于I2C總線的最高速率。因此它可以廣泛應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的低功耗轉(zhuǎn)換器、電池供電設(shè)備、在汽車、音響和TV應(yīng)用的模擬數(shù)據(jù)采集等方面。室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)正是需要遠(yuǎn)程模擬數(shù)據(jù)采集，并且也考慮到節(jié)省I/O口，所以該系統(tǒng)很適合采用PCF8591轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電路有4路，分別是采集溫度、濕度、苯含量和TVOC含量的數(shù)據(jù)。PCF8591芯片的模擬輸入通道是識別電壓類型的模擬信號，其分辨率為1/256，能夠識別的最小電壓大約為19.53mV。系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)如圖3.12所示。圖3.12監(jiān)控系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換〔PCF8591〕的電路A/D轉(zhuǎn)換芯片的引腳9和引腳10分別是SCL和SDA，分別是I2C總線的時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線，將這兩條線與單片機(jī)的I/O口P2.0和P2.1相連接，通過軟件的編程，單片機(jī)可以通過SCL引腳將系統(tǒng)的時(shí)鐘傳送到A/D轉(zhuǎn)換芯片中，讓其正常工作，并且通過SCL和SDA引腳的相互配合使用，將數(shù)據(jù)從外部讀進(jìn)控制器中。3.4系統(tǒng)顯示器的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能是檢測和控制室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量，包括檢測室內(nèi)的溫度、濕度、苯含量、TVOC含量等幾項(xiàng)重要指標(biāo)，所以系統(tǒng)需要一個(gè)人機(jī)交換界面用來進(jìn)行顯示和輸入，系統(tǒng)的顯示器就是人機(jī)界面之一。系統(tǒng)顯示器的選型液晶顯示器是一種常用的顯示器。液晶顯示器簡稱為LCD顯示器，它是利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線的傳輸方向的特征實(shí)現(xiàn)顯示信息的，以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。液晶顯示器按其功能可分為三類：筆端式液晶顯示器、字符點(diǎn)陣式液晶顯示器和圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器。前兩種可以顯示數(shù)字、字符和符號等，而圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器還可以顯示漢字和任意圖形，到達(dá)圖形并茂的效果。本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶作為系統(tǒng)的顯示器，它屬于字符點(diǎn)陣式液晶顯示器，其外形如圖3.13所示，1602字符型LCD的主要技術(shù)參數(shù)為：〔1〕顯示容量：16×2個(gè)字符；〔2〕芯片工作電壓：4.5~5.5V；〔3〕工作電流2mA(5.0V)不包括背光電流；〔4〕模塊最正確工作電壓：5V；〔5〕字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm；圖3.13LCD1602液晶顯示器LCD1602液晶顯示器共有16個(gè)引腳，按功能分為電源口、數(shù)據(jù)口、背光電源口和控制口四類，具體功能詳見表3.6。表3.61602字符型LCD引腳編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)口2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)口3VO液晶顯示器比照度調(diào)整端11D4數(shù)據(jù)口4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端(H/L)12D5數(shù)據(jù)口5R/W讀/寫選擇端(H/L)13D6數(shù)據(jù)口6E使能信號14D7數(shù)據(jù)口7D0數(shù)據(jù)口15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)口16BLK背光源負(fù)極3.4.2LCD1602顯示器電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的LCD1602液晶顯示器可以顯示出室內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度、實(shí)時(shí)濕度、苯以及TVOC有害氣體的含量值，除此之外，它還可以顯示當(dāng)前的時(shí)間，日期，室內(nèi)環(huán)境的正常情況等信息。LCD1602液晶顯示器與單片機(jī)的具體連接如圖3.14所示。圖3.14LCD1602字符型液晶顯示器與單片機(jī)的連接LCD1602的數(shù)據(jù)端口接在單片機(jī)的P0口，由于單片機(jī)的P0口內(nèi)置沒有上拉電阻，所以驅(qū)動(dòng)能力很弱，需在外邊連接10KΩ的上拉電阻。RS、R/W、EN3個(gè)控制口分別與單片機(jī)的P1.2、P1.1、P1.0數(shù)據(jù)口相連接。1602字符型LCD與單片機(jī)的連接接口具體說明如下：〔1〕液晶1、2端為地和電源?！?〕液晶3端為液晶比照度調(diào)節(jié)端，通過一個(gè)10K電位器接地來調(diào)節(jié)液晶顯示比照度。首次使用時(shí)，在液晶的上電狀態(tài)下，調(diào)節(jié)至液晶上面一行顯示出黑色小格為止?！?〕液晶4端為向液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令選擇端，接單片機(jī)的P1.2口?！?〕液晶5端為讀/寫選擇端，接單片機(jī)的P1.1口。本系統(tǒng)只寫數(shù)據(jù)，只向其寫入命令和顯示數(shù)據(jù)接高電平，因此在編程時(shí)可以讓P1.1口輸出高電平來配合其他程序使用。〔5〕液晶6端為使能信號，是操作時(shí)必須的信號，接單片機(jī)的P1.0口。〔6〕液晶7-14端為8路數(shù)據(jù)端口接到P0口，其與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?！?〕液晶15、16端接入電源+5V和GND，使液晶顯示器背光點(diǎn)亮。3.4.3LCD1602顯示器的用法及性能參數(shù)要想對液晶顯示器進(jìn)行控制及使用，用戶應(yīng)該先了解其工作狀態(tài)的時(shí)序，根據(jù)它的根本操作時(shí)序，控制器可以向其中寫入數(shù)據(jù)或從其中讀取數(shù)據(jù)，LCD1602液晶是數(shù)字型的顯示器，它的根本操作時(shí)序分為以下幾種：讀狀態(tài)輸入：RS=L，R/W=H，E=H輸出：D0~D7=狀態(tài)字讀數(shù)據(jù)輸入：RS=H，R/W=H，E=H輸出：無寫指令輸入：RS=L，R/W=L，D0~D7=指令碼，E=高脈沖輸出：D0~D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入：RS=H，R/W=L，D0~D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出：無無論是讀數(shù)據(jù)還是讀狀態(tài)，它都是用一個(gè)共同的讀操作時(shí)序，如圖3.15所示為LCD1602液晶的讀操作時(shí)序，用戶可以根據(jù)該時(shí)序用程序?qū)崿F(xiàn)對顯示器里數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。圖3.15讀操作時(shí)序當(dāng)LCD1602做為顯示器的時(shí)候，常用的操作是寫操作。無論是寫數(shù)據(jù)還是寫指令，它都是用一個(gè)共同的寫操作時(shí)序，如圖3.16所示為LCD1602液晶的寫操作時(shí)序，用戶可以根據(jù)該時(shí)序用程序?qū)崿F(xiàn)將數(shù)據(jù)寫入顯示器中并顯示出來。寫命令包括使液晶的光標(biāo)顯示/不顯示、光標(biāo)閃爍/不閃爍、需/不需要移屏、在液晶的什么位置顯示等等。寫的數(shù)據(jù)是指要顯示什么內(nèi)容。其時(shí)序圖如圖3.16所示。LCD1602的寫操作步驟分為4步：〔1〕選擇寫入的是數(shù)據(jù)還是指令，RS=高電平，選擇數(shù)據(jù)；RS=低電平，選擇指令?！?〕讀/寫控制端設(shè)置為寫模式，即低電平?！?〕將數(shù)據(jù)或指令送達(dá)數(shù)據(jù)線上?！?〕給E一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫操作。圖3.16寫操作時(shí)序在使用LCD1602顯示字符時(shí)，首先要做的是將其進(jìn)行初始化設(shè)置，具體步驟如下：〔1〕顯示模式設(shè)置，顯示模式設(shè)置如表3.7所示。表3.7初始化設(shè)置的顯示模式設(shè)置指令碼功能00111000設(shè)置16×2顯示，5×7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口〔2〕顯示開/關(guān)以及光標(biāo)設(shè)置，顯示開/關(guān)以及光標(biāo)設(shè)置如表3.8所示。表3.8初始化設(shè)置的顯示開/關(guān)以及光標(biāo)設(shè)置指令碼功能00001DCBD=1開顯示；D=0關(guān)顯示C=1顯示光標(biāo)；C=0不顯示光標(biāo)B=1光標(biāo)閃爍；B=0光標(biāo)不顯示000001NSN=1當(dāng)讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針加1，且光標(biāo)加1N=0當(dāng)讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針減1，且光標(biāo)減1S=1當(dāng)寫一個(gè)字符時(shí)，整屏顯示右移N=1或左移N=0，已得到光標(biāo)不移動(dòng)而屏幕移動(dòng)的效果S=0寫一個(gè)字符時(shí)，整屏顯示不移動(dòng)00010000光標(biāo)左移00010100光標(biāo)右移00011000整屏左移，同時(shí)光標(biāo)跟隨移動(dòng)00011100整屏右移，同時(shí)光標(biāo)跟隨移動(dòng)液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否那么此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。3.5系統(tǒng)鍵盤電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)鍵盤的功能是可以設(shè)定和校準(zhǔn)系統(tǒng)的時(shí)間，可以調(diào)節(jié)LCD1602液晶顯示器上所顯示的內(nèi)容。為了節(jié)省單片機(jī)控制器的I/O口，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用集成芯片CH452芯片來擴(kuò)展系統(tǒng)的輸入按鍵。CH452是一種數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描兩用的控制芯片。芯片內(nèi)置時(shí)鐘振蕩電路，可以動(dòng)態(tài)地驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管或64只LED燈，具有BCD譯碼、閃爍、移位、段位尋址、光柱譯碼等功能。除此之外，芯片還可以對具有64個(gè)或64個(gè)以下按鍵的矩陣鍵盤進(jìn)行掃描，每個(gè)按鍵都有固定的數(shù)字編碼，單片機(jī)可以和CH452通過2線串行接口或4線串行接口完成交換數(shù)據(jù)和識別按鍵的任務(wù)。該系統(tǒng)使用的是CH452的鍵盤掃描功能。CH452驅(qū)動(dòng)芯片采用DIP的封裝方式，按照引腳的個(gè)數(shù)可分為DIP-24和DIP-28兩種；按照傳輸數(shù)據(jù)的方式分為4線串行接口和2線串行接口兩種。本設(shè)計(jì)采用為DIP-24的封裝方式、2線串行接口的芯片，其型號為CH452L。該芯片的外形及引腳分布如圖3.17所示。圖3.17CH452芯片引腳分布圖〔左圖〕和外形〔右圖〕系統(tǒng)的鍵盤包括10個(gè)按鍵，即KEY1、KEY2、KEY3、KEY4、KEY5、KEY6、KEY7、KEY8、KEY9、KEY10.，其功能詳見表3.9。表3.9系統(tǒng)的矩陣按鍵分配按鍵符號按鍵功能按鍵符號按鍵功能KEY1時(shí)間設(shè)定KEY2確定按鍵KEY3分鐘+1KEY4小時(shí)+1KEY5日期+1KEY6月份+1KEY7年份+1KEY8時(shí)間顯示KEY9溫度、濕度顯示KEY10苯、TVOC含量顯示系統(tǒng)的輸入按鍵的設(shè)計(jì)是將5*2的矩陣鍵盤通過CH452芯片與單片機(jī)相連接，即單片機(jī)通過自身的P1.3和P1.4兩個(gè)I/O口與CH452的SCL和SDA兩個(gè)數(shù)據(jù)口相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)鍵盤電路的設(shè)計(jì)如圖3.18所示。圖3.18系統(tǒng)鍵盤電路的電路原理圖系統(tǒng)的10個(gè)按鍵如上圖所示的的連接，其對應(yīng)的代碼都是固定的，單片機(jī)通過查詢這些代碼就可以識別被按下的按鍵見表3.10。表3.10系統(tǒng)的矩陣按鍵的代碼按鍵符號按鍵代碼按鍵符號按鍵代碼KEY104HKEY203HKEY302HKEY401HKEY500HKEY60CHKEY70BHKEY80AHKEY909HKEY1008H系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)定。當(dāng)發(fā)現(xiàn)時(shí)間不準(zhǔn)確時(shí)，用戶可以按下KEY1鍵。此時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間就會停止，可以按KEY3、KEY4、KEY5、KEY6、KEY7五個(gè)按鍵分別對系統(tǒng)時(shí)間的分鐘、小時(shí)、日期、月份和年份就行設(shè)定。對于這五個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵被按下一次，相應(yīng)的時(shí)間數(shù)據(jù)就會加1。當(dāng)將時(shí)間設(shè)置完成之后，用戶按下KEY2按鍵確定，系統(tǒng)時(shí)間就會繼續(xù)工作。顯示內(nèi)容的選擇。在無任何操作的情況下，在系統(tǒng)的LCD1602顯示器上顯示內(nèi)容是每10秒鐘自動(dòng)變化一次，按照系統(tǒng)的時(shí)間、溫度濕度數(shù)據(jù)、苯和TVOC含量數(shù)據(jù)的順序輪流顯示。當(dāng)按下KEY8按鍵時(shí)，顯示器上就會顯示時(shí)間，5s以后返回到以前狀態(tài)；當(dāng)按下KEY9按鍵時(shí)，顯示器上就會顯示溫度、濕度數(shù)據(jù)，5s以后返回到以前狀態(tài)；當(dāng)按下KEY10按鍵時(shí)，顯示器上就會顯示苯和TVOC含量數(shù)據(jù)，5s以后返回到以前狀態(tài)。3.6系統(tǒng)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)監(jiān)控的室內(nèi)環(huán)境的指標(biāo)中，溫度和濕度兩種指標(biāo)按照季節(jié)的不同，其控制的正常范圍也是不同的。除此之外，也為了方便使用該系統(tǒng)的人們能夠知道時(shí)間，本次設(shè)計(jì)采用集成的時(shí)鐘芯片為系統(tǒng)提供時(shí)間信息。3.6.1時(shí)鐘芯片的選型系統(tǒng)的時(shí)鐘芯片采用的是DS1302。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。DS1302的外部引腳分配如圖3.19所示圖3.19時(shí)鐘芯片DS1302的引腳分配DS1302時(shí)鐘芯片的各引腳的功能說明如下：〔1〕VCC2：主電源；VCC1：備份電源。當(dāng)VCC2>VCC1+0.2V時(shí)，由VCC2向DS1302供電，工作電壓寬達(dá)2.5～5.5V；當(dāng)VCC2<VCC1時(shí)，由VCC1向DS1302供電，。一般情況下，為了保持系統(tǒng)斷電的時(shí)候時(shí)鐘繼續(xù)工作，VCC1引腳都會連接扭扣電池作為副電源?！?〕SCLK：串行時(shí)鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出?！?〕I/O：三線接口時(shí)的雙向數(shù)據(jù)線，可以雙向傳輸數(shù)據(jù)或指令?！?〕CE：輸入信號，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高電平。該引腳有兩個(gè)功能：第一，CE開始控制字訪問移位存放器的控制邏輯；其次，CE提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā！?〕X1、X2：連接晶振的引腳，一般連接晶振為32.768KHz。3.6.2時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)DS1302與單片機(jī)的連接僅需要3條線：CE引腳、SCLK串行時(shí)鐘引腳、I/O串行數(shù)據(jù)引腳，分別于單片機(jī)的P3.2、P3.3、P3.4三個(gè)I/O口相連接。雖然單片機(jī)的P3口是有第二功能的，但系統(tǒng)沒有用到第二功能，在這里僅當(dāng)普通的I/O數(shù)據(jù)口使用。系統(tǒng)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)和與單片機(jī)連接的電路如圖3.20所示。圖3.20系統(tǒng)時(shí)鐘電路原理圖VCC2為主電源，與系統(tǒng)的+5V電源箱連接，以此來為時(shí)鐘芯片提供電源。VCC1為備用電源，外接一個(gè)扭扣電池，起斷電保護(hù)時(shí)間數(shù)據(jù)的作用。X1、X2兩引腳之間外接32.768kHz晶振，為芯片提供計(jì)時(shí)脈沖。3.7系統(tǒng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、TVOC含量、苯含量4種指標(biāo)進(jìn)行檢測盒控制。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，所檢測的4種室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)處于正常范圍，系統(tǒng)的LCD1602上顯示出各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值；當(dāng)所檢測的環(huán)境指標(biāo)任何一種超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)就會報(bào)警一分鐘，并采取通風(fēng)、排氣、加濕、加熱等控制措施來改善室內(nèi)環(huán)境。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)警電路采用LED燈和蜂鳴器兩種器件，稱為聲光報(bào)警電路。報(bào)警電路包括5個(gè)LED燈和一個(gè)蜂鳴器。5個(gè)LED分別是LED1、LED2、LED3、LED4、LED5。其設(shè)計(jì)的報(bào)警電路如圖3.21所示。圖3.21系統(tǒng)報(bào)警電路原理圖該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)報(bào)警電路，5個(gè)LED燈分別與單片機(jī)P2.6、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2口相連接，并分別連接5K的上拉電阻到+5V電源上，單片機(jī)可以控制I/O口的上下電平來控制報(bào)警指示燈的關(guān)斷和導(dǎo)通；蜂鳴器電路需要參加一個(gè)三極管的驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)可以通過控制P2.7口來控制蜂鳴器發(fā)聲和關(guān)閉。系統(tǒng)對應(yīng)的報(bào)警指示如下所示：LED1點(diǎn)亮+蜂鳴器報(bào)警：監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理發(fā)生錯(cuò)誤而不能正常運(yùn)行報(bào)警；LED2點(diǎn)亮+蜂鳴器報(bào)警：溫度超出或低于正常范圍報(bào)警；LED3點(diǎn)亮+蜂鳴器報(bào)警：濕度超出或低于正常范圍報(bào)警；LED4點(diǎn)亮+蜂鳴器報(bào)警：苯含量超出正常范圍報(bào)警；LED5點(diǎn)亮+蜂鳴器報(bào)警：TVOC含量超出正常范圍報(bào)警；3.8系統(tǒng)控制輸出機(jī)構(gòu)電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的功能是監(jiān)測和改善室內(nèi)環(huán)境，系統(tǒng)通過傳感器以及檢測電路可以采集出室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、苯含量和有毒氣體TVOC含量數(shù)據(jù)，并通過設(shè)計(jì)的程序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)和設(shè)定值比擬，如果采集數(shù)據(jù)超出設(shè)定的正常范圍，系統(tǒng)就會控制4路繼電器，以此來控制排氣扇、吹風(fēng)機(jī)、加濕器、電熱絲相互配合工作，使所檢測的4項(xiàng)指標(biāo)到達(dá)正常范圍，從而改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制輸出機(jī)構(gòu)的電路如圖3.22所示。圖3.22系統(tǒng)控制輸出電路系統(tǒng)的控制輸出電路的連接如圖3.22所示，單片機(jī)的引腳P3.5、P1.7、P1.6和P1.5分別控制繼電器K1、K2、K3和K4，從而能控制中央排氣扇、加濕器、吹風(fēng)機(jī)和加熱絲4個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)的4路控制輸出電路包括光耦隔離電路、三極管驅(qū)動(dòng)電路、繼電器電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)4個(gè)主要局部：光耦隔離電路。光耦隔離電路采用的是TP521-4器件，在控制端連接到單片機(jī)的引腳上，在其輸出端連接繼電器。當(dāng)繼電器在工作觸電動(dòng)作時(shí)，它會對整個(gè)電路的電源電流產(chǎn)生擾動(dòng)，而單片機(jī)是一種對電源穩(wěn)定性要求很高的控制器，如果不采用光耦隔離電路，那么觸點(diǎn)動(dòng)作就會導(dǎo)致單片機(jī)的控制信號變化，甚至?xí)?dǎo)致單片機(jī)的整個(gè)工作狀態(tài)有擾動(dòng)，因此為了讓控制輸出機(jī)構(gòu)不對核心控制器造成影響和保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該設(shè)計(jì)采取光耦隔離的控制方式，使繼電器和單片機(jī)兩個(gè)器件的電源隔離。三極管驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路采用的是8050的三極管，它是NPN型的三極管。在此電路中，它屬于一種開關(guān)型器件，其基極端連接通過光耦隔離電路傳遞過來的控制信號，集電極通過0.5K的上拉電和繼電器串聯(lián)并連接到+24V電源，發(fā)射極通過0.51k的下拉電阻連接電源地，為了防止電源反接和保護(hù)三極管電路，在集電極和發(fā)射極連接一個(gè)續(xù)流二極管。當(dāng)基極端有電壓信號的時(shí)候，三極管8050導(dǎo)通，集電極的電路向發(fā)射極流入，從而該分支的電路導(dǎo)通使繼電器通電工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路。系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括加濕器、中央排氣扇、吹風(fēng)機(jī)和放在吹風(fēng)口的電熱絲四種電器。中央排氣扇、加濕器、吹風(fēng)機(jī)和加熱絲的工作與否是分別由繼電器K1、K2、K3、K4控制的，它們的電源正極分別連接到各自繼電器的觸點(diǎn)上。3.9系統(tǒng)串口通訊電路的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有上位機(jī)的監(jiān)控界面。系統(tǒng)與上位機(jī)采用RS-232通訊協(xié)議的串行通信方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。RS-232通訊協(xié)議被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)，是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。它是采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。該系統(tǒng)串行通信電路的設(shè)計(jì)如圖3.23所示。圖3.23系統(tǒng)串口通信電路原理圖RS-232串行通信端口是每臺計(jì)算機(jī)是的必要配備，通常有COM1和COM2兩個(gè)端口。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)均以9引腳的接頭接出所有的RS-232通信端口。因此，單片機(jī)要想與PC機(jī)連接進(jìn)行通信，需要設(shè)計(jì)出串口通訊的RS-232轉(zhuǎn)換電路。RS-232串行通信的信號采用的是負(fù)邏輯信號，即：數(shù)字信號“1〞的電壓范圍為-3V~-15V；數(shù)字信號“0〞的電壓范圍為-3V~0V，該數(shù)字信號的邏輯與單片機(jī)的數(shù)字信號邏輯正好相反，因此，系統(tǒng)采用MAX232芯片將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成RS-232串口可識別的負(fù)邏輯信號。3.10系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)本次的設(shè)計(jì)是室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心控制器。為了讓其單片機(jī)和系統(tǒng)有個(gè)很好的運(yùn)行狀態(tài)，該系統(tǒng)采用變壓器、整流橋、穩(wěn)壓芯片LM7805、散熱片、型號為1000uF的電解電容、型號為104的瓷片電容、LED等器件設(shè)計(jì)出一種+5V的穩(wěn)壓電源。其電路原理圖如圖3.24所示。圖3.24+5V穩(wěn)壓直流電源的電路原理圖該電源電路是將220V的交流電壓轉(zhuǎn)換成+5V的直流穩(wěn)壓電源。電路中的變壓器先將220V的交流電降壓成9V的交流電，再經(jīng)過型號為4004的4個(gè)二極管組成的一個(gè)整流橋整流成直流電壓，通過1000uF電解電容、104的瓷片電容濾波和穩(wěn)壓芯片LM7805的穩(wěn)壓，這樣就得到了系統(tǒng)穩(wěn)定的+5V直流電壓。當(dāng)電源電路工作時(shí)間很長后，它的穩(wěn)壓芯片等器件的溫度通常會上升，為了保持其良好的散熱性，在發(fā)熱的器件上應(yīng)加上散熱片。電源電路是系統(tǒng)及其重要的一個(gè)模塊之一，它既可以為單片機(jī)提供電壓，亦可以為傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器，傳感器等器件供電。第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要包括兩局部，即主程序和各個(gè)模塊的子程序。系統(tǒng)的主程序主要的作用是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，控制各個(gè)模塊子程序的分時(shí)工作、數(shù)據(jù)分析比擬和處理以及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)除了主程序還包括很多子程序，如定時(shí)中斷室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)比擬和處理程序、采集的數(shù)據(jù)顯示程序、時(shí)鐘數(shù)據(jù)設(shè)置、采集和顯示程序、CH452鍵盤掃描程序、系統(tǒng)輸出控制程序、串口通信程序、時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀寫程序等。4.1系統(tǒng)主體程序的設(shè)計(jì)室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)在上電工作時(shí)，首先根據(jù)程序進(jìn)行系統(tǒng)以及各個(gè)模塊的初始化，然后核心控制器利用定時(shí)中斷程序進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并通過A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)控制器根據(jù)數(shù)據(jù)比擬和處理程序進(jìn)行對數(shù)據(jù)分析，并通過顯示程序和串口通訊程序?qū)?shù)據(jù)顯示到上位機(jī)的監(jiān)控界面和LCD1602顯示器上，最后根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，以此來改善室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量。系統(tǒng)的總體程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1監(jiān)控系統(tǒng)的主體程序流程圖4.2系統(tǒng)定時(shí)采集數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是室內(nèi)環(huán)境中的溫度、濕度、苯含量和TVOC含量4種數(shù)據(jù)，其采集數(shù)據(jù)程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2定時(shí)數(shù)據(jù)采集中斷程序流程圖數(shù)據(jù)采集程序首先需要將定時(shí)器進(jìn)行初始化，即設(shè)置定時(shí)器的初值、定時(shí)方式和類型，然后將定時(shí)中斷和總中斷開關(guān)翻開，這樣定時(shí)中斷就開始工作了。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)設(shè)定值時(shí)，核心控制器會產(chǎn)生中斷通過4路的A/D轉(zhuǎn)換通道來采集各個(gè)傳感器傳送過來的信號，采集完成后，中斷返回，系統(tǒng)正常運(yùn)行。該數(shù)據(jù)采集程序是依據(jù)定時(shí)器反復(fù)循環(huán)工作的。4.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示程序的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以采集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和改善室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量，而且還可以顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集回來的的環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用LCD1602液晶作為顯示器，其顯示數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖4.3所示.圖4.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示程序流程圖LCD1602是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣型的液晶模塊，它有假設(shè)干個(gè)5x7或者5x11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。要想利用LCD1602顯示數(shù)字和字母，首先應(yīng)該應(yīng)用寫命令和寫數(shù)據(jù)等程序?qū)ζ湫阅堋舶@示的行數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸方式、有誤光標(biāo)、移動(dòng)方式等〕進(jìn)行設(shè)置，然后設(shè)置所要顯示位置以及內(nèi)容。4.4系統(tǒng)鍵盤掃描程序的設(shè)計(jì)為了節(jié)省控制器的I/O口，本次設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)采用CH452芯片設(shè)計(jì)鍵盤的驅(qū)動(dòng)電路。CH452是一個(gè)集成芯片，它不僅可以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，還可以最多驅(qū)動(dòng)64個(gè)按鍵，并通過串行通信方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的的鍵盤采用的是5*2的矩陣鍵盤，10個(gè)按鍵分別是KEY1、KEY2、KEY3、KEY4、KEY5、KEY6、KEY7、KEY8、KEY9、KEY10，其中前7個(gè)按鍵是對系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置，后3個(gè)按鍵分別是控制系統(tǒng)液晶顯示器上顯示的內(nèi)容，即時(shí)間、溫度和濕度數(shù)值、有害氣體的含量值。其設(shè)計(jì)的鍵盤掃描程序流程圖如圖4.4所示。圖4.4鍵盤掃描程序流程圖4.5系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理以及控制輸出程序的設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集后，核心控制器就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和比擬，并根據(jù)數(shù)據(jù)比擬的結(jié)果來對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使相對應(yīng)的電器工作來改善室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量。其程序流程圖如圖4.5所示。圖4.5系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及控制輸出程序流程圖系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理中，將4種數(shù)據(jù)分別與其正常范圍值進(jìn)行比擬，并執(zhí)行相對應(yīng)的控制，該4種控制是并列同時(shí)進(jìn)行的，具體控制如下：溫度數(shù)據(jù)的處理：當(dāng)采集的溫度數(shù)據(jù)未超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行控制輸出；當(dāng)采集的溫度數(shù)據(jù)低于正常范圍時(shí)，系統(tǒng)會控制電熱絲和吹風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，使室內(nèi)溫度上升；當(dāng)采集的溫度數(shù)據(jù)高于正常范圍時(shí)，系統(tǒng)會控制排氣扇和吹風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，使室內(nèi)溫度降低。濕度數(shù)據(jù)的處理：當(dāng)采集的濕度數(shù)據(jù)未超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行控制輸出；當(dāng)采集的濕度數(shù)據(jù)低于正常范圍時(shí)，系統(tǒng)會控制加濕器工作，增加室內(nèi)的濕度；當(dāng)采集的濕度數(shù)據(jù)高于正常范圍時(shí)，系統(tǒng)會控制排氣扇和吹風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，使室內(nèi)相對濕度降低。苯含量和TVOC含量數(shù)據(jù)的處理：當(dāng)采集的苯含量數(shù)據(jù)或TVOC含量數(shù)據(jù)未超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行控制輸出；當(dāng)采集的苯含量數(shù)據(jù)或TVOC含量數(shù)據(jù)高于正常范圍時(shí)，系統(tǒng)會控制排氣扇和吹風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，使室內(nèi)空氣中的苯和TVOC快速排除，改善空氣質(zhì)量。4.6系統(tǒng)時(shí)鐘應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的溫度和濕度正常范圍設(shè)定值是根據(jù)季節(jié)的變化而變化的，因此需要一個(gè)時(shí)鐘模塊來記錄當(dāng)前的時(shí)間。系統(tǒng)采用的是DS1302時(shí)鐘模塊，控制該模塊的程序流程圖如圖4.6所示。圖4.6系統(tǒng)時(shí)鐘應(yīng)用程序流程圖在使用時(shí)鐘模塊時(shí)，控制器先對DS1302時(shí)鐘模塊進(jìn)行初始化和時(shí)間校準(zhǔn)和設(shè)定，這樣系統(tǒng)的時(shí)間就會正常工作了。系統(tǒng)可以通過I2C總線的方式與DS1302傳輸數(shù)據(jù)，從而能讀取當(dāng)前的時(shí)分秒和年月日。4.7系統(tǒng)報(bào)警程序的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)具有報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常或者所測的環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)就會自動(dòng)報(bào)警，到達(dá)告知正在室內(nèi)環(huán)境工作、學(xué)習(xí)的人們。系統(tǒng)報(bào)警程序流程圖如圖4.7所示。圖4.7系統(tǒng)報(bào)警程序流程圖系統(tǒng)的報(bào)警局部由蜂鳴器和LED燈兩個(gè)報(bào)警器件組成，稱為聲光報(bào)警，其程序共分為5種報(bào)警，分別是數(shù)據(jù)處理異常報(bào)警、溫度異常報(bào)警、濕度異常報(bào)警、苯含量超標(biāo)報(bào)警和TVOC含量超標(biāo)報(bào)警。數(shù)據(jù)處理異常的報(bào)警：當(dāng)系統(tǒng)核心程序在處理數(shù)據(jù)過程中發(fā)生數(shù)據(jù)溢出等未知錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)就會通過LED1和蜂鳴器報(bào)警1分鐘。溫度低于或高于正常范圍的報(bào)警：溫度數(shù)據(jù)的處理結(jié)果經(jīng)過系統(tǒng)核心控制程序分析之后，其數(shù)值如果不在正常范圍，那么系統(tǒng)就會通過LED2和蜂鳴器來報(bào)警1分鐘。濕度高于或低于正常范圍的報(bào)警：濕度數(shù)據(jù)的處理結(jié)果經(jīng)過系統(tǒng)核心控制程序分析之后，其數(shù)值如果或高于或低于正常范圍，那么系統(tǒng)就會使LED3和蜂鳴器工作進(jìn)行報(bào)警1分鐘。苯含量超標(biāo)的報(bào)警：采集的苯含量數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值經(jīng)過比擬后，如果采集的苯含量數(shù)值大于設(shè)定值，說明室內(nèi)苯含量已經(jīng)會危機(jī)到人體健康，此時(shí)系統(tǒng)就會自動(dòng)報(bào)警1分鐘，即LED4和蜂鳴器同時(shí)工作。TVOC含量超標(biāo)的報(bào)警：系統(tǒng)通過傳感器檢測出室內(nèi)的TVOC含量，并將其與預(yù)設(shè)的正常范圍值相比擬，如果大于預(yù)設(shè)值系統(tǒng)就會啟動(dòng)LED5和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。4.8VB監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)除了在下位機(jī)上有人機(jī)信息交換界面之外，還具有上位機(jī)的人機(jī)監(jiān)控界面，其上位機(jī)就是PC機(jī)。在PC機(jī)上應(yīng)用VB軟件設(shè)計(jì)出的人機(jī)監(jiān)控界面如圖4.8所示。圖4.8上位機(jī)的人機(jī)監(jiān)控界面示意圖該界面是一個(gè)在PC機(jī)上運(yùn)行的可執(zhí)行程序，它是采用VB軟件編程和設(shè)計(jì)的，并通過RS-232的串口通訊方式來與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和交換，工作人員可以通過此軟件在主控室中就能了解所監(jiān)控的室內(nèi)環(huán)境的狀態(tài)，也能控制監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。監(jiān)控界面包括數(shù)據(jù)顯示區(qū)和控制工作區(qū)兩個(gè)主要局部。數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要可以實(shí)時(shí)地顯示出采集的室內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、苯含量、TVOC含量、當(dāng)前的時(shí)間、季節(jié)、星期和系統(tǒng)報(bào)警狀態(tài)等信息?？刂乒ぷ鲄^(qū)主要的部件是按鈕，這些按鈕的作用有的和下位機(jī)的鍵盤一樣可以設(shè)置時(shí)間和控制LCD液晶顯示的內(nèi)容，有的按鈕具有控制監(jiān)控界面系統(tǒng)的運(yùn)行、暫停和去除數(shù)據(jù)等作用。第5章結(jié)論本次的設(shè)計(jì)是室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，它的主要功能是可以檢測和控制室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度和室內(nèi)空氣中的苯含量、TVOC含量，使室內(nèi)的環(huán)境一直處于良好的狀態(tài)，從而不影響室內(nèi)人員的身體健康。系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為核心控制器，采用單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)局部，通過這兩個(gè)局部，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行并能完成設(shè)計(jì)要求的功能。系統(tǒng)的硬件局部包括最小核心控制系統(tǒng)、4路傳感器數(shù)據(jù)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD1602液晶顯示電路、時(shí)鐘電路、鍵盤電路、環(huán)境指標(biāo)異常報(bào)警電路、控制輸出機(jī)構(gòu)電路、串口通信電路、電源電路等幾個(gè)主要局部。系統(tǒng)的軟件局部包括一個(gè)主程序和很多子程序，如定時(shí)中斷數(shù)據(jù)采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、鍵盤掃描程序、液晶顯示程序、數(shù)據(jù)處理和比擬程序、串口通信程序、控制輸出程序等。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)可以實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：〔1〕實(shí)時(shí)地檢測室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、苯含量和TVOC含量；〔2〕能在LCD1602上顯示出時(shí)間、溫度、濕度等環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)數(shù)值；〔3〕可以將數(shù)據(jù)處理和比擬，并根據(jù)數(shù)據(jù)的異常情況，執(zhí)行控制方案，如使吹風(fēng)機(jī)、排氣扇、加濕器。電熱絲等執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作；〔4〕可以應(yīng)用時(shí)鐘模塊識別出當(dāng)前時(shí)間和季節(jié)，并應(yīng)用在數(shù)據(jù)處理中；〔5〕通過串口通信與上位機(jī)〔PC機(jī)〕傳輸數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)可以顯示在監(jiān)控界面上。該系統(tǒng)雖然在理論運(yùn)行中，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，但是仍存在一些的缺乏方面：〔1〕該系統(tǒng)采用的是8位的單片機(jī)作為核心控制器，在運(yùn)算速度上不是很快，影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和運(yùn)行速度，而且單片機(jī)的I/O口很少，不是很充足。如果選用16位的單片機(jī)，系統(tǒng)的運(yùn)行速度會有很大的提高，I/O數(shù)據(jù)口也很多，解決了缺少I/O的煩惱；〔2〕本設(shè)計(jì)選擇的傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器的精度一般，檢測出來的數(shù)據(jù)會有一些偏差；〔3〕系統(tǒng)的程序是采用C語言進(jìn)行編寫的，雖然程序設(shè)計(jì)的思路清晰，但是沒有匯編語言編譯出來代碼效率高。在下一步工作中，應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化C語言的程序，使其工作效率提高。參考文獻(xiàn)[1]呂俊亞.一種基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)仿真[J],2023,9(7):230-233.[2]黃仕凰,劉政.基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)研究與探索[J],2023,31(6):87,88.[3]于浩令.北方冬季室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息.2023(26):33,272.[4]羅云松,李丹.基于單片機(jī)AT89C51的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國科技信息.2023(12):174-175.[5]李天山.基于MSP430單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].濱州學(xué)院學(xué)報(bào),2023,28(3):92-95.[6]張準(zhǔn),陳良旭,韋中超.基于單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串口的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2023,35(16):17-19,29.[7]許亮,刁修睦,周輝軍,李淑霞.基于MSPF149的無線環(huán)境傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國外電子元器件,2006(12):4-7.[8]ZhaoYujiao,LiAngui,GaoRan,TaoPengfei,ShenJian.Measurementoftemperature,relativehumidityandconcentrationsofCO,CO2andTVOCduringcookingtypicalChinesedishes.EnergyandBuildings,2023,69:544-561.[9]段曉麗.一種基于單片機(jī)的甲醛濃度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2023(11):14-15.[10]仝慶華.基于單片機(jī)的甲醛監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)[J].山西大同大學(xué)報(bào)〔自然科學(xué)版〕,2023,27(2):20-22.[11]山璐.基于單片機(jī)的甲烷自動(dòng)檢測報(bào)警系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊.2023(01):175-177.[12]周冬梅,王振國.基于51系列單片機(jī)的無線環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)與制作[J].自動(dòng)化與儀器儀表.2023(2):55-58.[13]陳杰,楊慕升.基于MSP430單片機(jī)的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào).2023,32(2):61-64.[14]晁陽,張爭剛,熊剛.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2023,10(1