1、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
2、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
3、 显示电路；室内环境监测Title The design of indoor environmental intelligent monitoring system based on the Single Chip MicrocomputerAbstractWith the development of society, the improvement of science and technology, the continuous optimization of production and life, peoples living standards have been improved
4、, so people have begun to pay more attention to the indoor environment. Residence is not only the place of family party and life, but also an important material guarantee of peoples lives. But with the wanton use of decoration materials and daily necessities, the hidden danger of the living environm
5、ent is greatly improved. Indoor environment pollution has become one of the serious killer on the modern human health, impacting on peoples production and life. Therefore, it is particularly important to monitor the indoor environment, not only to be sensitive to detect the concentration of harmful
6、gases, but also with alarm function, it can always remind the danger. At present on the market also has a lot of indoor environmental monitoring instrumentation, but most of its high price and function relative to a single limited. Therefore there is a great need for comprehensive monitoring of indo
7、or temperature and humidity and harmful gas intelligent system.This design mainly uses the following several aspects of the function:1 The single chip microcomputer and the temperature and humidity, gas sensor are connected to achieve real-time collection and reading room temperature and humidity va
8、lues as well as monitoring the gas concentration, to achieve the desired results.2 The design of display circuit is completed by using LCD.3 Using buzzer alarm function, when the gas concentration and temperature and humidity value exceeds the set standard value, realize the automatic alarm function
9、.4 When the temperature and humidity are out of limit, the LCD monitor can prompt and combined with the light emitting diode warning, when the gas concentration exceeds the limit, the light emitting diode is used to alarm.Key words: MCU; Sound and light alarm; LCD; Indoor environment monitoring目 次1
10、绪论 .11.1 研究背景 .11.2 室内环境智能监测系统现状 .11.3 设计目的及内容 .22 系统设计方案论证以及总体框架设计 .32.1 设计方案论证 .32.1.1 单片机模块的选择及论证 .32.1.2 温湿度监测模块选择与论证 .32.1.3 煤气监测选择与论证 .42.2 总体硬件电路框架 .43 硬件系统设计与连接 .63.1 温湿度检测模块设计 .63.2 A/D 转换器 .73.3 燃气监测模块设计 .73.3.1 MQ-5 传感器 .73.3.2 燃气监测模块设计 .93.4 AT89S52 单片机时钟电路 .93.5 AT89S52 单片机复位电路 .103.6 显
11、示电路设计 .103.7 报警模块设计 .114 系统软件设计 .124.1 编程语言选择 .124.2 程序设计流程 .124.2.1 温湿度测量模块 .124.2.2 燃气监测模块 .135 系统调试 .15总 结 .17致 谢 .18参 考 文 献 .19附录一 .20附录二 .2111 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
12、。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 18.523.6， 健 康 湿 度 范 围 是 45 65RH， 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
13、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
14、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2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
15、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
16、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。32 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 CMOS 8 位微处理器，
17、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 CMOS 8 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，
18、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，AT89S
19、52 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4接电路。它具有较好的实用性和稳固性，有效的
20、温度范围是 050，测量准确度是 5%，湿度的范围是 20%RH90%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 3.35.5V DC，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
21、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
22、。SnO 2 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5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：A T 8 9 S 5 2温湿度传感器接口电路煤气传感器数码管显示电路报警装置A / D 转换器图 2.1 系统流程总图
