1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 PC 机的环境监控系统研究 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 随着社会的发展，人们对于环境质量的要求越来越高。因而人们设计了一些环境监控系统，对生活有很大的影响和帮助。 本系统设计 一个基于 PC 机的环境监控系统。通过采集周边环境的温度、光照强度、声音以及湿度等一些环境因素，并且进行信号转换，通过单片机的简单处理和与 PC 机的串口通信，从而在 PC 机显示器上直观的显示环境参数和一些统计分析。本系统采用 STC12C5410AD 单片机作为核心芯片，通过不同的传感器结合硬件电路来实现
2、温度、湿度、噪声、光照强度等环境参数的检测。整个系统通过串口通信来实现单片机与 PC 机的通信。在 PC机中利用 VB 软件编写串口通信程序和显示界面，从而实现 PC 机对一些环境因素的处理和显示。 通过该研究设计的环境监控系统，人 们能对周边生活环境进行实时的监控。并且本设计研究的环境监控系统具有成本低，实用性高的特点。 关键词： 环境监控；信号转换； PC 机显示处理 - 2 - Abstract With the development of society, people for environmental quality demand more and more. So people
3、 design some of the environmental monitoring system for life, have great influence and help. This system design a PC environment monitoring system.Through collecting the temperature of the surrounding environment, light intensity, sounds and humidity, and some environmental factors by MCU, signal co
4、nversion simple processing and with a PC, thus of serial communication in PC display intuitive display parameter-setting and some statistical analysis.The system USES the STC12C5410AD microcontroller as the core chip, through different sensors combined with hardware circuit to achieve the temperatur
5、e, humidity, noise, light intensity and other environmental parameters testing.The whole system is realized through serial communication microcontroller and PC communications. In PC using VB writing software serial communication procedures and display interface, so as to realize the PC for some envi
6、ronmental factors handling and display. Through the study of environmental monitoring system design, can people living environment for peripheral real-time monitoring. And this design research environment monitoring system has low cost, practical high characteristic. Key Words: Environment monitorin
7、g; Signal conversion;PC display management - 3 - 目 录 1 引言 . 1 2 总体设计 . 2 3 硬件设计 . 3 3.1 单片机主控电路设计 . 3 3.1.1 串口通信电路 . 6 3.2 数据采集部分电路 . 8 3.2.1 声音采集部分电路 . 8 3.2.2 温度采集部分电路 . 9 3.2.3 电压采集电路 . 11 3.2.4 光照强度检测电路 . 12 4 软件设计 . 14 4.1 总体程序 . 14 4.2 AD 采集部分 . 15 4.2.1 AD 初始化程序 . 16 4.2.2 串口初始化 . 17 4.3 PC 上
8、位机软件 . 18 5 制作和调试 . 23 6 结论 . 24 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 25 附录 1 系统实物图 . 26 附录 2 毕业设计作品说明书 . 27 - 1 - 1 引言 在人类社会经济快速发展 的同时 ,我们的生存环境却由于遭受过度地破坏而日益恶化 ,保护环境已成为人类共同关心的话题。近年来 ,随着计算机技术、Internet 通信网络的发展 ,基于网络的环境监控系统开始在环境保护中被广泛应用。可靠的环境污染源监控系统是政府部门从源头遏止污染的有效手段 ,是生态环境可持续发展的可靠保障。 环境监控系统的监控目标具有多样性。 伴随着社会经济以及科技的发
9、展，人们对于自身的健康问题越来越注重了，现在就具有了城市人口往乡镇转向的现况。由于城市工业的发展，特别是重工业，同时导致了环境污染的严重性，以至于人们长期处于污染 严重的环境下会引发各类疾病，对人体的健康构成了严重的威胁。 环境监控系统的研究设计对于现今社会的发展是不可缺少的，而且必须进行，而随着社会的不断发展，不断进步，人们就更不可缺少关于环境监控方面的设备及理论知识的应用。 本文提出了一种多路环境检测系统的设计方法，通过单片机结合 PC 机来实现多路信号的采集、处理和显示。通过对设计的实践制作调试和验证，效果良好，具有一定的实用性，并且有广泛的应用前景。 - 2 - 2 总体设计 系统包括
10、 STC12C5410AD 单片机，声音采集模块，温度采集模块，光照采集模块，电压采集模块 ， PC 机等，如图 2-1 所示。该系统主要实现将环境温度、声音、光照等因素通过单片机的处理在 PC 机上显示出数字信息，从而判断环境的变化。其中单片机主要实现的功能是将由采集模块采集到的模拟信号进行转换，使之转换成数字信号，并且通过串口通信和 PC 机实现数据交换，以便于在PC 机显示面上可以直观的显示测量数据。 图 2-1 总体设计图 电源 按键控制 STC12C5410AD 单片机 串口通信 MAX232 PC 机 AD0 AD2 AD3 AD4 电压 温度 声音 光照 - 3 - 3 硬件设计
11、 本系统硬件主要有五大模块组成：主控部分、数据采集部分、串口通信部分、按键控制部分 和电源部分。 3.1 单片机主控电路设计 本系统主要是采用单片机作为主控芯片，结合外部硬件电路来实现总体的功能。市面上微处理器种类很多，常用单片机有 PIC 单片机、 AVR 单片机、 51 单片机、 MPS430 单片机还有很多台系的单片机等；还有 FPGA、 DSP、 ARM 处理器等。在本设计中，我们采用单片机足以满足控制要求。 首先 AVR 单片机功能比较多，具体为：具备 1MIPS / MHz 的高速运行处理能力；具有 32个通用工作寄存器，克服了如 8051 MCU 采用单一 ACC 进行处理造成的
12、瓶颈现象；快速的存取寄存器组、单周期指 令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号 FLASH 非常大，特别适用于使用高级语言进行开发；作输出时与 PIC 的 HI/LOW 相同，可输出 40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备 10mA-20mA 灌电流的能力；片内集成多种频率的 RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠 1。 其次 PIC 单片机抗干扰性能比较好。 PIC 的特点是：不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求； 精简指令使其执行效
13、率大为提高；采用 PIC 的低价 OTP 型芯片，可使单片机在其 应用程序开发 完成后立刻使该产品上市； PIC 有优越开发环境；其引脚具有防瞬态能力 ,通过限流电阻可以接至 220V 交流电源 ,可直接与继电器控制电路相连 ,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便；彻底的保密性；睡眠和低功耗模式。 台湾系列的单片机主要有义隆单片机、合泰单片机，其性价比很高，但是主- 4 - 要是 OTP 类型的，一次性编程的。所以在不熟 悉单片机程序的情况下不是很方便进行程序调试。 而 ARM 有很多种类型，该款单片机的优点大致为处理速度很快。其特点可具体为：所需的内存容量要求非常小；并且 ARM 单片机由
14、于集成了类似于 ICE 的CPU 内核调试技术，所以 ARM 的原型设计、系统芯片的调试得到了极大的简化；ARM 的市场价格很低，使用时所消耗的能源少，并且是进行封闭式包装的常规系统的微处理器； 通过以上一些微处理器功能及特点，结合大学里课程的按安排和对单片机的熟悉程序来定，本系统采用了 51核的单片机，具体型号是 STC12C5410AD 单片机，因为性价比高， 速度功能满足设计要求，而且有内部 10位的 AD，省去了外部 AD采集电路，而且编程容易上手。 STC12C5410系列单片机是高速 /低功耗的新一代 8051单片机 ，是 单时钟 /机器周期（ 1T）的兼容 8051内核单片机，内
15、部集成 MAX810专用复位电路 ， 全新的流水线 /精简指令集结构 。单片机的最小系统电路如下图 3-1所示。 P 2. 21P 2. 32R S T3R xd / P 3. 04T xd / P 3. 15X T A L 26X T A L 17I N T 0/ P 3. 28I N T 1/ P 3. 39T 0/ P 3. 410P W M 1/ T 1/ P 3. 511P W M 3/ P 2. 412P 2. 513G N D14P 2. 615P 2. 716P W M 0/ P 3. 717P 1. 0/ A D C 018P 1. 1/ A D C 119P 1. 2/ A
16、 D C 220P 1. 3/ A D C 321P 1. 4/ S S / A D C 422P 1. 5/ M O S I / A D C 523P 1. 6/ M I S O / A D C 624P 1. 7/ S C L K / A D C 725P 2. 0/ P W M 226P 2. 127V C C28U1S T C 12 C 54 10 A DV C CC910uFV C CY122 . 11 84 MC 1530PC 1630PP 2. 2P 2. 3R X DT X DI N T 0I N T 1P 3. 4P 3. 5P 2. 4P 2. 5P 2. 1P 2. 0P
17、 1. 7P 1. 6P 1. 5P 1. 4P 1. 3P 1. 2P 1. 1P 1. 0P 3. 7P 2. 7P 2. 6X2X1R S T12345678C O N 3C O N 8C 13按键图 3-1 单片机主控电路图 主控部分有 STC12C5410AD 单片机、 晶振电路、复位电路等组成。其中STC12C5410AD 单片机时采用 28 脚的，图 3-2 为 STC12C5410AD 单片机管脚图 。 - 5 - 图 3-2 STC12C5410AD 管脚图 以下简单介绍下此款单片机的主要性能特点。 STC12C5410系列单片机是高速 /低功耗的新一代 8051单片机 ，是
18、 单时钟 /机器周期（ 1T）的兼容 8051内核单片机，内部集成 MAX810专用复位电路 ， 全新的流水线 /精简指令集结构 2。 STC12C5410AD 单片机在 电压 为 5.5V 3.4V 时进行工作，该 单片机的 工作频 率 范 围 为 0 35MHz ； STC12C5410AD 单 片 机 应 用 程 序 空 间12K/10K/8K/6K/4K/2K 字节 ， STC12C5410AD 单片机 通 过 I/O 口（ 27/23个），复位后为：准双向口 /弱上拉（普通 8051传统 I/O 口）可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏 。 S
19、TC12C5410AD 单片机 ISP（在系统可编程） /ASP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（ P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 2。 STC12C5410AD 单片机 通用异步串行口（ UART） ， SPI 同步通信口，主模式 /从模式 。 工作温度范围： 0 75 /-40 +85 2。 STC12C5410AD 单片机中包含中央处理器 、程序存储器（ Flash）、数据存储器（ RAM）、 EEPROM、定时 /计数器、 I/O 接口、 UART 接口和中断系统、 SPI接口、高速 A/D 转换模块、 PWM（或捕捉 /比较单元）以及硬件看门狗、电源
20、监控、片内 RC 振荡器等模块。可以说 STC12C5410AD 单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统（ SOC），可以很容易地构成典型的测控系统 2。 - 6 - 3.1.1 串口通信电路 环境监控系统是需要由采集模块采集环境中存在的环境因素，并且经过单片机主控部分进行信号的转换和简单处理，然后通过串 口将转换成的电信号传送到电脑 PC 机上，进行显示和处理。所以本系统中需要用到串口通信电路，具体如图 3-3 所示。 C 1 +1V S +2C 1 -3C 2 +4C 2 -5V S -6T 2 O U T7R 2 I N8R 2 O U T9T 2 IN
21、10T 1 IN11R 1 O U T12R 1 I N13T 1 O U T14G N D15V C C16M A X 2 3 21M A X 2 3 2162738495Q1D B 9C32 . 2 u FC42 . 2 u FC22 . 2 u FV C CC12 . 2 u FV C CR X DT X D图 3-3 串口通信部分电路 其中串口采用的是公头，由于电脑上也是公头，所以采用连个母头的数据线来进行连接。其中 MAX232 是电平转换芯片，其中外围的几个电容是数据手册上的电路匹配电容。 电脑跟单片机是通过 RS232 串口进行连接的 ，其中 RS232 接口是 1970 年由美
22、国电子工业协会（ EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（ DTE）和数据通讯设备（ DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。 该标准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替 DB25 的 DB9 接口，现在都把 RS232 接口叫做 DB93。 RS-232 是现在主流的串行通信接口之一。由于 RS232 接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：（ 1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与 TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连接。（ 2）传输速率 较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps；因此在“南方的老树 51CPLD 开发板”中，综合程序波特率只能采用 19200，也是这个原因。（ 3）
