1、家居环境数据的采集系统的设计本科学生毕业设计 家居环境数据采集系统的设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 黑 龙 江 工 程 学 院 二一二年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Design of Data Acquisition System of Home Scene Candidate： Specialty： Measurement - Control Technology and Instrumentation Class： Supervisor： Heilongjiang Institute o
2、f Technology 2012-06Harbin 摘 要 室内空气污染是指由于各种原因导致的室内空气中有害物质超标，进而影响人体健康的室内环境污染行为，是日益受到重视的人体危害之一。进入20世纪中叶以来，由于民用燃料的消耗量增加、进入室内的化工产品和电器设备的种类和数量增多，更由于为了节约能源寒冷地区的房屋建造得更加密闭，室内污染因子日渐增多而通风换气能力却反而减弱，这使得室内有些污染物的浓度较室外高达数十倍以上。因此，室内空气质量的好坏与人们的关系尤为重要。本设计通过使用温湿度传感器ZHT11采集温度和湿度信号，甲烷传感器MQ-5采集模拟信号，通过A/D转换电路将采集的模拟信号转为数字信
3、号后，送给单片机AT89S52，再由单片机对信号进行处理，最后由显示电路显示结果，如果测量值超出预设值，则报警电路实时报警，从而实现对室内温度、湿度、甲烷气体的监测，为人们的身体健康提供保障。关键词：甲烷传感器；单片机；报警；显示；A/D转换器.ABSTRACTIndoor air pollution is to because all causes of harmful substances in the indoor air exceeds bid, affect human body health of the indoor environment pollution act, it i
4、s more and more attention of one of the human body harm. Since the middle of the 20 th century, because civil fuel consumption increase, enter indoor chemical products and electrical equipment type and quantity increased, in order to save energy more due to cold region built more airtight, indoor po
5、llution factor the growing number and ventilated take a breath, instead of ability to abate, this makes indoor some pollutants concentration as high as 10 times higher than the outdoor above. Therefore, indoor air quality stand or fall and the relationship between people is particularly important.Th
6、is design through the use of temperature and humidity sensor ZHT11 acquisition A digital signal, methane sensor MQ-5 acquisition analog signals, through the A/D converter circuit will acquisition of the analog to digital signal, gave monolithic integrated circuit AT89S52, another single chip microco
7、mputer to signal processing, the last show results by show circuit, real time warning alarm circuit, so it can realize the indoor temperature, humidity, methane gas monitoring, on peoples physical health provided protection.Key words: CH4 Sensor；MCU；Alarm；Display；A/D Converter 第1章 引 言 1.1 概述 数据采集及其应
8、用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。美国已将室内空气污染归为危害公共健康的5大环境因素之一。室内是人们接触最频繁的环境，人们约有80%以上的时间在室内度过，室内空气质量（IndoorAir Quality IAQ）的优劣直接关系到每个人的健康。据医学研究可知，一个成年人平均呼吸次数为1015/min，每次需要0.5升空气，以平均70岁寿命来计算，每个人一生要用27万立方米空气。这些空气进入人体内，在总表面积为6080平方米的肺泡里，经物理扩散进入体内交换。因此，在如此长的暴露时间、如此大的接触面积下，室内空气质量的优劣对人们身心健康的影响是非
9、常大的。中国标准化协会联合医学专家组调查结果也显示，68%的疾病由室内环境污染造成，室内环境污染程度高出510倍，目前中国每年由室内空气污染引起的超额死亡数已经达到111万人，超额急诊数达430万人次。2003年的春天，一场突如期来的“非典”使人们更加认识到：关注和改善室内环境、杜绝和防止室内环境污染，已经不仅是为了提高人们的质量问题，而是直接关系到人民群众的身体健康和生命安全，直接关系到改革发展的稳定大局，直接关系到国家的经济发展和民族的振兴。1.2 设计意义 室内空气污染是指由于各种原因导致的室内空气中有害物质超标，进而影响人体健康的室内环境污染行为。有害物包括甲醛、苯、氨、放射性氡等。随
10、着污染程度加剧，人体会产生亚健康反应甚至威胁到生命安全。是日益受到重视的人体危害之一。进入20世纪中叶以来，由于民用燃料的消耗量增加、进入室内的化工产品和电器设备的种类和数量增多，更由于为了节约能源寒冷地区的房屋建造得更加密闭，室内污染因子日渐增多而通风换气能力却反而减弱，这使得室内有些污染物的浓度较室外高达数十倍以上。人们每天平均大约有80%以上的时间在室内度过。随着生产和生活方式的更加现代化，更多的工作和文娱体育活动都可在室内进行,购物也不必每天上街,合适的室内微小气候使人们不必经常到户外去调节热效应，这样，人们的室内活动时间就更多，甚至高达93%以上。因此，室内空气质量对人体健康的关系就
11、显得更加密切更加重要。虽然，室内污染物的浓度往往较低，但由于接触时间很长，故其累积接触量很高。尤其是老幼病残等群体抵抗力较低、户外活动机会更少，因此，室内空气质量的好坏与他们的关系尤为重要。 要求能够采集家居环境的各种数据，包括温湿度，甲醛等，并自动处理和显示，如果测量数值超出要求，能实现报警功能。家居环境系统采集在设计会为人们及时的发现室内的空气质量，并及时的做出相应的应对方法，来保证人们的身体健康，从而提高国民的身体素质。1.3国内外现状最近几年，国内外温湿度传感器测量系统正向着集成化、智能化发展，随着科研人员的不断努力，该类型系统取得的巨大的成就。在测试气体方面，美国Interscan公
12、司产品甲醛检测仪、美国ESC公司生产的Z-300甲醛检测仪、英国TSI公司生产的PPM 400TM甲醛检测仪、德国生产的TG2000系列固定式有害气体检测仪、国内江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪XP-308、长春吉打小天鹅有限公司生产的全自动室内空气甲醛、氨测定仪等，这些仪器可以准确测定甲醛、苯、氨等有害气体，但是设备昂贵（如日本生产甲醛测定仪约三十万日元、英国TSI公司生产的PPM400TM甲醛仪约一万多元），测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定（如英国TSI公司生产的PPM400TM甲醛仪），需要专业人员进行操作，很难连续测定
13、，适用于专业检测机构或实验研究机构。目前，许多外国大型企业都很重视传感器的研发工作，例如，日本的Figaro公司、芬兰的Vaisala公司等，都致力于传感器的发展和完善，以保障其在整个销售市场的竞争力。在九十年代，先后出现了集成温度湿度测量套件和应用于湿度传感器的测试系统，这个新技术的产生都大大刺激了传感器的进一步发展。与此同时，国内许多机构也在传感器测试装置的研发上不断探索、研发。例如通过采用传统电子仪器进行设计研发而成的多种动态测试系统、动进样装置的气体传感器智能测试系统等等，这些成绩都体现了我国在传感器领域取得的成就。当然，随着科技的进步，传统的温湿度测试技术在稳定性、精度等方面已经无法
14、满足市场的需求，因此，针对新一代传感器的探究显得尤为重要。近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是
15、微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求
16、，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。1.4 本设计研究的主要内容 本设计为家居环境数据采集系统的设计。本设计以单片机为中心，有温湿度传感器、甲烷传感器采集信号。经过信号处理及A/D转换电路得到信号。该脉冲信号交给单片机进行计算最终显示在显示电路上，并且在超过设定的正常值时，驱动蜂鸣器报警。本设计主要分为四章进行全面阐述。第一章为绪论，简要介绍了家居环境数据采集系统的设计的意义，与国内外的发展的现状。 第二章主要介绍了总体的设计方案与具体的器件的介绍。第三章是本设计核心。在这里给出了整体的硬件电路设计思路，并且对电路的各个部分进行分析与解释。第四
17、章叙述程序的编程方案，给出程序的框架结构图并对设计进行总结，并对以后的设计工作进行展望。第2章 整体方案分析2.1总体设计框图本次设计的检测系统主要由单片机控制电路，温湿度检测电路，甲烷检测电路，单片机，A/D转换电路和外围电路组成。首先，甲烷检测电路将检测点的数据检测出来，然后将模拟信号送至A/D转换电路进行转换，同时温湿度传感器也检测出数据，再将A/D转换后的数字信号和温湿度传感器输出信号送给单片机处理，通过单片机进行数据比较分析，把实时数值送到显示电路进行显示。当高于或低于规定数值时，单片机发出指令，同时报警。由键盘电路可改变预设的湿度范围，从而根据季节和时间等具体需要对气体检测系统控制
18、的湿度范围进行调节，总体设计框图如图2.1所示。图2.1 总体设计框图2.2要求（1）通过温湿度传感器、甲烷传感器采集信号，设计检测电路，通过显示电路来显示数据。（2）数据超过设定值时驱动蜂鸣器报警。2.3方案的对比和论证根据题目的要求系统模块可基本划分为：按键模块部分、显示模块部分、温湿度传感器部分、甲烷传感器部分、单片机部分。为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案进行论证。2.3.1按键模块的选择方案一：查询键盘是较为常用的一种键盘接口方式，电路简单，查询程序简单，具有很好的稳定性。但是每个按键必须对应一个I/O端口，在设计系统时，如果需要的按键不多，而且多余的I/O端口数目大于需
19、求的按键数目，则可以采用查询键盘。反之则不然。方案二：在前面所说的程序查询方式下，键盘独占CPU，其他设备不能得到及时响应。利用定时查询，可以分时响应各设备的请求。综上所述，基于功耗和效率等方面的考虑，本设计选择方案二。2.3.2显示模块的选择方案一：采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见,价格便宜，而且在高亮显示和较远距离读数均清晰。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，特别是其价格相对较高。方案三：采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格适中，对于显示数字
20、最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。综上所述，LCD数码管价格适中，且具有显示大量文字、显示多样、清晰可见等优点，故选择LCD数码管作为本设计的显示器。2.3.3温湿度传感器的选择方案一：DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的温湿度传感和数字模块采集技术，具有很高的稳定性和可靠性，作为一个数字温湿度传感器DHT11具有响应快速、抗干扰强、性价比高等优点。方案二：湿度传感器传感器HS1101，由独特的工艺设计，它是频率输出模块，适用于低温及露点测量需要场合，但价格昂贵。数字温度传感器DS18B20，支持多点组网功能，适用于
21、多种狭小空间设备数字测温和控制领域。综上所述，由于DTH11具有独立的数字输出并且能同时输出温度和湿度信号，以及成本低具有很高的稳定性与可靠性等优点，故选DTH11作为本设计的温湿度传感器。2.3.4甲烷传感器的选择方案一：甲烷传感器MQ-2，它具有信号输出指示，双路信号的输出，对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。具有长期的使用寿命和可靠的稳定度，快速的响应恢复特性，试用与家庭或工厂的气体泄漏监测装置。方案二：GQQ0.1传感器主要用于煤矿井下橡胶、煤尘等因摩擦起热或其它原因产生的气体进行监测。本传感器只能在无显著摇动和冲击振动的地方，在无足够以腐蚀金属和破坏绝缘的气体和蒸汽的环境中，在
22、无滴水及液体浸入的地方。综上所述，MQ-2甲烷传感器的寿命长，可靠的稳定度，快速的响应恢复特性，具有信号输出指示，双路信号的输出。所以本设计采用MQ-2作为甲烷传感器。2.3.5单片机的选择单片机的选择主要是在AT89C2051和AT89S52之间做选择。1、AT89S52单片机AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8K的系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上的Flash允许程序存储在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S5
23、1在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。2、AVR单片机 AVR单片机是高速嵌入式单片机，有与取指令功能。多累加器型，数据处理快，具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行。中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。另外，AVR单片机保密性能好。它具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。综上所述，本设计采用AT89S52单片机为本论文的单片机。2.4本章小结本章主要介绍了单片机、温湿度传感器、甲烷传感器、按键模块、显示模块的选择。本设计首先给出了最终的设计方案和硬件框图，并且单片机芯片型号采用
24、的是AT89S52。第3章 家居环境数据采集系统的硬件电路设计3.1单片机本次设计选用AT89S52单片机。AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8KB的系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上的Flash允许程序存储在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。此次设计所使用的AT89S52 的封装形式是DIP。DIP管脚图如图3.1 所示。图3.1 DIP管脚图引脚按其功能可分为如下3
25、类： 1、电源及时钟引脚(1)电源引脚VCC：5V电压。GND：接地。(2)外接晶体引脚XTAL1：接外部晶体振荡器的一端。当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容；当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接地；对于CMOS单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2：接外部晶体振荡器的另一端，当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容。当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接外部振荡源；对于CMOS单片机，此引脚悬空不接。AT89S52晶体振荡器频率可在6MHz40MHz之间选择，常选6MHz或12MHz的石英晶体。电容的值没有严格要求，但其
26、取值对振荡器的频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2可在20pF100pF之间选择。当外接晶体振荡器时，电容可选30pF10pF；外接陶瓷振荡器时，电容可选40pF10pF。2、控制引脚：复位端。当输入的复位信号持续2个以上机器周期(个晶体振荡周期）高电平即为有效，用于完成单片机的复位初始化操作。正常工作时，此脚电平应 0.5V。在VCC发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源VPD（电源范围5V0.5V），由VPD向内部RAM供电，以保持内部RAM中的数据。：地址锁存使能。ALE（Address Latch Enable）；PROG（Program）为CP
27、U访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。引脚第二功能，对片内 Flash编程，为编程脉冲输入端。：（Programmer Saving ENable），外部程序存储器读选通信号。在读外部程序存储器时有效（低电平），以实现外部程序存储器单元的读操作。在访问外部数据存储器、访问内部程序存储器时无效。：（Enable Address/Voltage Pulse of Programming），访问程序存储控制信号。当“0”时，表示读外部程序存储器。只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000HFFFFH（64KB），片内的8KB Fla
28、sh 程序存储器不起作用。当“1”时，表示对程序存储器的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KB Flash存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但当PC值超出0FFFH （即超出片内4KB Flash地址范围）时，将自动转向读取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。对于EPROM（或FLASH）型单片机，在EPROM编程期间，此引脚需加12.75V或21V的编程电压。3、I/O口引脚P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的
29、方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。Pl口：P1是个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3口：可以作为
30、输入/输出口，外接输入/输出设备。作为第二功能使用，每一位功能定义如表3.1所示。 表3.1 P3口的第二功能端口引脚 第二功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0(外中断0)P3.3 INT1（外中断1）P3.4 T0（定时/计数器0）P3.5 T1（定时/计数器1）P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 单片机外围电路包括复位电路和振荡电路。本设计采用自激荡方式，使内部振荡器按照石英晶振的频率振荡产生时钟信号。单片机处理电路如图3.2所示。石英晶振选择频率为11.0592MHz，电容选择30pf。经计算得单片机
31、工作机器周期为：11.0592(1110592M)=1us。时钟电路工作后，在RST管脚上加两个机器周期（12个晶振周期）以上的高电平，芯片内部开始进行初始复位。图3.2 单片机最小系统电路图3.2甲烷传感器电路本设计中采用的MQ-2型半导体可燃气体敏感元件甲烷传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。MQ-2型半导体可燃气体敏感元件甲烷传感器具有灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本
32、较低等优点。因此，本设计采用MQ-2气体传感器作为报警器甲烷信息采集部分的核心。MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当他处于200300温度时，二氧化锡吸附了空气中的氧，从而形成氧的负离子吸附，使得半导体中的电子密度减小，从而使其电阻值增加。当与甲烷接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该气体的调制而变化，此时就会引起表面电导率的变化。利用这一点，MQ-2型甲烷传感器就可以获得这种甲烷存在的信息。遇到可燃CH4时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有CH4时
