基于单片机的家居空气质量监控系统

基于单片机的家居空气质量监控系统内容摘要：

虑，从而达到最优的性价比与未来升级换代的可能性。 具体说来 (1)在技术性方面 :以满足系统功能实现，可靠运行为目的，对单片机芯片引脚，功能进行考察，是否满足上述要求。 (2)在实用性方面 :对特定厂家特定市场生产的单片机产品进行调研，通过型号间的纵向比对以及不同产品间的横向比较，选择最合适的产品，保证系统可靠运行。 河北工程大学科信学院毕业设计说明书 5 （ 3）在开发性方面，着眼长远发展，选择的单片机类型能够满足未来升级换代的选择性，从而最大限度的满足经济性的条件。 本设计选用的 AT89C51 单片机芯片是美国 ATMEL 公司的产品。 AT89C51 是一种带 4K字节 FLASH 存储器 （ FPEAROM— Flash Progra1mmable and Erasaable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位 单片机，数据可重复擦除。 该器件 使用了 ATMEL 公司所研发的最先进的高密度存储制造技术，并可与工业级别的 MCS51指令集与阵脚所兼容。 正式因为以上优点， AT89C51 在不失工作性能与存储性能的同时更兼具了灵活与成本低廉等特点。 故而在控制领域得到了极其广泛的应用。 AT89C51 的芯片如图 所示。 图 AT89C51 的外观及针脚 温、湿度传感器的选型 在目前市场上众多的流行温度湿度传感器主要分为两种。 即分立式与集成式 :分立式传感器就是采用各自的温度检测探头与湿度检测探头分别采集数据，然后将两个传感器采集的实时信 息分别送入单片机相应的 I/O 接口，单片机通过采集两个接口的信息然后再进行数据处理，通过以上流程可知，分离式使用较为繁琐并占用更多的数据资源。 而集成式正是解决了这个缺点，将温度检测，湿度检测合成一个传感器。 并继承了两种器件的全部功能。 综上所述，本系统采用集成式的 DHT11 温湿度传感器。 DHT11 是数字温湿度传感器系列中的插针型传感器，如图 ，温湿度探头集成了温敏元件与湿敏元件，并聚合在一个芯片后传输数据。 河北工程大学科信学院毕业设计说明书 6 图 DHT11 温湿度传感器 DHT11 体积仅为为 和耗电电流在工作时为 550μ A, 休眠为 3μ A，平均为 28μ A，因而具有体积小，功耗小等特点。 当家居环境温度越限时，报警信号可产送至终端设备，实现报警功能。 DHT11 湿度量程范围 是 0%RH～ 100%RH,温度量程范围是 42℃～ ℃，测量分辨率分别为 12bit（温度）、 14bit（湿度），在高速或超低功耗的应用中也可分别降至 11bit 和 7bit。 同时还具有电源电压监测功能，可监测到 Vdd 电压低于 的状态，精度为177。 通过以上分析，可以作为家居温湿度传感器使用。 甲醛气体监测模块选择与论证 目前市场上流行甲醛监测传感器主要分为：电化学传感器、光学传感器和光生化传感器等。 其中光学传感器本身体积较大，使用陈本价高，因此不适用于实时监测系统。 而光生化传感器本身在其测量元件酶的活性以及其它因素可能导致传感器不稳定，大大降低了系统可靠性。 电化学传感器正是弥补了上述类型的缺点，成本低，易生产，性价比高。 非常适用于家居环境检测。 因此，本设计中采 CH2O/C10电化学传感器 ,如图。 图 CH2O/C10 甲醛气体检测器 监测模块选择与论证 指空气中空气动力学当量直径小于 的细小固体颗粒物质。 它们在空气中悬浮时间越长，其浓度越高，空气污染越严重。 具有小粒径、大面积、强活性等特点，易吸附重金属等有毒物质，而且在空气中的滞留时间长、扩散距离远。 现有技术下，检河北工程大学科信学院毕业设计说明书 7 测、的方法主要有重量检测法、微量振荡天平法、射线检测法、光散射检测法。 由于光散射法具有检测速度快、重复性好并且可实现在线检测等优势，所以被广泛应用，本文采用夏普 GP2Y1010AU0F 光学空气质量传感器。 图 GP2Y1010AU0F 传感器 家居空气质量监测系统总体设计框架 本系统以 AT89C51 单片机为核心，主要包括传感器温湿度采集，传感器气体采集，A/D 模 /数转换， LCD 液晶显示，声光报警等部分。 系统通过搭建的传感器元件采集家居中温湿度，甲醛含量以及 含量，并实时显示上述采集数据。 此外，采集上来的数据与单片机内部设定的整定值比较。 当数据不合标准时发出报警信号并开启相应设备通知家居主人。 系统整体设计如图 P M 2 . 5 采 集甲 醛 采 集单 片 机A / D 转换温 湿 度 采 集L C D 显 示声 光 报 警 图 家居环境质量监控 系统整体框架 河北工程大学科信学院毕业设计说明书 8 第 3 章 系统硬件模块电路设计 控制模块设计 AT89C51 单片机的介绍 AT89C51 是美国 ATMEL 公司推出的与 MCS51单片机兼容的衍生机型，在我国目前的8 位单片机市场中占有较大的市场份额。 ATMEL 公司是美国 20世纪 80年代发展起来的半导体公司， 1994 年以 E2PROM 技术与 Intel 公司的 80C51 的内核使用权进行交换。 ATMEL 公司的技术优势是其 Flash 存储器技术，将 Flash 技术与 80C51 的内核技术相结合，形成了片内带有 Flash 存储器的AT89C5X/AT89S5x 系列单片机。 该系列单片机继承了 MCS51 的原有功能，与 MCS51 系列单片机在原有功能、引脚及指令系统方面完全兼容。 此外，其中某些品种又增加了一些新的功能。 AT89C51 与 MCS51 系列中的 87C51 相比，片内 4KB Flash 存储器取代了片内 4KB 的 EPROM,可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低，因此收到了应用设计者的欢迎， AT89C51 是目前取代 MCS51 系列单片机的主流芯片之一。 AT89C51 的上限工作频率为 33MHz ,其片内硬件组成结构如图 ： 图 AT89C51 片内硬件组成结构 有如下功能部件和特性： （ 1） 8 位微处理器（ CPU）； （ 2）数据存储器（ 128B RAM）； （ 3）程序存储器（ 4KB Flash ROM）； （ 4） 4 个 8 位可编程并行 I/O 口（ P0 口、 P1 口、 P2 口和 P3 口）； （ 5） 1 个全双工的异步串行口； （ 6） 2 个可编程的 16 位定时器 /计数器； （ 7） 1 个看门狗定时器； 河北工程大学科信学院毕业设计说明书 9 （ 8）中断系统具有 5个中断源、 5个中断向量； （ 9）特殊功能寄存器（ SFR） 26个 ； （ 10）低功耗模式有空闲模式和掉电模式，且具有掉电模式 下的中断恢复模式； （ 11） 3 个程序加密锁定位。 AT89C51 与 51系列中各型号芯片的引脚互相兼容，目前多采用 40 只引脚双列直插。 图 AT89C51 双列直插封装方式的引脚 引脚按其功能可分为如下 3类： （ 1）电源及时钟引脚 —— VCC、 VSS； XTAL XTAL2。 （ 2）控制引脚 —— PSEN 、 ALE/ PROG 、 EA/VPP、 RST（ RESET）。 （ 3） I/O 口引脚 —— P0、 P P P3，为 4个 8 位 I/O 口。 1． 电源引脚 （ 1） VCC（ 40脚）： +5V 电源。 （ 2） VSS（ 20脚）：数字地。 2．时钟引脚 （ 1） XTAL1（ 19 脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路输入端。 用片内振荡器时，该脚接外部石英晶体和微调电容。 外接时钟源时，该脚接外部时钟振荡器的信号。 （ 2） XTAL2（ 18 脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。 当使用片内振荡器，该脚连接外部石英晶体和微调电容。 当使用外部时钟源时，本脚悬空。 3．控制引脚 （ 1） RST (RESET， 9脚 ):复位信号输入，在引脚加上持续时间大于 2 个机器周期的河北工程大学科信学院毕业设计说明书 10 高电平，可使 单片机复位。 正常工作，此脚电平应≤。 当看门狗定时器溢出输出时，该脚将输出长达 96 个时钟振荡周期的高电平。 （ 2） EA/VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programing， 31 脚 )： EA引脚第一功能，即外部程序存储器访问允许控制端。 EA=1，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 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（ 1000HFFFFH）程序存储器空间中的程序。 EA=0，只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为 0000H～ FFFFH，片内的 4KB Flash 程序存储器不起作用。 VPP：引脚第二功能，对片内 Flash 编程，接编程电压。 （ 3） ALE/PROG （ Address Latch Enable/PROGramming， 30 脚） : ALE 为 CPU 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。 此外，单片机正常运行时， ALE 端一直有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率 fosc 的 1/6。 可用作外部定时或触发信号。 PROG :引脚第二功能，对片内 Flash 编程，为编程脉冲输入脚。 （ 4） PSEN （ Program Strobe Enable， 29 脚） :片外程序存储器读选通信号，低电平有效。 4．并行 I/O 口引脚 （ 1） P0 口： 8 位，漏极开路的双向 I/O 口。 当外扩存储器及 I/O 接口芯片时， P0口作为低 8位地址总线及数据总线的分时复用端口。 P0口也可用作通用的 I/O 口，需加上拉电阻，这时为准双向口。 作为通用 I/O 输入，应先向端口写入 1。 可驱动 8个 LS 型 TTL 负载。 （ 2） P1 口： 8 位，准双向 I/O 口 ，具有内部上拉电阻。 准双向 I/O 口，作为通用I/O 输入时，应先向端口锁存器写 1P1 口可驱动 4 个 LS型 TTL 负载。 、 ，它们分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。 （ 3） P2 口： 8 位，准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。 当 AT89S51 扩展外部存储器及 I/O 口时， P2口作为高 8 位地址总线用，输。