基于單片機(jī)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測單元設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)基于單片機(jī)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測單元設(shè)計Design of Environmental Parameter Monitoring Unit Based on Single Chip Microcomputer學(xué) 院： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2017 年 6 月畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要基于單片機(jī)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測單元設(shè)計摘 要：隨著環(huán)境氣候?qū)ξ覀兯幁h(huán)境的影響越來越大，人們慢慢重視對環(huán)境的監(jiān)測與控制。氣候的變化與人類的生存息息相關(guān)，所以研發(fā)一款能夠?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的系統(tǒng)勢在必行。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測行業(yè)也一直在進(jìn)步，由此帶動了一些相關(guān)元器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本課題的設(shè)計以單片機(jī)為核心，首先使用溫度和濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光強(qiáng)傳感器作為監(jiān)測器件，其次通過LCD顯示屏顯示監(jiān)測的參數(shù)，使用按鍵模塊調(diào)節(jié)監(jiān)測參數(shù)的上下限值、使用繼電器作為系統(tǒng)的控制單元，最后使用燈光和蜂鳴器作為報警系統(tǒng)。當(dāng)溫度大于上限值時，繼電器打開充當(dāng)空調(diào)降溫的功能，低于下限值時，低溫報警燈會閃爍；當(dāng)濕度大于上限值時，濕溫?zé)糸W爍，低于下限值時，繼電器打開充當(dāng)除濕器的功能；當(dāng)光照高于上限值時，繼電器打開充當(dāng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的機(jī)器；當(dāng)二氧化碳濃度高于上限時，繼電器打開充當(dāng)開窗通風(fēng)的功能。通過模擬的控制報警實現(xiàn)對任務(wù)書要求參數(shù)的監(jiān)測。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；傳感器；監(jiān)測與控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要Design of Environmental Parameter Monitoring Unit Based on Single Chip MicrocomputerAbstract: With the environmental climate on our environment is growing, people pay more attention to the monitoring and control of the environment. Climate change and human survival are closely related, so the development of a real-time monitoring of environmental parameters of the system is imperative. Indoor environmental monitoring industry has also been progress, which led to a number of related components industry development.The design of this topic to the core of the microcontroller, the first use of temperature and humidity sensors, CO2 concentration sensor, light intensity sensor as a monitoring device, followed by the LCD display shows the monitoring parameters, use the key module to adjust the monitoring parameters of the upper and lower limits, the use of relays As the control unit of the system, and finally use the light and buzzer as the alarm system. When the temperature is greater than the upper limit, the relay open to play the function of air conditioning cooling, lower than the lower limit, the low temperature alarm light will flash; when the humidity is greater than the upper limit, the wet light flashes below the lower limit, the relay is turned on As the function of the dehumidifier; when the light is above the upper limit, the relay opens to act as a machine to adjust the intensity of light; when the carbon dioxide concentration is higher than the upper limit, the relay opens as a window ventilation function. Through the simulation of the control alarm to achieve the task parameters required to monitor.Key words: single chip; sensor; monitoring and control system目 錄1緒論11.1課題的研究背景11.2 課題研究的目的及意義11.3 國內(nèi)外研究情況21.4 課題研究內(nèi)容32環(huán)境監(jiān)測的總體方案設(shè)計42.1 系統(tǒng)的功能要求42.2 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)42.2.1 CO2濃度器件選擇方案42.2.2 光照強(qiáng)度器件選擇方案52.2.3 溫濕度傳感器件選擇方案62.2.4 顯示器選擇方案62.3系統(tǒng)簡介73 系統(tǒng)的硬件設(shè)計93.1 控制器電路模塊93.1.1 AT89C51芯片介紹93.1.2 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)93.1.3溫濕度監(jiān)測模塊SHT11103.1.4顯示模塊LCD1602103.1.5報警模塊113.1.6 按鍵模塊123.2 整體電路圖134 系統(tǒng)的軟件設(shè)計144.1軟件介紹144.1.1 PROTEL 99 se144.1.2 Proteus154.1.3 Keil uvision4164.2 程序框圖174.2.1 主程序框圖：174.2.2 溫濕度采集及處理框圖：174.2.3 LCD顯示框圖：184.3 程序解析205 仿真與調(diào)試21結(jié) 論22致 謝23參 考 文 獻(xiàn)241緒論1.1課題的研究背景盡管這幾年我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的非?？?，人民生活水平也一直走在前進(jìn)的道路上，但是空氣質(zhì)量卻在急劇的下降，環(huán)境問題越來越得到人民的重視。由于傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測設(shè)備存在一些殊如時間誤差大、精度較低、體積過大攜帶不方便、性能功用方面不齊全等缺點1,不能完全適應(yīng)我國國民的實際要求2。我國的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測設(shè)備的測量精度也比較低，無法將實際的環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的詳細(xì)信息監(jiān)測出來3。我國目前環(huán)境監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處在相對比較落的后地位4，許多的室內(nèi)環(huán)境管理技術(shù)也還處在最初級的技術(shù)模式階段，我們履行的規(guī)范和所處的環(huán)境局勢對于監(jiān)測環(huán)境參數(shù)產(chǎn)生的一些突發(fā)情況以及調(diào)控室內(nèi)環(huán)境的進(jìn)一步操作都不能彼此順應(yīng)互補(bǔ)，并且治理本錢也比較高。政府的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測機(jī)構(gòu)也開始投入有關(guān)對室內(nèi)環(huán)境的構(gòu)成參數(shù)以及對其中參數(shù)的監(jiān)測的項目。在這樣的前提背景下，本文設(shè)計了以單片機(jī)為核心的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控電路，它能夠?qū)崟r的采集系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，自動分析后將最終數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿覀冊O(shè)置的主界面。 1.2 課題研究的目的及意義環(huán)境參數(shù)監(jiān)測在我們生活扮演越來越重要的地位。在工業(yè)的生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)的種植、國防的維護(hù)、室內(nèi)的美化一些行業(yè)，環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測都有著十分普及的運用。但是由于應(yīng)用的場合不同5、監(jiān)測的參數(shù)差異，所有電路設(shè)計也有著相當(dāng)?shù)牟顒e。在一般的家庭和工作生活中，人們普遍采用這種系統(tǒng)來監(jiān)測所處的室內(nèi)生活環(huán)境，溫度、濕度、CO2 濃度以及光照等都是室內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)中的重要參數(shù)和判斷的指標(biāo)，系統(tǒng)首先對溫度和濕度、光照以及CO2 濃度進(jìn)行分別的抽樣檢測和數(shù)據(jù)剖析6，最后通過多方面的研究才采取最合適的措施來進(jìn)行處理。因為國內(nèi)外的室內(nèi)檢測器件種類繁多，同時也占有相對較高的使用比例，與之同時發(fā)展起來的當(dāng)代科技還包括單片機(jī)以及大規(guī)模的集成元件技術(shù)等，這也直接導(dǎo)致市場衍生了許多可行實施性相對高、相對穩(wěn)定可靠的的單片機(jī)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。由于近幾年室外環(huán)境污染狀況日益嚴(yán)重，導(dǎo)致很多人對現(xiàn)有所處的室內(nèi)生存環(huán)境要求越發(fā)的重視。為了能時時刻監(jiān)控大家所處的室內(nèi)的環(huán)境7，保證人們處在一個安全的環(huán)境中，本文以單片機(jī)為核心，通過不同的參數(shù)傳感器對室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測?；趯υ某杀尽⒉僮鞯碾y度、系統(tǒng)匹配程度等方面考慮，51單片機(jī)是值得選擇的控制芯片，在很多溫濕度和CO2 濃度監(jiān)控系統(tǒng)電路的運用上也非常普遍。用AT89C51單片機(jī)完成對溫濕度實時的主動監(jiān)控和顯示是對其性能良好，并且成本的低廉的肯定。同時，在學(xué)習(xí)和使用中，AT89C51單片機(jī)單元相對來說也易于駕馭。利用這樣的監(jiān)控單元電路，能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的溫濕度變更提供報警和控制功能。在室內(nèi)采用這樣的電路設(shè)計可以對人們的生存環(huán)境進(jìn)行了全方位的監(jiān)控，以便達(dá)到人們對進(jìn)一步舒適的環(huán)境的要求。1.3 國內(nèi)外研究情況據(jù)政府權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計，每年中國政府解決因室內(nèi)環(huán)境問題直接或間接造成的損失就高達(dá)三十多億美元7。 除此以外，環(huán)境相關(guān)研究方面的組織考查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)全球室內(nèi)建筑裝飾中存在高達(dá)30%的環(huán)境污染物 8。這些影響人體生理健康的因素直接或間接的導(dǎo)致了全球性的人口發(fā)病率和死亡率的提高。室內(nèi)環(huán)境凈化已經(jīng)被廣大群眾列入影響人體健康的重點監(jiān)測防范的參數(shù)之一。人們在體會煤煙型和光化學(xué)污染之后,正式進(jìn)入以室內(nèi)空氣污染為代表的第三污染時代9。采取相關(guān)解決方法，給人們開創(chuàng)一個適宜的生存空間要求社會各界人士各方面的努力。政府相干部門也應(yīng)經(jīng)過國際認(rèn)證，評選出有資歷能勝任的監(jiān)測機(jī)構(gòu)，定制一個相對全面的監(jiān)測市場，提供足夠多的材料供人們進(jìn)行選??；增強(qiáng)科技創(chuàng)造，完善現(xiàn)有的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。嚴(yán)肅對待裝修材料篩選工作，提高環(huán)境參數(shù)監(jiān)測意識；強(qiáng)化有關(guān)的污染管理作業(yè)。我國現(xiàn)在還走在飛速發(fā)展的路上，人均國民消費水準(zhǔn)并不高10。在鄉(xiāng)村、山寨等偏遠(yuǎn)地區(qū)燃料焚燒形成數(shù)量驚人的污染氣體使得農(nóng)村面臨著空氣凈化問題。在發(fā)達(dá)的地區(qū)，當(dāng)?shù)卣τ谥卫沓鞘泄I(yè)污染。尤其是最近幾年，室內(nèi)環(huán)境問題導(dǎo)致的人口亞健康狀態(tài)也越來越突出，全世界人民都開始注重這個問題11。工業(yè)工廠的發(fā)展也使得綠色家居環(huán)境建立困難，因而創(chuàng)立一個安康適合人們生存的環(huán)境，提高室內(nèi)裝飾，美化生活環(huán)境等行業(yè)的檔次，保障人們的身心健康是我們目前面臨的難題。在一些發(fā)達(dá)國家，外國政府很重視人類生活的環(huán)境。人類不可能忽視周圍氣候的變化，環(huán)境的變化也是導(dǎo)致整個氣候變化的重要因素。外國的一些社區(qū)也會定期的去社區(qū)家庭測試室內(nèi)的空氣質(zhì)量，并繪制成周期性的圖表，發(fā)現(xiàn)其中的變化，分析變化的原因。這離不開整個國家的宏觀調(diào)控和整體的文化素質(zhì)背景。我國在環(huán)境保護(hù)這方面的防護(hù)意識還比較的弱。需要我們多做一些這些相關(guān)的宣傳，和政府一起合作，專研新的技術(shù)，提高大家的思想素質(zhì)。為營造一個優(yōu)良的環(huán)境夯實基礎(chǔ)。1.4 課題研究內(nèi)容本論文在參考了大量的有關(guān)室內(nèi)環(huán)境現(xiàn)狀的資料后，針對目前的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測研究現(xiàn)狀，并結(jié)合現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測的特點要求，設(shè)計了以51單片機(jī)為主要單元的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測電路。設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo)包括：按鍵控制監(jiān)測參數(shù)上下限的功能、能對超過界限值的參數(shù)進(jìn)行報警和調(diào)控。為了實現(xiàn)本畢設(shè)的任務(wù)要求，該系統(tǒng)需要以下幾個模塊單元：溫濕度傳感器模塊、CO2濃度模塊、光照強(qiáng)度模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊、報警和調(diào)整模塊等，其基本功能是當(dāng)溫度和濕度超過設(shè)定的界限值時，系統(tǒng)的報警燈會打開，調(diào)整模塊會開始運行，直到溫濕度的值處于系統(tǒng)設(shè)置的上下限內(nèi)。光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度是獨立分開的，但他們的功能實現(xiàn)非常類似。由于在Proteus軟件仿真元件庫內(nèi)并沒有這兩個傳感器元件，本系統(tǒng)是通過兩個滑動變阻器來代替實現(xiàn)的。系統(tǒng)的上下限值都可以通過按鍵模塊來設(shè)置。除此以外，系統(tǒng)的報警燈連接一個報警喇叭，但由于報警燈是連接在繼電器上面，但是喇叭需要接入低電平才可以工作，所以串聯(lián)的電阻阻值也需要選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)值，以免出現(xiàn)喇叭一直在報警的狀態(tài)，避免出現(xiàn)誤導(dǎo)的結(jié)果。該項目完成的內(nèi)容主要包括：（1）硬件設(shè)計：監(jiān)測參數(shù)傳感器、核心處理器單元、數(shù)字顯示屏幕、報警和控制電路以及按鍵模塊的設(shè)計。（2）軟件設(shè)計：單片機(jī)內(nèi)部運行程序的編譯以及原理圖的設(shè)計。（3）整體電路設(shè)計的調(diào)試與剖析：在上述內(nèi)容都實現(xiàn)預(yù)計要求的情況下，最后對系統(tǒng)的整體功能進(jìn)行測試與檢驗，分析系統(tǒng)的缺點，采取必要的措施劃完成相關(guān)功用。2環(huán)境監(jiān)測的總體方案設(shè)計本畢設(shè)的主要任務(wù)是完成室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測單元的設(shè)計，實現(xiàn)相關(guān)的功能。通過電路仿真的成功運行，能夠分別對環(huán)境監(jiān)測單元參數(shù)的監(jiān)測與控制，能夠通過按鍵對電路進(jìn)行控制和調(diào)整?；灸軐崿F(xiàn)論文的任務(wù)要求。2.1 系統(tǒng)的功能要求研發(fā)本系統(tǒng)主要為了實現(xiàn)以下三種功能：（1）模式切換：系統(tǒng)啟動以后，LCD屏幕一次顯示出所有監(jiān)測的參數(shù)，包含溫濕度參數(shù)、二氧化碳濃度和光強(qiáng)參數(shù)。當(dāng)然溫度和濕度是不可以一起切換模式的，所以需要按鍵模塊來切換。二氧化碳濃度和光強(qiáng)需要滑動變阻器來調(diào)控改變參數(shù)的值。（2）蜂鳴器報警功能：當(dāng)監(jiān)測的參數(shù)超出我事先設(shè)定在界限值時，繼電器就回開始工作，起到一個調(diào)控參數(shù)的作用，之后與之連接的蜂鳴器和LED燈也都會運行報警。（3）指示功能：每個監(jiān)測參數(shù)以及調(diào)控的參數(shù)都使用LED與之連接，通過這種方式指示標(biāo)明，便于查錯。2.2 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)2.2.1 CO2濃度器件選擇方案與固態(tài)異或是液態(tài)的半導(dǎo)體電解質(zhì)傳感器不同，半導(dǎo)體氣體傳感器是運用半導(dǎo)體元件的相關(guān)化學(xué)特性來監(jiān)測空氣中的特定氣體12，并且將檢測的氣體通過恰當(dāng)?shù)碾娦盘柋憩F(xiàn)出來，它的優(yōu)勢在于其比較敏感、對監(jiān)測氣體反應(yīng)速度快、體積小攜帶方便、使用時間長、高度集成化、智能化、能將監(jiān)測的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。本系統(tǒng)檢測使用的二氧化碳傳感器共分為電化學(xué)二氧化碳傳感器和紅外二氧化碳傳感器兩類?？偟膩碚f，很難決定哪一種二氧化碳傳感器表現(xiàn)的更優(yōu)秀？不同的種類使用在不同的場合，不同的使用用途決定使用哪一種傳感器。首先，從使用成本來看，電化學(xué)傳感器的價格比較親民，當(dāng)然我們也不拒絕精度以及呼應(yīng)時間都很優(yōu)秀的紅外二氧化碳傳感器。但是雖然紅外二氧化碳傳感器的總體參數(shù)相對不錯，但是它的部分型號存在較高的技術(shù)難度，因而使得這種設(shè)備的單價比較昂貴。雖然測量精度是權(quán)衡一個設(shè)備規(guī)范的重要指標(biāo)，因此在市場上篩選二氧化碳傳感器的時候測量精度也是第一個要放進(jìn)來做參考的參數(shù)，并且市場上的紅外二氧化碳傳感器的測量水平基本能滿足系統(tǒng)的要求。只不過因為時代的不斷發(fā)展和科技的大步向前進(jìn)，目前這種設(shè)備的部分型號盡管精度不錯但是仍然還存在著較大的誤差。綜合以上特點，本系統(tǒng)選擇MS4100型號傳感器，該型號傳感器在眾多傳感器中價格比較適中，性能也比較穩(wěn)定，適合我們這些做畢業(yè)設(shè)計。圖2-1 MS4100二氧化碳傳感器模塊2.2.2 光照強(qiáng)度器件選擇方案光電傳感器以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用內(nèi)部算法轉(zhuǎn)換將光信號裝換成電信號的傳感器，核心工作單元是光敏元件。光敏元件在近幾年由于應(yīng)用于多個領(lǐng)域，衍生了很多不同的種類，發(fā)展的也非?？?。市場出售許多跟光強(qiáng)有關(guān)的器件元件。光照強(qiáng)度是環(huán)境監(jiān)測的一個重要參數(shù)之一，本文選用TSL2561作為光強(qiáng)傳感器。TSL2561傳感器不同于其他簡單的傳感器，TSL2561可以測量紅外和可見光，對大多數(shù)可見光譜有反應(yīng)，更近似于人眼的反應(yīng)。TSL2561能夠直接進(jìn)行I2C通信，內(nèi)部還集成了兩個數(shù)模轉(zhuǎn)換器。圖2-2 TSL2561光強(qiáng)數(shù)字傳感器模塊2.2.3 溫濕度傳感器件選擇方案溫度傳感器和濕度傳感器作為兩個獨立的個體被集成在一起是的溫度和濕度不會因為獨立分開感應(yīng)溫度而造成不必要的損耗影響監(jiān)測的準(zhǔn)確度，這更強(qiáng)化了傳感器的穩(wěn)定性。也使得傳感器的精確性進(jìn)一步提高。除此之外sht11芯片還嵌入了14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并且通過數(shù)字信號傳輸，因此抗干擾能力也比較強(qiáng)高。該芯片在溫度和濕度監(jiān)測領(lǐng)域運用比較普遍。圖2-3 溫濕度傳感器sht112.2.4 顯示器選擇方案LCD1602是一種液晶顯示器件，它需要背光才能看到。數(shù)碼管確可以主動發(fā)光，外界越暗越清楚。液晶屏能夠同時顯示數(shù)字和字母，控制比較簡單，成本也比較低。相較于數(shù)碼管而言，它可以顯示所有的ASCII符號，電路也比較清晰易懂。數(shù)碼管1個字符對應(yīng)1個數(shù)碼管，液晶屏可以顯示32個字符，如果數(shù)碼管想要實現(xiàn)32字符的話需要32個數(shù)碼管，電路就會比較復(fù)雜。所以綜合考慮，選擇LCD1602作為本論文的顯示元件。圖2-4 顯示屏LCD16022.3系統(tǒng)簡介本系統(tǒng)以單片機(jī)作為電路基礎(chǔ)，主要功能是實現(xiàn)對室內(nèi)溫濕度、光強(qiáng)和二氧化碳濃度的環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測與控制。當(dāng)監(jiān)測的參數(shù)在正常的界限時，系統(tǒng)可以正常的工作，當(dāng)監(jiān)測的參數(shù)超出設(shè)定的界限時，系統(tǒng)的紅色報警燈和報警蜂鳴器就會工作。與此同時，系統(tǒng)里充當(dāng)控制功能的繼電器就會運作，充當(dāng)加熱加濕、調(diào)光和通風(fēng)的功能來調(diào)控系統(tǒng)。由于蜂鳴器是接在繼電器上的，所以高低位電平需要搞清楚。我設(shè)置的參數(shù)中，使用了一個非門來轉(zhuǎn)換高電平使得蜂鳴器工作，但是串聯(lián)的電阻很大。這也是系統(tǒng)的一個要點。本電路主要包括了單片機(jī)控制模塊，A/D0832模塊，傳感器模塊SHT11、MS4100、TSL2561，以及調(diào)控模塊，LCD1602參數(shù)顯示，按鍵模塊，燈光蜂鳴器報警模塊。其他的模塊還包括單片機(jī)上的晶振和時鐘電路。溫濕度傳感器光照強(qiáng)度傳感器二氧化碳濃度傳感器A/D轉(zhuǎn)換AT89C51調(diào)光系統(tǒng)顯示系統(tǒng)加熱加濕系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)報警系統(tǒng)圖2-5系統(tǒng)總體框圖3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)需要多個獨立的傳感元件，將本環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分劃分為以下幾個模塊：相關(guān)參數(shù)控制模塊，空氣溫濕度參數(shù)監(jiān)測模塊，光強(qiáng)檢測模塊、二氧化碳濃度檢測模塊，參數(shù)顯示模塊，機(jī)器報警模塊，按鍵模塊。3.1 控制器電路模塊 3.1.1 AT89C51芯片介紹本方案設(shè)計的生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的控制傳感元件模塊以AT89C51為核心，它是整個硬件內(nèi)容的核心。AT89C51單片機(jī)是一個使用功耗少、使用起來方便快捷的8位微處理器，具備4Kb的ISP和可重復(fù)擦寫1000次的可編程Flash只讀代碼存儲器。AT89C51單片機(jī)采用其母公司最廣泛有效的技術(shù)制作而成，可以匹配同批次的系統(tǒng)以及硬件引腳。因此，AT89C51單片機(jī)被普遍應(yīng)用在各行各業(yè)。3.1.2 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的運作的頻率、上電模式的基本結(jié)構(gòu)是構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)的前提。單片機(jī)內(nèi)部還集成了晶振電路和復(fù)位電路。圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)3.1.3溫濕度監(jiān)測模塊SHT11SHT11溫濕度傳感器一種能夠同時測量溫度和濕度的傳感器，它內(nèi)部自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能直接輸出溫度和相對濕度的數(shù)字信號，因此它連接簡單，使用方便，在測量溫濕度方面得到廣泛運用13。SHT11芯片內(nèi)部還集成了信號放大電路和I2C總線口，因此功能強(qiáng)大，能夠完全吧溫度和濕度校準(zhǔn)后輸出，整體測量精度較高，在常溫（20）時，溫度的精度為0. 5，默認(rèn)的分辨率為14位，通過可靠的CRC來校驗傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，工作電壓為2. 45. 5V。SHT11引腳功能如下：腳1（GND）：接地；腳2（DATA）與腳3（SCK）：接單片機(jī)的串行輸入輸出接口，腳2為數(shù)據(jù)線，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，腳3為串行時鐘的輸入接口；腳4（VDD）：接電源。如圖3.1.3所示，將SHT11的腳2與腳3分別與單片機(jī)的P3.1和3.0連接，腳2接10K的上拉電阻來檢測生態(tài)系統(tǒng)中空氣的溫濕度。圖3-2 SHT11數(shù)字式溫濕傳感器電路連接圖3.1.4顯示模塊LCD1602LCD1602是一種點陣液晶顯示模組。工作電壓為+5V士10%，可以顯示10個(/行)X8共120個(16X16點陣)的中文字符，共13條操作指令。顯示電路的模塊是由LCD12864液晶顯示組成的，用來顯示時間和測量的溫度等數(shù)值。顯示的漢字84行1616點陣。圖形顯示也可實現(xiàn)。同時具備低電壓低功耗的優(yōu)點。該模塊的顯示電路和其他同類型的顯示電路比較起來，顯示的程序和硬件的電路都是很簡單的，不僅如此，價格也比同陣型的液晶顯示要低。圖3-3顯示及其連接電路3.1.5報警模塊報警系統(tǒng)構(gòu)成整個電路的重要部分，該報警單元由一個LED燈、一個非門、一個串聯(lián)電阻和一個PNP三極管構(gòu)成。當(dāng)監(jiān)測的參數(shù)超出設(shè)定的上限或者下限時，系統(tǒng)的燈光報警啟動，蜂鳴器開啟。由于蜂鳴器在低電平的情況下才工作，所以需要確定接入的端口輸出的電平是低電平還是高電平。一開始發(fā)現(xiàn)無論假設(shè)接入的是哪種電平報警都不工作，于是接入一個串聯(lián)電阻，確定了輸出的是高電平，于是又串聯(lián)了一個非門將電頻信號由高轉(zhuǎn)為低，調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻阻值，知道電路能正常的工作。圖3-4燈光和蜂鳴器報警3.1.6 按鍵模塊通過資料的查詢和老師的指導(dǎo)，本系統(tǒng)單元設(shè)計了5個按鍵作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)的按鈕。第1個按鍵是界面的復(fù)位界面，也就是主界面的功能按鍵，第2個按鍵和第3個按鍵就是調(diào)節(jié)參數(shù)的按鈕，分別是減和加功能按鍵，第4個按鍵是濕度的選項按鍵，第5個則是溫度的選項按鍵，當(dāng)選擇的是濕度模式時，上下限的調(diào)節(jié)則由溫度模式的按鍵充當(dāng)切換上下限的功能；當(dāng)選擇的是溫度模式時，調(diào)節(jié)則由濕度模式的按鍵充當(dāng)。 圖3-5 按鍵模塊圖3.2 整體電路圖整個電路由按任務(wù)說明將需要用到的元件連接到核心單元上，電路圖的完成也預(yù)示著下一步要進(jìn)行軟件部分的設(shè)計工作。圖3-6整體電路4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計完成本次設(shè)計系統(tǒng)一共使用了3種軟件，分別是用于繪制原理圖的 PROTEL 99 se,用來編譯程序的Keil uvision4以及實現(xiàn)系統(tǒng)仿真的proteus 軟件，下面分別對此三個軟件進(jìn)行介紹。4.1軟件介紹4.1.1 PROTEL 99 sePROTEL軟件是PORTEL公司上世紀(jì)八十年代推出的電子設(shè)計軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它理所當(dāng)然地排在所有EDA軟件的前列，是電子設(shè)計者的第一選擇。Protel99 SE共分5個模塊，分別是原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計（包含信號完整性分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設(shè)計。圖4-1系統(tǒng)電路圖4.1.2 ProteusProteus軟件是英國Lab Center Electronics公司推出的電子設(shè)計工具，它不僅具備其它電子設(shè)計繪圖軟件的仿真功能，還能仿真核心單元及周邊器件，是目前比較好的實現(xiàn)仿真核心器件功能的工具。從原理圖的設(shè)計、代碼的編寫調(diào)試到核心單元與外圍電路的融合，直接加載PCB設(shè)計功能，實現(xiàn)了從理論到實際的完整流程14。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。它功能強(qiáng)大，是單片機(jī)從業(yè)人員必須掌握的一種軟件。圖4-2系統(tǒng)仿真圖4.1.3 Keil uvision4目前使用Keil uVision4的產(chǎn)品有Keil MDK-ARM，Keil C51，Keil C166和Keil C251，本設(shè)計中用到的是Keil C51。它是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能實現(xiàn)、整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的讀寫和維護(hù)上有明顯的優(yōu)勢，因而方便流行。Keil C51軟件軟件本身就集成了大量庫函數(shù)以及集成開發(fā)調(diào)試工具，全窗口界面；另外重要的一點，我們可以通過軟件編譯后生成的目標(biāo)代碼，實現(xiàn)對軟件任務(wù)要求的理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。圖4-3軟件編譯圖4.2 程序框圖4.2.1 主程序框圖系統(tǒng)仿真開始后，首先核心單元單片機(jī)通電后初始化后，之后外接的顯示屏初始化顯示最初的數(shù)字，然后外接的傳感器開始工作采集系統(tǒng)需要監(jiān)測參數(shù)的具體信息并通過算法轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號顯示在顯示屏上，當(dāng)監(jiān)測的某個參數(shù)超出設(shè)定的范圍時，報警系統(tǒng)啟動，燈亮以及蜂鳴器響。繼電器作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)開始工作，調(diào)節(jié)參數(shù)至正常的范圍。機(jī)器回歸正常狀態(tài)，但一直處于工作狀態(tài)。 單片機(jī)開機(jī)初始化 LCD1602初始化SHT11運行，溫度采集與測量LCD顯示溫濕度 二氧化碳濃度、光強(qiáng) 報警、繼電器理監(jiān)測參數(shù)超限等待NY開始4-4主程序流程圖 4.2.2 溫濕度采集及處理框圖溫濕度傳感器在系統(tǒng)啟動后，開始檢測室內(nèi)的溫濕度情況。它時時刻刻都在工作，通過自己的算法將監(jiān)測到的化學(xué)信號通過內(nèi)部的轉(zhuǎn)化公式轉(zhuǎn)換成電信號傳送到核心單元。 SHT11初始化啟動 SHT11等待主機(jī)發(fā)送指令測量溫濕度溫濕度計算溫濕度調(diào)控在界限內(nèi)復(fù)位開始4-5溫濕度采集流程圖4.2.3 LCD顯示框圖 打開整個仿真電路，LCD初始化后刷新信息。LCD共顯示四條信息，分別是本仿真監(jiān)測的四個參數(shù)：左側(cè)上方的T代表的是當(dāng)前環(huán)境的實時溫度；左側(cè)下方的H代表的是當(dāng)前環(huán)境的濕度百分比；右側(cè)上方的Y代表的是當(dāng)前環(huán)境的二氧化碳濃度；右側(cè)下方的G代表的是當(dāng)前環(huán)境的光強(qiáng)。圖4-7 LCD仿真顯示圖LCD初始化按鍵設(shè)置參數(shù)返回主界面開始結(jié)束4-8液晶顯示流程圖4.3 程序解析主函數(shù)的功能主要體現(xiàn)在對溫濕度傳感器傳輸?shù)男盘栔苯虞斔偷絃CD屏上，當(dāng)溫濕度超出系統(tǒng)本身設(shè)定的界限值時就會報警，并隨之調(diào)控使得數(shù)值回歸到正常的范圍值內(nèi)。由于溫濕度傳感器內(nèi)部集成了轉(zhuǎn)換器，所以并不需要外接一個數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。但是還有兩個監(jiān)測參數(shù)光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度均需要數(shù)模轉(zhuǎn)換能將監(jiān)測的值顯示在LCD屏幕上，這也是程序設(shè)計的一個難點。按鍵程序也設(shè)計的比較特色，本系統(tǒng)的按鍵一共分為5個按鍵，分別是復(fù)位鍵，加減鍵，以及溫濕度選擇鍵和溫濕度切換鍵15。切換鍵是和溫濕度選擇鍵集成在一起，當(dāng)選擇設(shè)置溫度時，濕度鍵就變成了一個切換鍵，切換調(diào)節(jié)溫度的上限或者下限。 圖4-9 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序5 仿真與調(diào)試 作為一名電子信息工程專業(yè)的學(xué)生，任何一個電子設(shè)計圖完成之后，第一件事要做的就是系統(tǒng)的調(diào)試和仿真，這也是整個設(shè)計的重中之重。調(diào)試工作是一個漫長的過程，在簡單結(jié)構(gòu)上通過一次次的論證檢測不斷添加新的東西，系統(tǒng)調(diào)試的成功與否決定了設(shè)計的成功還是失敗。調(diào)試過程也是我們發(fā)現(xiàn)新問題的時候，所有的仿真任務(wù)都不是一蹴而就的，通過調(diào)試也可以讓我們重新完善整個系統(tǒng)，解決這些問題。當(dāng)我們完成硬件的調(diào)試之后，在結(jié)合軟件進(jìn)行綜合調(diào)試。在硬件調(diào)試的過程可以發(fā)現(xiàn)軟件的錯誤。反之，在軟件調(diào)試過程中也能發(fā)現(xiàn)硬件的不足。他們是互補(bǔ)的組成整個電路設(shè)計。要想設(shè)計的系統(tǒng)能滿足我們的要求，就必須分別發(fā)現(xiàn)并解決軟硬件的錯誤，然后再將修改后的軟硬件相結(jié)合進(jìn)行調(diào)試。軟件調(diào)試主要著重與程序的編寫和編譯，其中可能夾著語法的錯誤。本設(shè)計主要在keil uVision4軟件中進(jìn)行調(diào)試，用proteus軟件進(jìn)行仿真。仿真電路如下所示： 圖5-1整體設(shè)計圖結(jié) 論環(huán)境問題越來越得到人們的重視，對環(huán)境的監(jiān)測也從整個地球的氣候變化到我們生活的各個方面。一個智能化的監(jiān)測系統(tǒng)可以極大的減少人力物力成本，提高監(jiān)測的工作效率。在本次的畢設(shè)中，我設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測單元設(shè)計是以電子技術(shù)和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合了計算機(jī)控制技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)。整個監(jiān)測系統(tǒng)以51單片機(jī)作為核心單元，采用繼電器作為主要控制方式。通過各類傳感器來監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的各項參數(shù)單元。本系統(tǒng)可以對室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的參數(shù)單元進(jìn)行實時的監(jiān)測、報警和調(diào)控。此次完成的設(shè)計一共包含了硬件和軟件兩個部分。硬件的核心部分是AT89C51芯片，這是我們學(xué)習(xí)單片機(jī)的最先接觸的芯片，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)該設(shè)計的基本功能，是本次畢設(shè)的最佳選擇。溫濕度參數(shù)采集使用的是sht11元件，它的內(nèi)部自帶了A/D轉(zhuǎn)換的電路，無需經(jīng)過數(shù)模的相互轉(zhuǎn)換就能直接輸出溫度和濕度的數(shù)字信號。不僅簡化了整體的電路，減少了時間的花費以及節(jié)省了金錢的成本，也讓本設(shè)計系統(tǒng)變得更簡潔明了，同時它占據(jù)的空間也不大。二氧化碳濃度傳感器使用的是MS410，不同于其他的二氧化碳傳感器，它對監(jiān)測參數(shù)的變化非常敏感，攜帶方便，監(jiān)測精度高。光照強(qiáng)度傳感器使用的是TSL2561，具有高速、低功耗、寬量程和可編程靈活配置等特點?？偠灾?，這個系統(tǒng)是經(jīng)過長時間的優(yōu)化得到的結(jié)果，所以使用起來也非常的方便。AT89C51的最小單片機(jī)系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性，電路也是非常的簡單，設(shè)計也很便捷，顯示結(jié)果是由LCD1602為核心組成的顯示電路來顯示。報警電路利用LCD發(fā)光報警。為了實現(xiàn)智能化的設(shè)計，本設(shè)計是由不同的模塊結(jié)合起來，簡單明了，整個系統(tǒng)由復(fù)位電路、時鐘電路、繼電器控制電路、報警電路、溫濕度采集電路、顯示電路基本組成16。對于每個大學(xué)生來說，畢業(yè)設(shè)計都是至關(guān)重要的一關(guān)，是對我們整個大學(xué)生涯的一次測試和考驗?？简炍覀兙C合學(xué)習(xí)的能力和將理論應(yīng)用到實際的本領(lǐng)。在經(jīng)三個月的畢業(yè)設(shè)計過程中，通過艱辛的工作，提高和鞏固大學(xué)所學(xué)習(xí)的知識。然而因為時間的有限和個人水平的限制，所以本設(shè)計仍然存在許多不足之處，也還有許多需要提高和優(yōu)化的地方。不論是從精度方面還是軟硬件的設(shè)計方面都可以得到進(jìn)一步的改善。在學(xué)習(xí)本設(shè)計的過程，我對于光照傳感器以及二氧化碳濃度傳感器和單片機(jī)連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換都有了進(jìn)一步的認(rèn)識，對他們的原理功能有了初步的掌握。重新認(rèn)識了單片機(jī)，通過這么長時間的集中的學(xué)習(xí)，感覺收獲很多。 致 謝這幾個月幾乎每天都在寫畢業(yè)設(shè)計，在做畢設(shè)的這段時間里，感覺每一天都異常的煎熬，實在是感覺大學(xué)學(xué)習(xí)的東西真的不夠用，知道自己平時專業(yè)技術(shù)的基本功如此的不扎實，了解了除了課堂之外還有很多的拓展需要我們自己摸索學(xué)習(xí)。做畢設(shè)的第一階段就是了解畢業(yè)課題的要求，論文的初始階段需要我們借閱大量的書籍，了解畢設(shè)過程中可能用到的知識。首先我的首要任務(wù)是完成原理圖的繪畫和仿真圖的設(shè)計。這個方面的資料多虧了師哥師姐的幫助，我能夠在一定的基礎(chǔ)上進(jìn)行適量的添加、完善。仿真是我畢設(shè)過程中遇到的第一個難點，我設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，溫濕度傳感器在元件庫中有現(xiàn)成的，選擇也比較單一，只有sht11這個元件，但是二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度在元件庫并沒有傳感器元件，所以我在這個問題上困擾了很久。于是在和李威震老師的交流下，老師給我的建議是使用滑動變阻器來代替這兩個傳感器元件，通過調(diào)節(jié)電阻來實現(xiàn)光強(qiáng)和二氧化碳濃度的變化，這只是實現(xiàn)了監(jiān)測的功能。在系統(tǒng)的控制方面，我使用的是繼電器來充當(dāng)調(diào)控元件，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測的參數(shù)在規(guī)定設(shè)置的區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)的綠燈亮，當(dāng)超出界限時，紅燈亮。繼電器開始工作，比如當(dāng)溫度大