環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 題 目： 環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 課程名： 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) 姓 名: 張坤 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 自動(dòng)化一班 2015年11月26日摘要：在社會(huì)進(jìn)步，工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，各種污染也無(wú)時(shí)無(wú)刻威脅著人們的居住環(huán)境，所以對(duì)生活環(huán)境中各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)變得尤為重要。本篇文章將設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫度、濕度、二氧化碳、噪聲及電磁波等指標(biāo)，并從可靠性，性價(jià)比等方面考慮選擇傳感器單片機(jī)等儀器模塊來(lái)完成設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)；溫度；傳感器。Abstract: in the social progress, industrial development, all kinds of p

2、ollution is also threatening peoples living environment, so the monitoring of the living environment of the indicators become particularly important. This article will design a system to monitor the temperature, humidity, carbon dioxide, carbon dioxide, noise and electromagnetic wave and other indic

3、ators, and from the reliability, performance and other aspects of the design of such as the choice of sensor chip and other instruments.Keywords: environmental monitoring; temperature; sensor.1引言隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，各種污染層出不窮，人的居住的環(huán)境也是越來(lái)越苛刻，所以需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)。人們需要一個(gè)適宜的溫度，不是太冷也不是太熱，這就需要實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)居住環(huán)境的溫度來(lái)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。同時(shí)，把握溫度、

4、濕度、空氣質(zhì)量的度，來(lái)進(jìn)行妥善調(diào)節(jié)，從而避免由于這些環(huán)境因素的超標(biāo)對(duì)人體造成的傷害就顯得尤為重要。此外，近些年來(lái)由于工業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，以及其他很多原因帶來(lái)的噪聲污染，電磁波污染也不能忽視，必須建立一套完整的監(jiān)測(cè)體系來(lái)確保人居住環(huán)境的安全健康。為了更好的對(duì)這些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效快速的測(cè)量，傳統(tǒng)的人工控制已經(jīng)不能滿足要求。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來(lái)使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。2采樣設(shè)備2.1溫度傳

5、感器當(dāng)將單片機(jī)用作測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)總要有被測(cè)信號(hào)懂得輸入通道，由計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲得被測(cè)信號(hào)是其核心任務(wù)；而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)講，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試和對(duì)控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始被測(cè)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來(lái)檢測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。采用AD590，它的測(cè)溫范圍在-55+150之間，而且精度高。M檔在測(cè)溫范圍內(nèi)非線形誤差

6、為0.3。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無(wú)需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，接口也很簡(jiǎn)單。作為電流輸出型傳感器的一個(gè)特點(diǎn)是，和電壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。AD590的測(cè)量信號(hào)可遠(yuǎn)傳百余米。2.2溫度測(cè)量電路圖1 AD590應(yīng)用電路圖1是AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^(guò)AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1k時(shí)，輸出電壓V0隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把AD590放于

7、冰水混合物中，調(diào)整電位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調(diào)整只保證在0或25附近有較高的精度。如圖1所示，電位器R2用于調(diào)整零點(diǎn)，R4用于調(diào)整運(yùn)放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0時(shí)調(diào)整R2，使輸出V0=0，然后在100時(shí)調(diào)整R4使V0=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0時(shí)，V0=0mV，100時(shí)V0=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25，那么V0應(yīng)為25mV。冰水混合物是0環(huán)境，沸水為100環(huán)境。2.3濕度傳感器測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的

8、濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。HS1100/HS1101濕度傳感器。HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。相對(duì)濕度在1%-100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于

9、5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/。可見精度是較高的。2.4濕度測(cè)量電路HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)方與租蓉組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。頻率輸出的555測(cè)量振蕩電路如圖2所示。集成定時(shí)器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C，構(gòu)成了對(duì)C的充電回路。7端通過(guò)芯片內(nèi)部的

10、晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3 是防止輸出短路的保護(hù)電阻，R1 用于平衡溫度系數(shù)。圖2頻率輸出的555振蕩電路該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源Vs通過(guò)R4、R2 向C充電，經(jīng)t充電時(shí)間后，Uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67Vs，此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)R2放電，經(jīng)t放電時(shí)間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33Vs此時(shí)輸出，此時(shí)輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此翻來(lái)覆去，形成方波輸出。其中，充放電時(shí)間為t充電=C（R4+R2）Ln2；t放電=

11、CR2 Ln2。因而，輸出的方波頻率為f=1/(t放電+t充電)=1/ C（R4+R2）Ln2?？梢?，空氣濕度通過(guò)555測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)。2.5二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)氣體檢測(cè)的傳感器，目前按照氣敏特性來(lái)分，主要分為：半導(dǎo)體型，電化學(xué)型，固態(tài)電解質(zhì)型，接觸燃燒型，光化學(xué)型等傳感器。其中又以前兩種最為普遍。固態(tài)電解質(zhì)傳感器，顧名思義就是以固體離子導(dǎo)電為電解質(zhì)的化學(xué)電池。它介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間。選擇性和靈敏度高于半導(dǎo)體而壽命又長(zhǎng)于電化學(xué)，所以得到了廣泛的應(yīng)用。這類傳感器具有對(duì)二氧化碳反應(yīng)靈敏，受溫度和濕度影響較小，成本低的特點(diǎn)。MS4100在眾多二氧化碳傳感器中價(jià)格比較適中，性能也比

12、較穩(wěn)定。又綜合考慮以上選擇的原則。因此該系統(tǒng)選用該型號(hào)傳感器。二氧化碳傳感器的測(cè)量濃度單位為：百萬(wàn)分單位ppm。600ppm濃度的二氧化碳意味著：每公升的空氣中有600公升的二氧化碳。2.6噪聲監(jiān)測(cè)噪聲測(cè)量一般有如下幾個(gè)方面的目的：測(cè)量聲壓級(jí)以了解噪聲對(duì)環(huán)境的污染情況，檢驗(yàn)噪聲是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)行噪聲信號(hào)的頻譜分析，以了解噪聲的頻率結(jié)構(gòu)；測(cè)量噪聲源的聲功率或聲功率級(jí)，以客觀了解噪聲源特性。噪聲傳感器采用2個(gè)駐極體話筒。根據(jù)噪聲測(cè)試分析要求，阻抗匹配電路的響應(yīng)工作頻率為014kHz，不均勻性限制在1dB以內(nèi)。采用2個(gè)駐極體話筒也可制作傳感器，其硬件組成為駐極體話筒、功放電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和微

13、機(jī)。3信號(hào)分析處理3.1A/D轉(zhuǎn)換在工業(yè)控制和智能化儀表中，常用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)加工的信息都是數(shù)字量，而被控制或測(cè)量對(duì)象的有關(guān)參量往往是連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量等，通過(guò)傳感器將這些信號(hào)轉(zhuǎn)成模擬信號(hào)。單片機(jī)要處理這種信號(hào)，首先必須將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程就是模/數(shù)轉(zhuǎn)換，現(xiàn)實(shí)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)備稱為A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。A/D轉(zhuǎn)換電路種類很多，目前在實(shí)用、教學(xué)方面使用較多的兩種A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0809和TLC1543。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，主要考慮以下的一些技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換頻率、量化誤差與分辨率、轉(zhuǎn)換精度、接口形式等。目前，較為流行的A/D轉(zhuǎn)

14、換器很多都采用了串行接口，這使得這類芯片與單片機(jī)的硬件連接非常簡(jiǎn)單。出于成本考慮，本次的設(shè)計(jì)采用串行接口的TLC1543而非并行接口的ADC0809。3.2單片機(jī)MCS51 為了設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，我們采用了8051單片機(jī)作為控制芯片，在前向通道中是一個(gè)非電信號(hào)的電量采集過(guò)程。它由傳感器采集非電信號(hào)，從傳感器出來(lái)經(jīng)過(guò)功率放大過(guò)程，使信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)端口。3.3工作方式它的工作方式可以分做復(fù)位，掉電和低功耗方式等。復(fù)位方式當(dāng)MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持

15、續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。常用的上電復(fù)位電路如圖 (3-15a)中左圖所示。圖中電容C1和電阻R1對(duì)電源十5V來(lái)說(shuō)構(gòu)成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時(shí)間，由于單片機(jī)內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達(dá)到上電復(fù)位的操作功能，如圖 (3-15a)中所示。上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。4軟件設(shè)計(jì)總體思路及主流程圖主程序的功能是，實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD的初始化，然后進(jìn)行溫濕度測(cè)量和顯示，通過(guò)按鍵設(shè)置報(bào)警溫濕度

16、的上下限，當(dāng)超出界限時(shí)顯示報(bào)警，對(duì)有害氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，超出設(shè)定上限時(shí)顯示報(bào)警。主程序的作用是對(duì)各個(gè)功能模塊的初始化，然后據(jù)任務(wù)的需要對(duì)各個(gè)功能模塊的函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，完成數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫，主程序主要由四部分構(gòu)成,系統(tǒng)通電后首先初始化系統(tǒng)，依次完成溫濕度采集、溫濕度處理、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤處理等四項(xiàng)功能。溫濕度采集部分主要完成溫濕度測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)；溫濕度處理部分主要是將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定的各點(diǎn)上下限溫度值進(jìn)行比較處理，并判斷是否超出設(shè)定的上下限值，如果超出則led燈亮報(bào)警；數(shù)據(jù)顯示部分主要實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的顯示；鍵盤處理部分主要實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，結(jié)合顯示部分，實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的人機(jī)接口。開始系統(tǒng)軟件總流程圖如圖3所示。初始化數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理顯示Y判斷數(shù)據(jù)是否超標(biāo)報(bào)警N圖3 主程序流程圖5總結(jié)此次設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用范圍比較廣泛，在我們的日常生活中也比較常見，如溫室大棚、天氣情況的監(jiān)控，消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)ε照{(diào)的監(jiān)控，內(nèi)部都涉及到溫、濕度監(jiān)測(cè)，但是由于時(shí)間倉(cāng)促，我認(rèn)為該產(chǎn)品還有許多功能有待于改善，如在溫濕度過(guò)低時(shí)自動(dòng)加溫加濕功能，測(cè)溫范圍的擴(kuò)大，顯示電路的漢化