1、 专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕业设计说明书(论文)作 者 : 学 号：教 研 室 : 电气自动化教研室专 业 : 电气自动化技术 题 目 : 基于单片机的空气质量检测仪 指导者： 评阅者： 年 5 月专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语学生姓名： 班级、学号： 电 气 1301 题 目： 基 于 单 片 机 的 空 气 质 量 检 测 仪 综合成绩： 指导者评语：指导者(签字)： 年 5 月 13 日专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）毕 业
2、 设 计 （ 论 文 ） 评 语评阅者 (签字)： 年 05 月 13 日答辩委员会负责人(签字)： 年 5 月 14 日专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）人们的生活伴随着科学技术的日新月异，正在发生翻天覆地的变化，在物质条件达到了的一定程度后，开始注重于饮食和环境等方面对身体健康的影响，其中环境和空气对人身体健康的影响越来越受人们的关注和重视。本文设计的是基于单片机的空气质量检测仪，其控制核心为 AT89S52 单片机，采用 MS1100VOC气体传感器和 AM2301
3、 温湿度传感器作为采集模块，其采集的的模拟数据由ADC0809 转换为单片机可识别的数字信号，由单片机将数据进行分析后送入液晶显示实现对当前空气中 VOC 的含量进行检测显示及当前环境的温湿度的显示，本设计的显示采用 LCD1602 点阵式液晶显示测量数据，当所测数据超过其设定值后，会进行相应的声光报警。本设计智能化程度高且具有良好的人机操作界面、体积小、功耗低、便于携带等优点。关键词 AT89S52 、VOC、传感器、ADC0809 、LCD1602 显示 专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 II 页 共 II 页目录1 绪论 _11.1 空气质量检测仪研究的目的 _1第一章
4、 _22 研究的内容、方法及总体方案 _22.1 设计内容 _22.2 设计方法 _22.3 总设计方案 _22.3.1 系统框图 _32.3.2 功能的设定 _32.3.3 硬件的选择 _3第二章 _43 基于单片机的空气质量检测仪硬件部分设计 _43.1 空气质量检测仪系统简介 _43.1.1 系统硬件结构及原理 _43.2 AT89S52 单片机简介 _43.21AT89S52 单片机扩充口电路 _53.2.2 复位电路模块 _53.3 传感器的选用 _63.3.1 气体传感器 _63.3.2 温湿度传感器 _73.3.3AM2301 电气特性 _103.4 放大滤波电路的设计 _143
5、.5 模数转换电路设计 _153.6 声光报警电路设计 _163.7 液晶显示电路设计 _163.8 按键电路设计 _20本章小结 _22第三章 _234 基于单片机的空气质量检测仪的软件设计 _234.1 系统软件设计思路 _234.2 主程序设计 _244.2.1 主程序模块 _244.2.2A/D 转换模块 _254.2.3 液晶显示模块 _254.2.4 声光报警模块 _26本章小结 _28第四章 _295 仿真测试 _295.1 常见的硬件故障 _31专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 II 页 共 II 页5.2 硬件的调试方法 _31本章小结 _32结束语 _33
6、致谢 _34参考文献 _35附录一 _36附录二 _37专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 45 页1 绪论1.1 空气质量检测仪研究的目的随着科技的日新月异，生活环境的变迁，人们开始追求高质量的生活环境。在人的一生中绝大多数的时间会在室内度过的，这样实际上与室内挥发性有害气体的接触时间会比户外多上很多，因此室内的空气的好坏直接影响的人的身体健康，尤其是弱势群体。本文研究的室内污染物主要是 VOC,VOC 的定义一般分为两种一是指不会造成危害挥发性有机物；另一种是有害的挥发性有机物。本文研究的是会产生危害的挥发性有机物。VOC 包括各种挥发性的有机化合物主（主要指室
7、内） ，在室内环境中有害的挥发性有机物有上百种之多。在室内主要的 VOC 气体主要要来自燃烧产物、建筑装饰材料、家具等。VOC 是由许多不同部分物体所挥发的有机气体，也被称为碳氢化合物。一般情况下 VOC 的挥发是由压力引起的。根据调查发现，如果不能使室内空气流通，当室内的 VOC 气体浓度达到一定的程度时，就会引起头痛、恶心等症状，严重时甚至引发晕厥造成记忆力减退等严重后果。综上所述本文的研究价值就有所体现。本设计另一个功能温湿度的检测则可以提醒使用者当前室内的温度与湿度的情况，进行通风或者加湿，这样给使用者提供一个舒适健康的环境。第一章专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2
8、 页 共 45 页2 研究的内容、方法及总体方案2.1 设计内容以单片机为核心、传感器为辅。实现对当前室内的挥发性有害气体的浓度监控和当前温湿度的显示，当超过标准时会进行声光报警。2.2 设计方法查阅资料选着所需元器件，设计流程图进行程序的编程使用仿真软件进行仿真调试。2.3 总设计方案本设计用传感器进行数据的采集（挥发性有害气体和温湿度）送入 A/D 转换器中进行模数转换后，将单片机可识别的数字信号送入单片机内进行数据的处理，显示用 LCD 点阵式液晶屏显示，使其具有良好的显示界面，电源采用锂电池供电，当超过标准或设定值后会进行声光报警。2.3.1 系统框图2.3.2 功能的设定显示采用 L
9、CD1602 液晶显示屏，实现 1.温度 2.湿度 3.挥发性有害气体的浓度显示，当超过安全范围时进行声光报警。其中传感器温度测量的范围为-40C80C、湿度测量范围为 099.9%RH。具调查研究表明当室内温度为23C28C（夏季） ；18C23C（冬季）湿度在 30%RH%RH 人体最为舒专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 45 页适。其设定值可根据用户的需求设定。VOC 挥发性气体检测值为 01000ppm，根据国家规定室内 VOC 气体低于 0.6mg/m3 为安全值，当超过时会报警，提醒使用者进行通风。2.3.3 硬件的选择AT89S52 具有 8Kb 的
10、 ROM，有着上千擦写功能且相关资料多，容易购买，价格低等优点满足本文设计所需，在传感器部分考虑根据性能、价格和合适本设计的需求后，选用 MS1100VOC 气体传感器和 AM2301 温湿度传感器。在模数转换器件的选择上考虑本设计的需求精度要求不是很高，所以选择性能满足设计需求的且价格低廉的 ADC0809。专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 45 页第二章3 基于单片机的空气质量检测仪硬件部分设计3.1 空气质量检测仪系统简介基于 AT89S52 单片机的空气质量检测仪的设计是对当前室内挥发性气体即VOC 的浓度进行监控同时显示当前室内的温湿度。本设计显示装置采
11、用 LCD1602液晶显示屏，具有良好的操作界面。考虑在测量值超过设定值时需进行报警提醒使用者，所以设计一个声光报警。基于单片机的空气质量检测仪体积小、功耗低、价格低、操作简单，适用于进行当前室内质量的检测。3.1.1 系统硬件结构及原理本设计采用的使用的是 Atmel 公司的一款 8 位低功耗、高性能的 AT89S52单片机做为控制核心，挥发性气体通过 MS1100 传感器进行检测、采集数据输出与浓度相应的电压信号，将该信号放大后按相应的频率由 ADC0809 进行模数转换后送进单片机进行数据采集处理后进行显示。单片机对数据进行数字处理后由 LCD1602 液晶显示屏显示出当前室内 VOC
12、气体浓度值及温湿度。若空气中VOC 气体的浓度有超过国家标准（0.6mg/m3）将会触发声光报警系统，温湿度显示同理。3.2 AT89S52 单片机简介随着计算机技术的飞速发展。单片机作为计算机技术的一个分支，具有集成度高、可靠性高、控制能力强、低电压低功耗、体积小、易于嵌入等优点。广泛应用于工业、自动化行业、家用电器、智能玩具等多方面领域。根据本设计的情况，选用市场上价格低廉满足设计需求的 Atmel 公司的 AT89S52 单片机。专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 45 页图 3.23.21AT89S52 单片机扩充口电路考虑 AT89S52 的管脚不够用采用
13、 8255A（可编程外设接口电路）进行扩充，其中把 AT89S52 单片机的 P0 口作为扩充口，P2 口用于 LCD1602 液晶显示。8255A 的 PA 口用于报警灯的状态，PB 口用于 A/D 转换后输入，PC 口按键状态的输入端。如图 3.2.1 示图 3.2.13.2.2 复位电路模块复位电路接到 AT89S52 单片机的 RST 引脚上，用于实现单片机程序的初始化。当系统发生错误或者操作失误都可以通过复位电路回到初始状态。复位电路有自动复位和手动复位，本设计采用上电/按键手动复，如下图 3.2.2 示专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 45 页图 3.
14、2.23.3 传感器的选用3.3.1 气体传感器国内外常见器敏传感器有 1.QM-B 型薄膜器敏元件 2.TGS816 型器敏传感器3.TSG109 型器敏传感器 4.EGS-NO2A 型气敏传感器 5.TC-4 型可燃气体探测器 6.氧气测定器 7.FT626 环境氡 仪 8.ZAL 型红外气体分析仪。一般可分为固态电解质气敏传感器、声表面波（SAW）气敏传感器、半导体气敏传感器、金属栅 MOS气敏传感器、真空度气敏传感器、气体分析传感器、微波气体成分传感器、光成分分析传感器等。固态电解质气敏传感器固体电解质气敏传感器以离子为导体的传感器主要有固体电解质和气敏元件两个部分组成。常用于温室中
15、CO2 浓度的检测。具有良好的灵敏性和稳定性。声表面波气敏传感器声表面波气敏传感器的结构通常分为两种一种是采用 SAW 延迟线，另一种是采用谐振器，在我国常用的 SWA 延迟线型的声表面波气敏传感器。由于声表面波气敏传感器具有精度高、抗干扰能力强且不需要接模数转换器等优点。虽然其复杂程度高，但在各领域都被广泛使用。半导体气敏传感器半导体气敏传感器主要的组成部分为氧化物半导体材料。半导体材料的特专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 45 页殊性使气体可改变半导体材料载流子的浓度，这样使得的半导体的导电程程度得到了改变。因为半导体气敏传感器理想的工作温度达几百摄氏度，所以
16、一般场合不使用。金属栅 MOS 气敏传感器采用能溶解氢的金属钯（Pd）作为 MOSFET 的栅极材料，研制成能对氢气及某些无机含氢气体具有敏感作用的气敏 MOSFET,成功地将半导体技术引入到气敏传感器领域。真空度气敏传感器真空度气敏传感器是用在空气稀薄（空气稀薄气体压力 1 atm 以下）的场合。是空气稀薄气体压力（1 atm 以下）的真空计，在实际应用中检测的是在一定温度和压力下气体容量器的气体量传感器。微波气体成分传感器微波气体传感器是指在微波范围内，极性气体能够吸收与其转动能级间隔对应的微波，利用极性分子的这一特点可构成对其他成分不起干涉作用的分析仪。光成分分析传感器光成分分析传感器是
17、用光学方法分析试样成分的传感器。本设计采用以 MS1100 传感器，MS1100 传感器主要由气体感应探头、感应灵敏度模块和引脚组成。与其他传感器一样采用 5V 电压进行供电，检测的浓度范围在 01000ppm。如果进行过预热的话，那么其响应的时间只需 5S,向 AD 转换器送模拟信号只需 10S 左右。工作的温度需要在-20C 到 60C 之内，正常的 MS1100 传感器工作年限为 5 年。在进行当前室内挥发性有害气体的检测，MS1100 传感器具有很高的灵敏度和稳定性，能够检测到 0.1ppm 以上的挥发性气体，价格低、响应速率快等优点。3.3.2 温湿度传感器温湿度传感器是用于测量温度
18、量和相对湿度量。基于本设计测量的温湿度要求选择价格低廉性价比较高的数字式温度传感器 AM2301。实物如图 3.2.2 所示专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 45 页图 3.2.2AM2301 引脚分配如图 3.3.3图 3.2.3电源引脚（VDD GND） AM2301 的供电电压为 5V。 串行数据（SDA）SDA 引脚为三态结构，用于读、写数据。AM2301 产品概述AM2301 数字式温湿度传感器是一款复合型传感器有着独特的温湿度检测传感技术和数字转换模块技术，有着很强的稳定性。AM2301 传感器是由电阻式感湿元件和 NTC 测温元件组成与所选的 AT8
19、9S52 单片机相连接，具有非常快的响应速度抗干扰能力强和高性价比等优点。AM230 传感器在出厂前将校准的系数存储在 OTP 中，传感器在实际检测过程中会根据事实数据与存储的程序进行比对然后调用这些系数。AM2301 采用单线制串行接口，这样使系统集成变得简易且降低系统的功耗。因为采用串行接口使其信号再传输时得到了加强，这样大专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 45 页大超过了使用其他接口所传输的距离，经过多次测量其传输可达 20 米之远。AM2301 传感器采用了 4 个引脚分别为电源引脚、数据传输口、接地脚和一个空脚这样设计方便与单片机连接。传感器的性能相对湿
20、度表如表 3.3.4 所示表 3.2.4 AM2301 相对湿度表25CAM2301 时相对湿度最大误差相对温度性能表 3.2.5专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 45 页表 3.2.5 相对温度性能温度传感器的温度最大误差图3.3.3AM2301 电气特性单总线通信单片微型计算机（微处理器）与 AM2301 传感器模块的单总线连接电路如图 3.3.3 所示。串行数据上拉后与微处理器的 I/O 端口相连。 在使用 AM2301温湿度传感器时需要考虑数据传输的长度，因为经过多次测量结果中发现如果数据传输线没有 30 米的话就必须要接上一个约 5.1K 的上拉电阻，
21、当超过 30米的话根据实际情况来减小其上拉电阻的阻值。 在电压供电时应考虑所选电压专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 45 页对接线长度的影响。否则会造成线路压降过使传感器得不到足够的供电，使测量产生偏差。 设计时考还需虑传感器的间隔时间以保证不出差错。传感器的测量一般隔时间为 2S。为保证能准确获得实时准确的数据，需多次进行数据的读取。图 3.3.3AM2301 单总线典型电路单总线通信协议 AM2301 采用简化的单总线通信。系统中的数据传输、控制都是由数据据线来实现的。采用三态端口连接该数据线，这样在不需要发送数据的时候，会断开总线，这样其他设备就可以使用单
22、总线进行通信。为了保证在单总线在不工作时保证其状态为高电平，所以需使用单总线连接时外接一个 5.1K 的电阻。由单总线的定义可以知道使用单总线采用了主从结构，即只有当主机向传感器发出感应信号时传感器才会工作。所以需要严格的遵循单总线的通信协议，当传输时序出现了混乱，那么传感器将不会工作。采用单总线通信传输是由单片微型计算机和传感器同步通信，这样一次可传输 40 位以上的数据，和其他传输方式相同都是先送高位数据。 通信如图 3.3.4 所示AM2301 单总线通信协议如表 3.3.5 所示专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 45 页表 3.3.5AM2301 单总线
23、通信协议单总线通信时序采用单总线通信时微处理器发出一个需 0.8ms 响应的起始信号，这样传感器才能从休眠状态转换成运行状态。等到主机初始信号发送结束后，AM2301 传感器发送响应信号，从串行口送出数据，其中数据的传输从高位开始；顺序依次为湿度、温度和校验位， 在数据传输结束后进行信息采集，采集结束后传感器进入待机状态，直到下一次通信信号响应，如图 3.3.6 所示图 3.3.6 M2301 单总线通信时序AM2301 传感器读取的数据为上一次的数值，如果测量间隔长，那么对上一次的数据进行两次间隔 2S 的读取 。单总线信号特性如表 3.3.7 所示专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文
24、 ） 第 13 页 共 45 页表 3.3.7 单总线信号特性应用信息当超过 AM2301 传感器设定的工作范围会导致相对湿度漂移 3%左右的信号。当回归到正常工作条件后,AM2301 传感器会慢慢的恢复到正常状态。在正常环境下的湿度与温度有着密切相关的联系，所以在测量时应保证湿度传感器在相同的温度下工作，及安装时应该和放热元器件共用一个线路板保持良好的通风。如果在不正常工作条件下长时间使用的话会导致传感器的老化速度加快降低产品的使用寿命。所在使用 AM2301 传感器时应注意需注意使用场合，如果将本传感器长时间放置在太阳光下或着很强的紫外线辐射中，会导致其性能下降。使用时应避免将元件长期放在
25、室外和过于干燥等非正常环境中。 本传感器对化学环境尤其敏感如果长期将 AM2301 传感器放入化学环境中那么组成传感器中的电容式湿度传感器的感应层会被腐蚀这是所测的测量值将会不稳定且灵敏度下降，严重时会导致传感器彻底损坏。在出现导致传感器所测数据不准确可将其放入在温度大约为 45 和 10%RH 左右的湿度条件下保持 2 小时（烘干）后在将其放入温度在 20-30和70%RH 左右的湿度条件下保持 5 小时以上，可使其恢复到初始设定状态。数据的通讯方式通用的有并行和串行通讯两种。并行通讯是将数据同时进行传输，而串行通讯则是将数据字节分成一位一位进行传输。本设计传感器与单板机采用采用串行通信。如
26、图示 3.3.8 示专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 45 页图 3.3.83.4 放大滤波电路的设计因为所选用传感器输出的被测对象的信号非常小，放大容易引起零点漂移、自激干扰等，因为所测传感器信号变换速度不快。综合实际情况和性价比选用单端供电的仪表放大器 AD623 来实现信号放大的任务。AD623 引脚排列图如图 3.4所示图 3.4考虑放大倍数的需求需要在 AD623 的正向输入端加上一个滤波电容，进行信号的滤波在选择增益电阻上根据计算选择 1K 电阻，控制放大倍数在 100 倍左右。该滤波放大电路的输出电压，满足 ADC0809 的的输入电压的需求，其接
27、线图如图 3.4.1 所示专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 45 页图 3.4.13.5 模数转换电路设计因为传感器采集的信号为模拟信号，单片机只能识别数字信号不能直接识别模拟信号。所以需要添加一个中间环节进行转换，将传感器采集的信号进行模数转换后送入单片机综合考虑 ADC0809 足够设计所需。电气原理图如图 3.5 示图 3.53.6 声光报警电路设计为使 VOC 气体和温湿度的检测效果体现出来，再原设计的基础上添加声光专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 45 页报警系统。声光报警系统主要由 VOC 气体检测灯、湿度检测灯、温度
28、检测灯和一个蜂鸣器组成。当 VOC 气体含量超标时等 1 闪烁并且蜂鸣器报警，当湿度超标时灯 2 闪烁且蜂鸣器鸣响，当温度超标时灯 3 闪烁且蜂鸣器鸣响如图 3.6 示图 3.63.7 液晶显示电路设计由于本设计的显示要求不高，只需显示当前室内空气中 VOC 气体的浓度及室内实时的温湿度测量值，所以选用 2*16 的 LCD1602 液晶显示屏即可满足需求。其实物图 3.7 如下专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 45 页图 3.7液晶显示的原理是根据液晶具有的特性，根据电压对液晶影响的原理，从而显示出需要的图形。液晶的显示分为字符式、点阵式等，其显示的数据的颜色
29、可自己选择。LCD1602 的基本参数及引脚功能LCD1602 在市场上常见得有带背光和不带背光两种，基控制器为 HD44780，带背光的 LCD1602 比不带背光 LCD1602 的要厚，但有没有背光在实际的使用中没有什么区别。如图 3.7.1专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 45 页图 3.7.1LCD160 技术参数：本设计选用的显示为 162 个字符 工作电压为 5V 选用的尺寸为 2.954.35(WH)mm引脚功能说明LCD1602 各引脚接口说明如表 3.7.2 示表 3.72 1602LCD 各引脚接口说明LCD1602 内部的控制器控制指令如
30、表 3.7.3 所示专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 45 页表 3.7.3LCD1602 内部的控制器控制指令读操作时序如图 3.7.4 所示图 3.7.4写操作时序如图 3.7.5专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 45 页图 3.7.51602LCD 的 RAM 地址映射及标准字库表如图 3.7.6 所示图 3.7.63.8 按键电路设计根据设计内容需 5 个按键，分别为复位按键、设定功能键、切换功能键、确定键和返回键。如图 3.8 示专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 45 页图 3.8专科毕
31、业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 45 页本章小结本章介绍了基于单片机的空气质量检测仪的主要的硬件主成元器件和各元器件组成的硬件电路模块的工作原理。在开始对整个设计的功能进行了介绍，然后对各个组成模块的功能进行了的介绍，然后根据元器件的在设计中的作用，将这些元件件构成的电路进行模块化，即做成一个个块。这样在总电路图设计时，只需将这些模块进行连接即可。这样不仅可以简化电路图的复杂度还可以快速找出问题的出处，便于修改。第三章专科毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 45 页4 基于单片机的空气质量检测仪的软件设计4.1 系统软件设计思路在完成硬件的设
32、计后，如果没软件那么所设计的产品将会是无用的装饰品。如此体现了软硬件之间具有不可分割的关系。编程语言分为机器语言、汇编语言和高级语言三大类。其中机器语言晦涩难懂且编辑周期长不易维护等缺点，虽然实时性、运行的快速性是其他两大语言无法替代，但其缺点难以克服，现已经基本上不在使用。汇编语言也是由指令组成但由于采用助记符，相对机器语言要容易阅读，需要对硬件的结构和性能熟悉，具有实时性、准确性。缺点是出现错误时不易排查且维护比较困难。高级语言是一种接近自然的语言，使用高级语言进行编程时只需对所用单片机的内部结构和外设有一定理解即可。综合本设计涉及的内容的复杂度和学习过的语言，选用 C51 进行程序的编辑。用 C51 进行程序的编程有着很高的效率、运行速度快和易移植性且可进行模块化这样使程序变的容易阅读和修改。软件功能功能模块 功能描述温湿传感器采集模块对当前室内温度和湿度的检测AD 转换模块 1.完成模拟信号采样2.实现模数信号的转换与单片机进行数据传输微控制器模块 1.系统接口的分配2.人机接口控制3.各模块协调工作人机接口模块 1.按键控制2.动态信息显示综合考虑软件设计的要求本设计分为各模块的子程序设计和 C51 编程。软件设计子程序中包含：主程序模块子程序、液晶显示模块子程序、A/D 转换模
