1、中文题目：基于单片机的室内环境监控系统设计外文题目：DESIGN OF INDOOR ENVIRONMENT MONITORING SYSTEM BASED ON MCU毕业设计（论文）共 70 页（其中：外文文献及译文 7 页） 图纸共 1 张 完成日期 201 年 6 月 答辩日期 201 年 6 月本科毕业设计（论文）学生诚信承诺保证书本人郑重承诺：基于单片机的室内环境监控系统设计毕业设计（论文）的内容真实、可靠，系本人在指导教师的指导下，独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担全部责任。学生签名：年 月 日本科毕业设计（论文）指导教师诚信承诺保证书本人郑重承诺：我已按学校相关规
2、定对同学的毕业设计（论文）的选题与内容进行了指导和审核，确认由该生独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担指导教师相关责任。指导教师签名：年 月 日I摘要随着社会的发展，生活质量的提高，越来越多的人意识到房屋装修后所残留的气体对人体的伤害，而房屋装修后所残留的有害气体主要为甲醛。而甲醛的挥发又与温度和湿度有关，对此研究并设计一种检测室内温湿度和甲醛浓度的监控系统就很有必要。该系统的设计方案是基于单片机来实现的，选择温湿度传感器和有机气体传感器，传感器将采集到的数据经 A/D 转换送至单片机，单片机对数据进行处理后将温湿度和甲醛浓度显示，同时分析数据是否超标。当温湿度超标时，单片机通过蜂
3、鸣器报警提醒人们来调整温湿度；当甲醛浓度超标时，单片机通过启动风机来降低甲醛浓度。此外，还能通过红外遥控器对系统进行控制。综上所述，本设计具有实时检测室内温湿度以及甲醛浓度、实时显示、温湿度超标报警、甲醛自动净化和红外遥控等功能，这些功能的实现可有效减少室内甲醛，为人们的生活环境提供有效的防护，并为人们提供了一个更加舒适、健康的环境，关键词：甲醛；单片机；液晶显示；报警；红外遥控IIAbstractWith the development of the society and the improvement of life quality, more and more people reali
4、ze that the residual gas after the building is decorated, the harm of human body and the harmful gas of the residue after the building is decorated mainly for formaldehyde. And the volatilization of formaldehyde is related to temperature and humidity, and it is necessary to study and design a monito
5、ring system for indoor temperature humidity and formaldehyde concentration. Design scheme of the system is based on single chip microcomputer to realize, choose organic gas sensor, the temperature and humidity sensors and sensor data will be collected by A/D conversion sent to the single-chip microc
6、omputer, single chip microcomputer to deal with the data after the temperature and humidity and formaldehyde concentration showed that excessive analysis data at the same time. When the temperature and humidity is above the standard, the single chip is called by the buzzer to alert people to adjust
7、the temperature and humidity. When the concentration of formaldehyde is excessive, the single chip can reduce the concentration of formaldehyde by starting the fan. In addition, the system can be controlled by an infrared remote control. To sum up, this design has the real-time detection of indoor f
8、ormaldehyde concentration, temperature and humidity, and real-time display, temperature and humidity levels, automatic alarm, formaldehyde purification and infrared remote control, and other functions. The implementation can reduce indoor formaldehyde effectively, provide effective protection for pe
9、oples living environment, provide a more comfortable, healthy environment for people.Key words: formaldehyde; MCU; Liquid crystal display;Alarm; Infrared remote control目录0 前言 .11 方案论证 .32 硬件电路设计 42.1 单片机 42.1.1 单片机选型方案对比 .42.1.2 STC89C52 简介 .42.1.3 单片机最小系统 52.2 温湿度采集电路设计 .72.2.1 SHT11 温湿度传感器简介 72.2.
10、2 SHT11 的工作原理 .82.2.3 温度和湿度值的计算 .92.2.4 SHT11 的安装与连接 .112.3 气体传感器模块设计 112.3.1 气体传感器 MQ138 简介 112.3.2 MQ138 预警值的计算 132.3.3 MQ138 的安装与连接 132.4 A/D 转换电路设计 142.4.1 ADC0804 简介 142.4.2 A/D 转换电路 152.5 显示电路设计 .152.5.1 方案对比 152.5.2 LCD12864 简介 .152.5.3 显示电路连接 162.6 报警电路设计 .172.7 红外遥控系统设计 182.7.1 红外遥控发射器设计原理
11、182.7.2 红外编码芯片及其工作原理 .182.7.3 红外发射电路设计 .212.7.4 红外接收电路设计 .222.8 执行电路设计 .232.9 电源电路设计 .253 程序设计 .263.1 主程序设计 .263.2 温湿度检测程序设计 273.3 A/D 转换程序设计 .273.4 LCD12864 显示程序设计 .283.5 蜂鸣器报警程序设计 293.6 红外接收程序设计 .293.7 执行电路程序设计 .304 技术经济分析 315 结论 .32致谢 .33参考文献 .34附录 A 译文 35附录 B 外文文献 38附录 C 原理图 .42附录 D 程序 43大学毕业设计（
12、论文）10 前言甲醛是室内挥发性有机物中最主要也是最具危害的污染源，它广泛存在于家具、地板、油漆等室内装修材料中。它主要对人体的神经系统及呼吸系统症状造成损害，空气中含有少量甲醛就会引起人体的不适，轻者导致皮肤过敏、呼吸道发炎，重者可能导致基因突变，引起鼻咽肿瘤。我国规定居室空气中甲醛的最高允许浓度为 0.6ppm，即 0.08 mg/ 。研究表明，甲醛的挥发和温湿度有着密切的联系，同时考虑到温湿度还和人体的3舒适感密切相关，因此很有必要开发一套集温湿度和甲醛浓度为一体的室内环境监控系统。室内环境监控系统的理论非常简单，即通过传感器采集环境数据传送至处理器，然后处理器对数据进行分析后作出相应的
13、处理。室内环境监测系统出现较早，最早可追溯至二战之后，美国在进行放射性物质研究时为了保护科学家的安全，对室内环境的各项指标都进行了严密的监测。传统的室内环境监测系统只是检测室内温湿度和有害气体的浓度，并没有后续的控制措施，存在人性化差、实用性不高的缺点，同时受限于当时的科技水平，传感器和处理器的性能较差，造成了传统室内环境监测系统还存在着采样次数少、实时性差、精度低、体积大等缺点。随着现代微电子技术的发展，传感器和处理器的性能在不断提高的同时，体积也越来越小，这使得基于微处理器的室内环境监控系统功能更多、体积更小、精度更高，不仅能够实时监测室内温湿度和有害气体浓度，还具有液晶显示、自动净化空气
14、的功能，真正实现了室内环境的监测和控制。随着互联网和智能控制技术的发展，室内环境监控系统的发展趋势也越来越趋向于智能家居系统，即通过互联网将传感器和家用电器连接在一起，传感器将数据上传，家用电器（比如空调、电动窗帘等）根据上传的数据自动进行相应的操作，并且可以通过智能手机终端远程监控，虽然该系统更加的自动化和智能化，但是系统庞大、成本过高阻碍了其在市场上的推广，目前只有很少一部分用户使用，大部分家庭对于其过高的成本望而却步。针对上述情况，基于微处理器的室内环境监控系统仍然符合市场需求，本设计的原理框图如图 0-1 所示，整个系统以单片机为控制核心，采用一体化温湿度传感器和有机气体传感器，传感器
15、将采集到的环境数据经过 A/D 转换为数字量传送至单片机，单片机对数据处理后将温湿度和甲醛浓度显示在液晶显示器上，同时单片机将数据与提前设定的预警值进行比较，若温湿度超过设定的预警值，单片机使蜂鸣器发出间歇性的蜂鸣声，提醒人们打开空调或采取其他措施来调整温湿度，若甲醛浓度超过设定的预警值，单片基于单片机的室内环境监控系统设计2机则启动风机来净化甲醛，当甲醛浓度回到预警值范围之内时，单片机关闭风机。此外，本设计还加入了红外遥控器，通过红外遥控器可以控制系统的开/关、设置温湿度及甲醛浓度预警值、控制风机的开/关。综上所述，本设计除了能够实时监测室内温湿度和甲醛浓度、液晶显示和自动净化甲醛，还具有温
16、湿度超标报警和红外遥控的功能，使得系统更加人性化。温湿度传感器有机气体传感器单片机红外遥控器A / D转换实时显示报警风机图 0-1 原理框图Fig.0-1 The principle diagram本系统针对广大市场而设计，价格低廉、性能优异，不仅能为人们提供一个舒适、健康的生活环境，而且能在最大程度上节约电能，在大力提倡节能环保的今天，本设计有着重要的经济价值和现实意义。1 方案论证本次设计的基于单片机的室内环境监控系统所适用的场所为 1525 的居家卧室，2具有预警值设置、温湿度和甲醛浓度检测、液晶显示、超标报警、自动净化甲醛等有害气体、红外遥控的功能。根据以上功能，本系统的硬件电路包括
17、单片机、温湿度采集电路、甲醛采集电路、A/D 转换电路、液晶显示电路、报警电路、红外接收电路、红外发射电路、执行电路以及电源电路。单片机采用 STC89C52，数据采集电路采用一片温湿度传感器 SHT11 和一片有机气体传感器 MQ138 进行数据采集；A/D 转换电路采用一片 ADC0804；液晶显示电路采用一块 LCD12864；报警电路采用一个蜂鸣器；红外接收电路采用一个一体化红外接收头RPM6938；红外发射电路采用一片红外编码芯片 PD6121G；执行电路采用一个大学毕业设计（论文）3BTN7970B 电机驱动芯片和一个 12V 离心风机，风机后面安装一片家用有害气体过滤网。下面详细
18、介绍本系统的具体工作流程。本系统在首次使用时，可通过红外遥控器分别设置温度和湿度的预警值，系统默认温度设置为 20 25 ，湿度设置为 40 70 RH。甲醛浓度的预警值根据国家标准已提 % %前设置为 0.6ppm，设置好温湿度传感器和甲醛传感器的预警值后整个系统开始后续的工作。1）温湿度传感器 SHT11 将检测到的温湿度模拟量经过其内部 A/D 转换变为数字量并传送给单片机，然后单片机将数据进行处理之后进行显示，同时单片机将检测到的温湿度与设置的预警值进行比较，若超过预警值，单片机使蜂鸣器报警，提醒人们打开空调或采取其他措施对室内温度及时调整。2）有机气体传感器 MQ138 将检测到的甲
19、醛模拟量通过外部 A/D 转换器 ADC0804 转换为 8 位数字量并传送给单片机，然后单片机对数字量分析与处理，并将检测到的甲醛浓度与设置的预警值进行比较。若甲醛浓度超过预警值，则在液晶显示屏上显示“甲醛超标”字样，同时单片机通过执行电路启动风机对甲醛进行净化；当甲醛浓度回到预警值之下时，关闭风机，并在液晶显示屏上显示“甲醛正常” 字样。3）红外遥控器除了具有开/关机、静音、设置温湿度上下限的功能外，人们还能根据的实际嗅觉感受随时开启风机对室内空气进行净化。因为本系统采用的有害气体滤网由活性炭以及高效吸附材料构成，不仅可以有效净化甲醛，而且还可以有效过滤掉 PM2.5、粉尘，花粉，去除房间
20、异味。2 硬件电路设计2.1 单片机2.1.1 单片机选型方案对比方案一：AVR 单片机属于精简指令系统计算机。AVR 单片机具有很多 51 系列单片机没有的优点：它的时钟源可以直接提供给 CPU 使用，而不用经过内部分频；它的 I/O口全部是真正的双向 I/O 口；内部具有丰富的中断及寄存器资源；AVR 使用的是超功能精简指令集，这使得其运行速度和数据处理能力大大提高。方案二：STC89C52 属于 51 系列单片机中的一种，相比于 AVR 单片机，它使用的是复杂指令系统，因此它的运行速度远不及 AVR 单片机；STC89C52 中的所有通用寄存器基于单片机的室内环境监控系统设计4均可直接与
21、立即数打交道，而 AVR 单片机的 32 个通用寄存器中前 16 个寄存器都不能直接与立即数打交道，这使得 STC89C52 的通用性更好。此外，相比于 AVR 单片机高昂的价格，STC89C52 还具有价格上的优势。综上所述，由于 STC89C52 具有更好的通用性和价格上的优势，因此本设计最终选择了 STC89C52 单片机。2.1.2 STC89C52 简介STC89C52 的外部引脚如图 2-1 所示。图 2-1 STC89C52 外部引脚图Fig.2-1 STC89C52 external pinsSTC89C52 共有 40 个外部引脚，各个引脚的功能及说明如表 2-1 所示。表
22、2-1 STC89C52 引脚功能说明表Tab.2-1 Pins function specification table of STC89C52功能 说明 接+5V 电源GND 接数字地XTAL1 片内振荡反相放大器和时钟发生器电路输入端XTAL2 片内振荡反相放大器和时钟发生器电路输出端RST 复位信号输入端，高电平有效片外程序存储器的读选通信号，低电平有效ALE/ 访问外部存储器地址锁存信号 /编程脉冲输入端/ 外部程序存储器访问允许控制端 /编程电源输入端大学毕业设计（论文）5P0 口 双向 I/O 口，内部无上拉电阻，可驱动 8 个 LS 型 TTL 门电路。扩展外部存储器及 I/O
23、口时，可作为低 8 位地址总线及数据总线的分时复用端口。P1 口 准双向 I/O 口，内部有上拉电阻，可驱动 4 个 LS 型 TTL 门电路。P2 口 准双向 I/O 口，内部有上拉电阻，可驱动 4 个 LS 型 TTL 门电路。扩展外部存储器及I/O 口时，可作为高 8 位地址总线。P3 口 准双向 I/O 口，内部有上拉电阻。P3 口还可提供第二功能。P3 口作为第二功能使用时，每一位都有特定用途，P3 口的每一个端口都可单独定义为普通输入/输出口或者第二功能口，其特殊用途如表 2-2 所示。表 2-2 P3 口第二功能表Tab.2-2 second function table of
24、P3端口引脚 第二功能 注释P3.0 RXD 串行口数据接收端P3.1 TXD 串行口数据发送端P3.2 0 外部中断请求 0P3.3 1 外部中断请求 1P3.4 T0 定时 /计数器 0 外部计数输入P3.5 T1 定时 /计数器 1 外部计数输入P3.6 外部 RAM 写选通信号输出P3.7 外部 RAM 读选通信号输出2.1.3 单片机最小系统单片机最小系统是指能够使单片机正常工作的最简单的电路系统，除单片机之外，单片机最小系统还包括时钟电路、复位电路和电源电路，下面介绍时钟电路和复位电路，因为本设计的温湿度传感器、有机气体传感器、液晶显示器、风机等器件都需要用到电源，因此电源电路在后
25、面的章节介绍。1）时钟电路图 2-2 是 STC89C52 采用内部时钟方式的连接电路，单片机芯片引脚 XTAL1（19 脚）、XTAL2（ 18 脚）外接石英晶体和电容。因为单片机的运行速度和晶体的振荡频率成正相关，所以本设计中时钟电路的石英晶体选择振荡频率较高的 12MHz，电容 选1和 2择典型值 30pF。基于单片机的室内环境监控系统设计6图 2-2 内部时钟方式的连接电路Fig.2-2 The wiring circuit of the internal clock mode2）复位电路对于本设计中的 STC89C52 来说，只需要给它的复位引脚 RST 加上大于两个机器周期（也就是
26、 24 个时钟振荡周期）的高电平就可使其完成复位。总的来说，单片机有三种复位方式，即上电自动复位、按键手动复位和看门狗复位。上电自动复位是通过系统接通电源时 RST 引脚通过电容与电源 接通实现的；按键手动复位有按键脉冲复位和按键电平复位两种，按键脉冲复位是利用 RC 微分电路产生正脉冲来实现的，按键电平复位是通过 RST 引脚通过按键按下后经电阻与电源 接通来实现；看门狗复位是通过内部看门狗芯片和程序来实现。本设计采用结构简单性能稳定的按键电平复位电路。按键电平复位电路如图 2-3 所示，当系统上电时，电源通过电阻 R6 对电容 C3 进行充电，充电过程中电容 C3 相当于短路，因此 RST
27、 端就得到了一段时间的高电平，电容C3 充电完成后相当于开路，RST 端变为低电平，完成上电复位；当程序运行出错（比如程序“跑飞”）或操作错误使系统处于 “死锁”状态时，可按下复位键 S1 使单片机复位。当按下 S1 时， RST 端直接与电源相连而变为高电平，同时电容 C3 被短路放电，当按键松开时，电源对电容 C3 再次充电，RST 端还是高电平，电容充电结束后，RST 端变为低电平，复位完成。图 2-3 按键电平复位电路Fig.2-3 Key level reset circuit大学毕业设计（论文）7综上所述，可以得到本设计的单片机最小系统如图 2-4 所示。图 2-4 单片机最小系统
28、Fig.2-4 The minimum system of MCU2.2 温湿度采集电路设计由于本设计要检测室内温度和湿度，所以要用到温度和湿度传感器，传统的设计方案分别使用了温度和湿度两个独立的传感器，需要另加校正和 A/D 转换，在硬件和软件设计上都比较复杂。通过查阅资料得知，集成式温湿度传感器的使用已经非常普遍，而且其技术和性能都已经成熟，能够同时检测温度和湿度，传感器内部还有 A/D 转换和校准寄存器，输出的温湿度精确度更高，SHT11 是这类传感器中的佼佼者，而且性能好价格便宜，所以选择 SHT11 来实现本设计。2.2.1SHT11 温湿度传感器简介本设计采用的温湿度传感器 SHT
29、11是瑞士 Scnsirion 公司推出的一款集温湿度传感器于一体的数字化集成式贴片型传感器，体积小且安装方便。SHT11 的湿度测量范围为0100% ，温度测量范围为-40+123.8 ，湿度测量精度为3% ，温度测量精度为RH RH0.4 ，而且它的功耗非常低，仅为 80 。SHT11的性能特点如下： 1）集成度高，该芯片同时具有温湿度检测、信号变换、A/D 转换和加热器等功能。2）采用二线串行数字接口，传输可靠性非常高。3）内置分辨率为814位的 A/D 转换器。4）测量精确度高，可对测量结果进行校正和补偿。因为 SHT11这些优异的性能所以它被广泛应用于室内、汽车等领域。SHT11 芯
30、片引脚如图 2-5 所示。基于单片机的室内环境监控系统设计8图2-5 SHT11引脚图Fig.2-5 SHT11 pinsSHT11引脚说明：1）DATA：双向数据线接口。2）SCK：输入时钟线接口。3）VDD：接+5V 电源。4）GND：电源地。5）NC：空脚。2.2.2 SHT11 的工作原理SHT11芯片内部包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，它们的介电常数都与温湿度成正相关，这两个敏感元件分别夹在两个独立电容的上下级板之间，当温度或者湿度发生变化时，敏感元件的介电常数也会随之发生变化，进而导致电容变化，之后输出电压随电容变化。该传感器具体的工作原理如图2
31、-6所示，两个测量元件分别将温度和湿度物理量转换为电压信号，但是这个电压信号太微弱，需要经过一个放大器放大之后送入芯片内部的一个 A/D 转换器将电压信号转换成数字信号，最后由二线串行数字接口传送至单片机。SHT11在出厂之前，都会先在恒温恒湿的环境中进行校准，然后将校准系数存储在校准寄存器中；使用过程中芯片会根据校准系数自动校准温湿度；此外，通过 SHT11内部加热元件的加热作用，能防止传感器在高湿环境中结露，但是加热后的测量结果相比于加热前会有所偏差。相对湿度测量元件相对温度测量元件放大器1 4 位 A / D转换器校准存储器总线接口和 C R C 寄存器S C KD A T AG N D
32、V D D图2-6 温湿度传感器工作原理图Fig.2-6 Temperature and humidity sensor working principle diagram大学毕业设计（论文）9因为 STC89C52使用的是通用 C 总线协议，而 SHT11的通信协议由生产厂家制定，2这导致两者的通信协议不兼容，所以需要通过单片机的 I/O 口来模拟 SHT11的通信时序。SHT11的通信协议为5个5位命令代码，单片机就是通过这 5个命令代码来实现对 SHT11的控制。5个命令代码的含义如表2-3所示。表2-3 温湿度传感器指令代码表Tab.2-3Table of temperature hu
33、midity sensor instruction code 命令代码 含义X00011 测量温度X00101 测量湿度X00111 读内部状态寄存器X00110 写内部状态寄存器X11110 复位其他 保留2.2.3 温度和湿度值的计算由 SHT11输出的温湿度值并不是真实的数值，还需要利用相应的公式对他们进行校正和补偿，其中温度值不需要进行补偿，只需利用校正公式就能得到其真实值，而湿度值要经过补偿后才能得到其真实值。1）温度值的计算SHT11输出的温度值具有良好的线性，因此所测得的真实的温度值可由式（ 2-1）得到。(2-1)=1+2在上式中， 为 SHT11所测得的真实温度值， 为 SH
34、T11直接输出的温度值， 和 1为常数，由表 2-4、2-5可得到它们的具体数值。2表2-4 的取值表1Tab.2-4 Value table of 1/V /1 /15 -40.00 -40.004 -39.75 -39.55基于单片机的室内环境监控系统设计103.5 -39.66 -39.393 -39.60 -39.282.5 -39.55 -39.19表2-5 的取值表2Tab.2-5 Value table of 2 /2 /214 位 0.01 0.01812 位 0.04 0.0722）湿度线性补偿和温度补偿SHT11直接输出的湿度值为相对湿度，与实际湿度有所偏差，主要表现在湿度
35、输出特性呈非线性和温度对湿度的影响，因此可以通过线性补偿和温度补偿对其进行修正。对湿度的线性补偿可由式（2-2）实现：（2-2）=1+2+32 在上式中， 为线性补偿过的湿度值， 为 SHT11直接输出的湿度值， 、 1和 为补偿系数，可由表2-6得到它们的具体数值。2 3表2-6 湿度线性补偿系数表Tab.2-6 Humidity linear compensation table 1 2 312 位 4 0.0405 2.81068 位 4 0.648 7.2104如果 SHT11所在的环境温度与测试参考温度25 相差较大的话，还需要对输出湿度按式（2-3 ）进行温度补偿。（2-3）=(2
36、5)(1+2)+在上式中， 为最终得到的室内湿度真实值， 为 SHT11所测得的温度值， 为 SHT11直接输出的湿度值， 为线性补偿过的湿度值， 和 为补偿系数， 1 2它们的具体数值可通过表2-7查询得到。表2-7 温度补偿系数表Tab.2-7 Table of temperature compensation factor大学毕业设计（论文）11 1 212 位 0.01 0.000088 位 0.01 0.001282.2.4 SHT11 的安装与连接考虑到本系统所使用的场所为卧室，温湿度传感器 SHT11 的安装位置为比床略高的床头以方便及时检测人体周围的温湿度。SHT11 与单片机
37、的连接如图 2-7 所示，图 2-7 温湿度传感器电路Fig.2-7 Temperature and humidity sensor circuitSHT11 通过数据线（DATA）和时钟线（SCK）跟单片机进行通信，其中数据线（DATA）外加上拉电阻接 5V 电源后接单片机的 P2.4 口，时钟线（SCK）接 P2.3 口用于和单片机通信同步。2.3 气体传感器模块设计2.3.1 气体传感器 MQ138 简介本设计要检测室内甲醛等有害气体的浓度，因此采用了室内最常用的有机气体传感器 MQ138，它不仅能检测室内甲醛，还能检测甲苯、丙酮、乙醇、氢气等有机气体，具有体积小、灵敏度高、检测范围宽、
38、工作稳定且寿命长、驱动简单、价格便宜等优点，广泛应用家庭、工厂有机气体的检测和报警。工作原理：MQ138 内部的测量元件为气体敏感材料二氧化锡，在清洁的空气中二氧化锡的导电率较低；当空气中存在甲醛等有机蒸汽时，二氧化锡的导电率就会升高，而且有机蒸汽的浓度越高，二氧化锡的导电率越高。因此 MQ138 在工作时其输出电流就随有机蒸汽的浓度而变化。MQ138 传感器芯片由微型陶瓷管、敏感元件、测量电极、加热元件四部分组成，其中微型陶瓷管起保护作用，测量电极用于输出测量数据，加热元件为芯片提供合适的工作温度。MQ138 芯片引脚如图 2-8 所示。基于单片机的室内环境监控系统设计12图 2-8 有机气
39、体传感器 MQ138 引脚图Fig.2-8 Organic gas sensor MQ138 pins diagramMQ138 的引脚功能说明：1）A（引脚 1、3）：测量极一端。A 管脚短接后接 5V 电源正极。2）B（引脚 4、6）：测量极另一端。B 管脚短接后接输出测量电流。3）H（引脚 2、5）：加热极。本设计采用的有机气体传感器 MQ138 的敏感元件在洁净空气中的测量电阻为10 ，甲醛浓度探测范围 010ppm，其标准工作条件和工作环境条件如表 2-8、2-9 所示：表 2-8 标准工作条件表Tab.2-8 Table of standard working conditions
40、符号 参数名称 技术条件 备注/V 回路电压 5 0.1 DC/V 加热电压 5 0.1 DC 加热电阻 31 3 加热功耗 小于 900mw表 2-9 环境条件表Tab.2-9 Table of environmental conditions符号 参数名称 技术条件 标准环境条件Tao/ 使用温度 20+50 202Tas/ 存储温度 20+70RH/ 相对湿度 小于 95% 65%5%2.3.2 MQ138 预警值的计算本设计使用的 MQ138 采用 5V 电压供电，甲醛预警值设置为国家标准大学毕业设计（论文）130.6ppm。MQ138 的内部电路连接如图 2-9 所示，在洁净的空气中
41、测得其内部二氧化锡的电阻为 10 ，所以输出电流为 0.5mA；当甲醛浓度为 0.6ppm 时，由于二氧化锡导电率升高其电阻降低为 8 ，此时输出电流增大到 0.625mA。因为 MQ138 输出的模拟信号要 经过 A/D 转换转化为数字信号才能被单片机识别，而 A/D 转换器输入的模拟量为电压信号，所以 MQ138 的输出电流要转换为电压，本设计在输出极和地之间加一个 2 的精确 电阻，那么当 MQ138 在洁净的空气中时输出电压为 1V，当甲醛浓度超过 0.6ppm 时输出电压就会超过 1.25V，所以当单片机从 A/D 转换器接收到的电压超过 1.25V 时就认为甲醛超标。图 2-9 M
42、Q138 内部电路连接Fig.2-9 MQ138 internal circuit connections2.3.3 MQ138 的安装与连接考虑到本系统所使用的场所为卧室，有机气体传感器 MQ138 的安装位置为比床略高的床头，随时检测人体周围的甲醛浓度，以便系统及时处理。MQ138 的电路连接如图 2-10 所示。图 2-10 MQ138 工作电路Fig.2-10 MQ138 working circuitMQ138 传感器 4 号和 6 号引脚短接后输出的模拟电流经电阻放大后连接到 ADC0804芯片的 6 号引脚，即模拟电压输入端。2.4 A/D 转换电路设计基于单片机的室内环境监控系
43、统设计14上节说道，气体数据采集电路输出的电压信号必须经 A/D 转换后才能传送给单片机，而 A/D 转换芯片的种类也非常多，考虑到本设计所适用的场合为室内，对转换速度和精度要求不是很高，因此最终选择 ADC0804 作为本设计的 A/D 转换芯片。2.4.1 ADC0804 简介本设计选用的 ADC0804 集成式 A/D 转换器采用 CMOS 工艺制造，外部有 20 个引脚，其主要参数如下：1）8 位分辨率；2）单通道 A/D 转换；3）输入输出电平与 TTL/CMOS兼容；4）5V 电源供电时输入电压在 05V 之间；5）工作频率为 650KHZ，转换时间为100S。ADC0804 芯片
44、引脚如图 2-11 所示：图 2-11ADC0804 引脚图Fig.2-11 ADC0804 pinsADC0804 芯片引脚功能说明如表所示：表 2-10 ADC0804 引脚功能说明表Tab.2-10 Pins function specification table of ADC0804功能 说明片选端，低电平有效。当 时，表明该芯片被单片机选中，可启动工作=0W 写信号输入端，当 由高电平变为低电平时，启动一次 A/D 转换WRD读信号输入端，低电平有效。当 =0 时，单片机可以通过 DB0DB7 读出本次 A/D 转RD换的结果(+)模拟电压输入端()模拟电压接地端/2参考电压接入引
45、脚，决定量化单位CLK 时钟信号输入端CLKR 内部时钟发生器的外接电阻端AGND 模拟信号地DGND 数字信号地INTR A/D 转换结束信号输出端，低电平有效。当 时，表示本次 A/D 转换已经完成INTR=0大学毕业设计（论文）15DB0DB7 A/D 转换结果数字信号输出口 芯片电源 5V 输入2.4.2 A/D 转换电路本设计的 A/D 转换电路如图 2-12 所示，其中气体传感器模块输出的模拟电压输入到ADC0804 的 6 号引脚 ，转换结果由 DB0DB7 输送给单片机。(+)图 2-12A/D 转换电路Fig.2-12 A/D conversion circuit2.5 显示
46、电路设计本设计要实时显示温湿度、甲醛浓度和报警状态以供人们查看，所以显示电路的设计就需要液晶显示器，而液晶显示器的种类也非常多，其中最常用的为 LCD1602 和 LCD12864。2.5.1 方案对比方案一：LCD1602 由 5 7 点阵组成，5V 电源供电，可显示 2 行字符，每行可显示16 个字符，内部含有 128 个字符的 ASC字符集字库。此外，1602 只有并行接口，没有串行接口，而且其最大的缺点是不能显示汉字。方案二：LCD12864 采用 5V 直流电源供电，内置 8192 个 16 16 点阵、128 个字符（8 16 点阵），还具有 64 256 点阵显示 RAM，可显示
47、 4 行字符，不仅能显示数字和 字符，还能显示汉字。由于 LCD1602 不能显示汉字，若用拼音代替汉字，则查看起来不直观，而且本系统在正常工作时要显示温度、湿度、甲醛浓度和报警状态四行数据，相比之下，LCD12864可以显示四行字符或汉字，能够满足本设计的要求，因此最终选择 LCD12864 来实现本设计。基于单片机的室内环境监控系统设计162.5.2 LCD12864 简介LCD12864 芯片引脚如图 2-13 所示。图 2-13 LCD2864 引脚图Fig.2-13 LCD2864 pinsLCD12864 引脚功能：1） ：电源地。2） ：电源正极。3）VO：液晶显示对比度调节。4
48、）RS（CS ）：数据/命令选择端，高电平数据选择端，低电平命令选择端（串行方式片选口）。5）R/ （SID）：读/写选择端（ H/L）。6）E（SCLK）：使能信号。7）D0D7：数据口。8）PSB ：并/ 串选择端，高电平为并行方式，低电平为串行方式。9）RST：复位端，低电平有效。10）BLA 和 BLB：背光电源正极和负极。11）NC：空脚。LCD12864 与单片机的接口有并行和串行两种控制方式。其中，串行控制方式是将LCD12864 通过数据总线与单片机进行连接，这种方式占用单片机的 I/O 口较少；而在并行控制方式下，单片机通过 8 个 I/O 口与 LCD12864 的 8 个数据口连接进行数据传送，这种控制方式虽然占用单片机较多的 I/O 口，但是不占用单片机内存，而且接口电路与时序无关，因此大部分电子设备在接口充裕的情况下都采用并行控制方式，本设计同样选择了并行控制方式。大学毕业设计（论文）172.5.3 显示电路连接图 2
