[16]。電路中LED發(fā)光二極管的電源需要串聯(lián)150電阻限流，并且需要并聯(lián)22的電容來維持電壓穩(wěn)定。模擬輸出引腳輸出電壓范圍為0-5，而控制器ADC輸入引腳的允許電壓為0-1，所以需要使用串聯(lián)電路進(jìn)行分壓，使傳感器的輸出電壓在0-1的范圍內(nèi)，才能夠正常讀取。LED引腳為補(bǔ)光控制引腳，高電平有效，高電平電壓為電源電壓，而控制器引腳的高電平電壓為3.3，所以需要電平轉(zhuǎn)換電路將3.3的電壓轉(zhuǎn)換至5進(jìn)行控制。而傳感器的電源引腳同樣采用5進(jìn)行供電，且在電源引腳處并聯(lián)一顆4.7和100的電容對電源進(jìn)行濾波處理。3.2.3可燃?xì)怏w傳感器電路設(shè)計(jì)家庭中常用可燃性氣體有天然氣，煤氣等，它的主要組成分別是甲烷與一氧化碳。由于這些氣體都有一定的爆炸危險(xiǎn)性，因此在家庭生活過程中，需要定期進(jìn)行可燃?xì)怏w監(jiān)測?？梢愿鶕?jù)所測氣體成分，選用不同類型氣體傳感器，即能準(zhǔn)確地進(jìn)行可燃?xì)怏w濃度的測試。本文介紹一種采用半導(dǎo)體制冷片作為冷端元件的甲烷傳感器及其應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)選擇了MQ-4甲烷氣體傳感器，它的電路原理圖見圖3-4：圖3-4甲烷氣體傳感器原理圖氣體傳感器的內(nèi)部是一種對特定氣體敏感的氣敏電阻，當(dāng)這種氣體的濃度改變后，氣敏電阻因具體氣體濃度不同而異，它們之間存在著函數(shù)關(guān)系。氣體濃度增加時(shí)，氣敏電阻的阻值較小，信號輸出點(diǎn)電壓增加，這時(shí)可以用改變電壓來指示氣體濃度。在實(shí)際應(yīng)用中，由于傳感器內(nèi)部存在一定程度的非線性因素和溫度效應(yīng)，使得傳感器輸出與設(shè)定值有偏差。且信號輸出點(diǎn)輸出電壓區(qū)間在0-5之間，且控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳輸入電壓區(qū)間在0-1之間，因此，需串聯(lián)分壓電阻，使電壓降低到容許的范圍。3.2.4溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)DHT11型溫濕度傳感器電路比較簡單，僅需要電源和一條信號線即可完成。在實(shí)際應(yīng)用中，由于溫度濕度信號變化范圍較大，所以對測量精度有一定要求。它的電路原理圖見圖3-5：圖3-5溫濕度傳感器電路原理圖溫濕度傳感器供電支持3.3-5的直流電壓，為保證信號電平電壓與控制器電平電壓一致，傳感器采用3.3進(jìn)行供電，此時(shí)傳感器的數(shù)據(jù)引腳可直接與控制器引腳相連。在電源引腳處并聯(lián)一顆100的陶瓷電容，對電源進(jìn)行濾波處理，可降低電源紋波對傳感器采樣精度的影響。3.3基礎(chǔ)硬件電路的設(shè)計(jì)3.3.1系統(tǒng)降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的供電方式采用外接5直流電源進(jìn)行供電，而系統(tǒng)中同時(shí)需要5和3.3直流電源才能正常工作，所以需要將5直流電源通過降壓穩(wěn)壓電路將電壓降至3.3，為3.3的負(fù)載進(jìn)行供電。降壓穩(wěn)壓電路原理如下圖3-6所示：圖3-6電源降壓穩(wěn)壓電路原理圖電壓電路采用線性穩(wěn)壓的原理，將5直流電壓降至3.3并保持穩(wěn)定。通過ME6211C33M5G低壓差線性穩(wěn)壓芯片可滿足本設(shè)計(jì)需求。該芯片采用SOT23-5封裝設(shè)計(jì)，體積小巧，且最大能夠輸出1的電流，電流輸出能力滿足3.3的負(fù)載需求。而且其電路設(shè)計(jì)簡單，外圍僅需要兩顆濾波電容即可正常工作。且供電質(zhì)量高，輸出紋波小，能夠?yàn)閭鞲衅骱涂刂破魈峁└哔|(zhì)量電源。3.3.2ADC切換電路設(shè)計(jì)由于控制器僅有一個(gè)ADC轉(zhuǎn)換引腳，而系統(tǒng)中共有兩個(gè)傳感器輸出信號為模擬量，所以需要擴(kuò)展ADC通道，實(shí)現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)換引腳能夠轉(zhuǎn)化兩路模擬信號的功能，該功能可通過RS2255XN模擬開關(guān)芯片完成，其電路原理圖如圖3-7所示：圖3-7ADC切換電路原理圖RS2255XN模擬開關(guān)芯片是一個(gè)4通道的輸入芯片，能把一個(gè)ADC通道延伸到四個(gè)，并能通過6號和7號引腳電平狀態(tài)來控制當(dāng)前需要變換的信道。4號引腳為使能引腳，低電平有效，可直接接地。9號引腳為信號輸出引腳，接控制器的ADC輸入引腳。X0和X1分別接PM2.5粉塵傳感器和甲烷氣體傳感器的輸出端。3.3.3顯示模塊電路設(shè)計(jì)顯示模塊電路原理如圖3-8所示：圖3-8顯示模塊電路原理圖顯示模塊的屏幕分辨率有128*64，并且其擁有控制簡單、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。顯示模塊采用3.3直流電源供電，且工作電流較小，無需單獨(dú)設(shè)計(jì)降壓電路進(jìn)行供電。顯示模塊的3號和4號引腳為IIC總線引腳，直接與IIC總線相連，外部需要使用4.7電阻進(jìn)行上拉，以保證高電平的有效性。通過IIC通信，將每個(gè)像素點(diǎn)的亮滅信息發(fā)送至顯示模塊，并刷新顯示，即可顯示有效信息。

第4章軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1軟件程序主程序流程硬件電路主要是對系統(tǒng)基本功能以及環(huán)境信息進(jìn)行改造，把物理信號變成電信號，而邏輯功能和數(shù)據(jù)上傳的功能則需由程序?qū)崿F(xiàn)，在本次設(shè)計(jì)中，軟件程序部分完成了如下幾個(gè)功能：（1）PM2.5粉塵傳感器，溫濕度傳感器和燃?xì)鈧鞲衅鲾?shù)據(jù)讀取和轉(zhuǎn)換；OLED顯示模塊驅(qū)動(dòng)與顯示內(nèi)容設(shè)計(jì)；（2）環(huán)境參數(shù)的邏輯判斷以及數(shù)據(jù)上傳；（3）Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接控制。其中，PM2.5粉塵傳感器和燃?xì)鈧鞲衅鬏敵龅木鶠槟M信號，僅需要使用模擬信號采集的函數(shù)即可將模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，而溫濕度傳感器輸出為數(shù)字信號，需要通過傳感器支持的通信協(xié)議進(jìn)行讀取，所以需要控制引腳的電平狀態(tài)以及電平的輸入輸出模式，對單總線的電平信號進(jìn)行讀取，以此獲取傳感器發(fā)出的溫濕度信息。程序運(yùn)行流程圖如圖4-1所示。圖4-1程序運(yùn)行邏輯流程圖4.2PM2.5粉塵傳感器程序設(shè)計(jì)根據(jù)PM2.5粉塵傳感器的數(shù)據(jù)手冊可知，傳感器的檢測方式需要一定邏輯控制，即LED發(fā)光二極管需要使用特定的脈沖信號進(jìn)行控制，該信號的要求為高電平持續(xù)0.32ms，周期時(shí)長為10ms，其中，輸出信號在上升沿之后大約有0.28ms保持穩(wěn)定。時(shí)序波形圖見圖4-2。圖4-2輸出信號與LED控制脈沖關(guān)系在讀取PM2.5粉塵傳感器的輸出電壓時(shí)，首先需要將ADC切換電路的控制電平都設(shè)置為低電平，此時(shí)PM2.5粉塵傳感器的輸出與ADC轉(zhuǎn)換引腳相連。通過程序控制LED引腳的電平切換時(shí)間，在LED引腳電平拉低時(shí)，設(shè)置延時(shí)280us，在延時(shí)完成后，啟動(dòng)模擬轉(zhuǎn)換器，將ADC輸入引腳的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并保存在響應(yīng)變量中。其控制程序如圖4-3所示。圖4-3PM2.5粉塵傳感器輸出電壓讀取 當(dāng)模擬電壓值換算成數(shù)字值時(shí)，需由電壓和粉塵濃度關(guān)系式算得當(dāng)前粉塵實(shí)際濃度值。輸出電壓與粉塵濃度關(guān)系式如公式4-1所示。 (4-1)式中，為粉塵濃度，單位：;為讀取的電壓值，單位：。通電壓值可以通過分壓比及ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)值計(jì)算得出，在將電壓值代入式4-1即可計(jì)算出當(dāng)前粉塵的濃度，并將濃度數(shù)值上傳至云端。4.3可燃?xì)怏w傳感器程序設(shè)計(jì)因此，為了提高甲烷氣體傳感器的測量精度，可以通過改變甲烷氣體傳感器的工作模式來實(shí)現(xiàn)對甲烷氣體濃度變化情況的監(jiān)測和顯示。讀出甲烷氣體的濃度后，ADC切換電路控制電平B引腳電平需設(shè)定高電平，所述A引腳電平設(shè)為低電平，這時(shí)，控制器的ADC引腳連接甲烷傳感器的輸出引腳。如果要對采集到的甲烷氣體信號進(jìn)行處理或分析則必須通過計(jì)算機(jī)完成。甲烷氣體傳感器的數(shù)據(jù)讀出流程圖見圖4-4。圖4-4甲烷傳感器讀取流程圖在ADC采樣通道切換完成后，不能夠立即啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，因?yàn)榇藭r(shí)ADC引腳的電壓并沒有完全穩(wěn)定，需要等待約1ms后，才能啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，此時(shí)ADC引腳的電壓與甲烷傳感器的輸出電壓一致。在電壓轉(zhuǎn)換完成后，通過將轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量計(jì)算出當(dāng)前的實(shí)際電壓值，并根據(jù)甲烷傳感器的數(shù)據(jù)手冊得到輸出電壓與甲烷濃度的關(guān)系式，即可計(jì)算出當(dāng)前甲烷濃度值。當(dāng)甲烷濃度值超過所設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將通過網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)送報(bào)警信息，提示家中有燃?xì)庑孤?.4溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì)DHT11溫濕度傳感器內(nèi)置了數(shù)字處理電路，它輸出的信號是數(shù)字信號，溫度濕度信息經(jīng)單總線通信協(xié)議發(fā)送至控制器，即可以讀取當(dāng)前環(huán)境溫度，濕度等信息。由于甲烷氣體具有易燃易爆性，所以傳感器使用了雙金屬氧化物半導(dǎo)體敏感材料。溫度和濕度閱讀流程圖如圖4-5：圖4-5溫濕度傳感器讀取流程圖從程序設(shè)計(jì)上看，調(diào)用DHT11溫濕度傳感器庫文件，就可以直接對DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行初始化，以及從所述封裝函數(shù)中讀取所述溫濕度信息，不需要自己設(shè)計(jì)程序來閱讀。本實(shí)用新型可以極大的降低開發(fā)難度，減少開發(fā)時(shí)間。當(dāng)檢測到室內(nèi)濕度過高或過低時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)送指令控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行除濕或加濕動(dòng)作，以維持室內(nèi)的濕度保持在舒適的范圍內(nèi)。DHT11溫濕度傳感器的讀取程序如圖4-6所示：圖4-6溫濕度傳感器讀取程序

第5章總結(jié)與展望5.1總結(jié)本設(shè)計(jì)是針對當(dāng)前家庭中存在各類智能家居設(shè)備，能夠改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和舒適度，但設(shè)備仍需用戶自行打開，而沒有一個(gè)具有檢測和控制一體的智能設(shè)備去控制它們自動(dòng)啟動(dòng)的現(xiàn)象，對家庭空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)可以對室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、溫度和濕度信息，可燃?xì)怏w信息等等，基于檢測到的數(shù)據(jù)，對各種智能家居設(shè)備進(jìn)行控制，使得室內(nèi)空氣質(zhì)量可以保持在一個(gè)相對舒適的水平，并可實(shí)時(shí)把檢測到數(shù)據(jù)上傳到云端觀看。通過分析家庭中不同區(qū)域內(nèi)空氣污染物濃度變化情況，可以為用戶提供相應(yīng)的建議和措施?；谏鲜鲂枰?，制定本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)，家庭空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)電路原理設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，現(xiàn)概述如下：本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以對室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控、溫度和濕度及可燃?xì)怏w濃度等指標(biāo)的體系，且本系統(tǒng)能夠?qū)⑹占降臄?shù)據(jù)通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上傳到Blinker云端服務(wù)器，通過手機(jī)APP，用戶可直接看到當(dāng)前家庭中各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。能檢測空氣中PM2.5粉塵濃度，并且在濃度過高時(shí)能夠向空氣凈化器發(fā)出開機(jī)指令，以降低空氣中粉塵顆粒的含量，提高空氣質(zhì)量指數(shù)；同樣能夠檢測室內(nèi)溫度和濕度，在超出設(shè)定范圍時(shí)向設(shè)備發(fā)出控制指令，維持室內(nèi)空氣在舒適范圍內(nèi)。本系統(tǒng)的使用操作簡單，僅需要連接網(wǎng)絡(luò)即可正常工作，無需進(jìn)行其他設(shè)置，并且體積小巧，可擺放在有電源的桌面，床頭柜等地方，即可檢測附近區(qū)域的各種空氣指數(shù)。該設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)簡單、所用元器件少，能夠有效較低生產(chǎn)成本及制作難度，使本設(shè)計(jì)更容易進(jìn)行批量生產(chǎn)。5.2展望本設(shè)計(jì)中家庭空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的功能雖然已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，但仍有一些可以改進(jìn)及完善的地方，總結(jié)如下：由于系統(tǒng)中的可燃?xì)怏w傳感器僅能檢測甲烷或者一氧化碳，而不能同時(shí)檢測多種可燃?xì)怏w，所以系統(tǒng)只能分為檢測甲烷和檢測一氧化碳兩種，若被檢測的氣體與傳感器所能檢測的氣體不一致，會導(dǎo)致傳感器檢測失靈。家庭空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的部分關(guān)鍵功能需要連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)發(fā)生意外斷開連接后，本系統(tǒng)只能完成檢測與顯示功能，數(shù)據(jù)將無法上傳至云端，并且無法控制其他智能家居的工作狀態(tài)。系統(tǒng)在家中出現(xiàn)停電故障后，因?yàn)橄到y(tǒng)本身并無內(nèi)置電源，所以停電后系統(tǒng)會停止工作，此時(shí)將無法獲取所有信息。后期可通過增加內(nèi)置電源電路，當(dāng)停電時(shí)系統(tǒng)仍然能夠檢測家中的可燃?xì)怏w等信息，并通過屏幕向用戶提供基礎(chǔ)信息。由于當(dāng)前系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)是通過Wi-Fi無線通信的方式，該方式存在功耗較大，且設(shè)置省電模式后，Wi-Fi會自動(dòng)斷開連接，使數(shù)據(jù)無法及時(shí)更新，后期可更換無線網(wǎng)絡(luò)的連接方式，可使用功耗更低的藍(lán)牙通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。后期將根據(jù)本設(shè)計(jì)所存在的不足之處，對家庭空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的功能和電路進(jìn)行進(jìn)一步完善。

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