第頁遼遼第遼第40頁3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1硬件設(shè)計(jì)總方案本系統(tǒng)中所使用的單片機(jī)型號為STC15W4K32S4，系統(tǒng)通過氣體檢測模塊來接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換把一個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換成了一個(gè)數(shù)字測試量，CPU處理這些數(shù)據(jù)，并傳送到顯示、報(bào)警、風(fēng)扇模塊。以此來實(shí)現(xiàn)顯示各氣體濃度，并完成報(bào)警，手動(dòng)排出有害氣體，實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)空氣質(zhì)量。3.2最小系統(tǒng)電路復(fù)位電路組成。STC15單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路如圖3.1。圖3.1STC15單片機(jī)的晶振和復(fù)位電路3.3氣體檢測模塊設(shè)計(jì)以及與單片機(jī)的連接4種氣體檢測模塊設(shè)計(jì)基本一致，所以本設(shè)計(jì)類比完成該部分的設(shè)計(jì)。由于采用的氣體傳感器都使用它們檢測到的模擬量數(shù)據(jù)，而STC15單片機(jī)不能讀取模擬量數(shù)據(jù)，所以在二者中間添加ADC0832芯片。這是一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，而且還具有適用在多種場景下，個(gè)頭小，價(jià)格低效果好，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。故我們的氣體檢測模塊都采用傳感器+ADC0832芯片的模式設(shè)計(jì)。氣體檢測模塊連接和與單片機(jī)的連接。氣體傳感器完成電源接線和接地后，引腳與轉(zhuǎn)換芯片的CH0相連接。氣體檢測模塊連接完成。氣體檢測模塊的ADC0832完成接電源和接地后，使CS（低電使能）引腳與CLK和STC15單片機(jī)普通I/O連接，DI和DO一并與單片機(jī)的普通I/O連接。圖3.2指紋模塊與MCU連接電路3.4顯示模塊的設(shè)計(jì)和與單片機(jī)的連接顯示模塊的設(shè)計(jì)液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)是用LCD1602顯示屏所構(gòu)成的硬件電路和顯示軟件程序所組成。LCD1602顯示屏的電路極其簡單，之需要顯示屏和一排相對應(yīng)的上拉電阻構(gòu)成。與單片機(jī)的連接顯示屏與單片機(jī)的連接相對簡單。連接如圖3.3。圖3.3顯示模塊與單片機(jī)連接電路3.5報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)和與單片機(jī)的連接與單片機(jī)的連接報(bào)警模塊的電路中電阻與單片機(jī)的引腳相連接。圖3.4蜂鳴器電路連接電路3.6有害氣體排放模塊設(shè)計(jì)和與單片機(jī)的連接的簡易電路。風(fēng)扇一端與引腳10相連接，另一端與電源和單刀開關(guān)組成的線路連接。與單片機(jī)的連接單片機(jī)應(yīng)與驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003相連接，故單片機(jī)的P6.1與ULN2003的CPU脈沖輸入端1連接。有害氣體排放模塊連接線路如圖3.5。圖3.5有害氣體排放模塊連接電路3.7系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總電路本章是對系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先明確室內(nèi)有害氣體的硬件總體設(shè)計(jì)方案；再依次對硬件中的STC15單片機(jī)控制核心電路、氣體檢測、顯示以及有害氣體排放模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖3.6系統(tǒng)硬件電路4室內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能，就要完成室內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。下面分為主程序設(shè)計(jì)、模塊程序設(shè)計(jì)這幾部分詳細(xì)說明。，首先要通過繪制輸入到主程序的工作流程框圖,根據(jù)需要繪出來的工作流程框圖，根據(jù)繪制出的流程圖，完成主函數(shù)部分的編程4.1主程序的設(shè)計(jì)。圖4.1主程序流程圖我們畫出主程序?qū)?yīng)的流程圖。在流程圖中我們可以清晰的看出主程序所調(diào)用的各個(gè)子模塊，這極大地方面了本設(shè)計(jì)編寫主程序代碼和模塊子程序的分析。4.2子程序的編寫子程序也被稱作子函數(shù)，主函數(shù)中被調(diào)用的函數(shù)。調(diào)用規(guī)則必須在主程序中被聲明。4.2.1氣體檢測模塊程序設(shè)計(jì)在上一章中硬件設(shè)計(jì)上本系統(tǒng)使用4種氣體檢測模塊，所以具體的程序代碼也分成4部分，以次為甲醛氣體檢測模塊代碼、苯氣體檢測模塊代碼、甲烷氣體檢測代碼和一氧化碳?xì)怏w檢測代碼。首先介紹甲醛氣體檢測模塊的代碼。根據(jù)甲醛氣體檢測模塊的硬件電路設(shè)計(jì)和功能分析，該部分編程的目標(biāo)是將傳感器中的模擬量信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量信號，通過STC15單片機(jī)的I/O引腳送到單片機(jī)中。以此畫出該模塊編程的流程圖。如下圖所示。圖4.2甲醛氣體檢測程序流程圖通過繪制該部分的流程圖，我們可以看出這部分的編程步驟。首先將甲醛模塊進(jìn)行初始化操作，其次定義數(shù)據(jù)變量，將甲醛傳感器測量到的數(shù)據(jù)存儲在自己定義的數(shù)據(jù)變量中，然后在ADC0832中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將健全傳感器采集到的模擬量數(shù)據(jù)變成相對應(yīng)的數(shù)字量，接下來進(jìn)行檢驗(yàn)來判斷是否完成對甲醛濃度模擬量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，如果未完成則重復(fù)轉(zhuǎn)換步驟，最后的步驟是STC15單片機(jī)將讀取存儲在A/D轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量數(shù)據(jù)。甲醛濃度檢測部分程序完成編寫。其次是關(guān)于苯氣體檢測模塊的代碼編寫，參考了上一章中苯氣體檢測模塊的硬件電路圖，該模塊的程序流程圖如下圖4.3苯氣體檢測模塊程序流程圖繪制完成相應(yīng)的程序流程圖，并對流程圖進(jìn)行仔細(xì)研究。分析得該模塊部分的程序重點(diǎn)在A/D轉(zhuǎn)換上，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)苯氣體濃度的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能采用的數(shù)字量數(shù)據(jù)。對應(yīng)的程序編程：首先初始化，將A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)清零。之后就是定義變量，并將傳感器采集到的數(shù)據(jù)賦予自定義的變量。然后就是重點(diǎn)部分：進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。重點(diǎn)的A/D轉(zhuǎn)換代碼編寫完成后，轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)存儲在自己定義的變量里。則該部分的程序編寫完成。然后下面介紹的是甲烷氣體檢測模塊的程序設(shè)計(jì)。在上一章中，我們設(shè)計(jì)出甲烷氣體檢測模塊的硬件電路圖。那么在這一章節(jié)里，本設(shè)計(jì)就軟件方面完成帶模塊的設(shè)計(jì)。圖4.3甲烷氣體檢測模塊程序流程圖由此流程圖，我們可以更加方便的編寫程序。與之前的相類似，子程序第一步為初始化，清除甲烷氣體傳感的數(shù)據(jù)和A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的數(shù)據(jù)。第二步定義變量，這一步的主要用途是儲存來自甲烷氣體傳感器的數(shù)據(jù)、相對應(yīng)的地址信息和在A/D轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)。第三步就是A/D轉(zhuǎn)換了。接下來是判斷是否轉(zhuǎn)換完成，完成則進(jìn)入下一步否則將重復(fù)上一步驟。最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存。該部分的程序代碼編寫完畢。最后，我們來設(shè)計(jì)一氧化碳?xì)怏w模塊的軟件部分。同上面3中氣體檢測模塊一樣，我們首先分析該部分硬件電路，已經(jīng)知道選用MQ-7氣體傳感器和ADC0832A/D轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)備。根據(jù)上述硬件信息，我們就可以畫出該部分的流程圖。一氧化碳檢測模塊程序流程圖如下。圖4.4一氧化碳?xì)怏w檢測模塊程序流程圖最后，我們完成一氧化碳?xì)怏w檢測模塊流程圖的繪制。和上面的步驟一樣流程圖繪制成功，這使我們的思維邏輯更加清晰、嚴(yán)謹(jǐn)，大大提高了我們的編程效率。由流程圖開始進(jìn)行編寫源代碼：首先是編寫第一步，初始化。將傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中記錄的數(shù)據(jù)清除。第二步，定義自變量，用來儲存過程中產(chǎn)生或需要的數(shù)據(jù)。第三步，讀取來自一氧化碳傳感器檢測到的濃度模擬量數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)存儲在上一步定義的步驟中變量中。第四步開始A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，ADC0832芯片在相應(yīng)的程序下開始把來自傳感器的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)據(jù)。第五步判斷芯片ADC0832是否完成轉(zhuǎn)換。第六步數(shù)據(jù)儲存，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)存儲起來。一氧化碳?xì)怏w檢測模塊部分代碼完成編寫。4.2.2報(bào)警模塊的程序設(shè)計(jì)圖4.5報(bào)警模塊流程圖報(bào)警模塊作用是當(dāng)空氣中的有害氣體濃度設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲。而我們的有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)檢測空氣中的多種氣體，故編程時(shí)要考慮不同氣體的濃度。以此為根據(jù)繪制出報(bào)警模塊流程圖，首先初始化報(bào)警模塊。判斷甲醛濃度是否超過設(shè)定值，超過則報(bào)警，否則進(jìn)入下一步。判斷甲烷氣體濃度是否超過設(shè)定值，超過發(fā)出報(bào)警聲，否則進(jìn)行下一步驟。第四步，單片機(jī)判斷苯氣體測量濃度是否大于設(shè)定值，超過報(bào)警，否則進(jìn)行最后一步判斷。對比CO氣體濃度是否超過自身設(shè)定值，超過則報(bào)警，否則不報(bào)警，同時(shí)程序結(jié)束。4.2.3顯示模塊的程序設(shè)計(jì)LCD1602液晶顯示的數(shù)據(jù)模塊程序這個(gè)部分首先時(shí)初始化，清除屏幕上的數(shù)據(jù)，然后才是通過寫入指定的命令子程序和讀取數(shù)據(jù)的子程序，將這些數(shù)據(jù)分別寫入指定的地址，才能實(shí)現(xiàn)顯示出來。工作流程框圖如下表4.6所示。圖4.6液晶顯示程序流程5系統(tǒng)整體電路圖與實(shí)物調(diào)試5.1系統(tǒng)仿真圖5.1Keil5初始界面圖5.2Keil5新工程芯片選擇界面圖5.3Keil5代碼編寫界面系統(tǒng)的仿真圖在proteus中完成仿真。下面是軟件Proteus8Professional的使用介紹。1.打開軟件Proteus8Professional，初始界面如下所示。圖5.4Proteus8Professional的初始界面2.在文件選項(xiàng)中，新建工程。編輯名稱、位置后，選擇需要的原理圖和PCB布板設(shè)計(jì)等一系列基本新建工程向?qū)?。本系統(tǒng)的工程向?qū)нx擇如下圖5.5新建工程導(dǎo)向選擇界面4.進(jìn)去仿真圖繪制界面。從庫中選擇自己所需的元器件，繪制出本系統(tǒng)的仿真電路圖。圖5.6元器件庫選擇導(dǎo)出界面4.最后繪制出仿真圖。圖5.7系統(tǒng)仿真圖5.2各個(gè)模塊調(diào)試5.2.1顯示模塊調(diào)試顯示模塊要能顯示出字符，首先我們在keil編程軟件簡單的寫出一段調(diào)試代碼，該代碼的作用是讓顯示屏顯示出:“HELLOWORLD!”這幾個(gè)字符。將調(diào)試代碼編譯，并生成.hex文件如下。圖5.8調(diào)試代碼編譯圖將文件導(dǎo)入仿真圖中進(jìn)行仿真。圖5.9顯示屏調(diào)試圖液晶顯示屏上成功地顯示"helloworld!"字符號，證明顯示器和模塊的調(diào)試成功。5.2.2報(bào)警模塊調(diào)試編寫簡單的報(bào)警代碼，并編譯成功沒有錯(cuò)誤。圖5.10報(bào)警調(diào)試代碼放入報(bào)警模塊調(diào)試仿真圖中。該仿真圖與真實(shí)的仿真圖的區(qū)別，在模塊里加入了一個(gè)LED燈，用來表示報(bào)警已觸發(fā)。首先當(dāng)程序?yàn)檫\(yùn)行時(shí)，如下圖所示。圖5.11仿真運(yùn)行前此時(shí)在自動(dòng)報(bào)警控制模塊的系統(tǒng)仿真調(diào)試示意圖中只有LED小指示燈亮，將它的hex文件直接導(dǎo)入到系統(tǒng)仿真調(diào)試程序中，啟動(dòng)即可運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)試。圖5.12仿真運(yùn)行后仿真圖中LED燈亮起，證明報(bào)警模塊電路運(yùn)行有效，該部分仿真成功。5.2.3氣體排放模塊調(diào)試同樣編寫調(diào)試程序。編譯運(yùn)行成功后，生成.hex文件。圖5.13簡易排放程序仿真演示如下。圖5.14風(fēng)扇電路仿真前圖5.15風(fēng)扇電路仿真后5.2.4氣體檢測模塊調(diào)試編寫代碼，運(yùn)行仿真。結(jié)果如下所示。圖圖5.17甲醛仿真結(jié)果圖5.16苯氣體仿真結(jié)果圖5.19CH4仿真結(jié)果圖5.18CO仿真結(jié)果最后將4種氣體檢測模塊一起仿真。同時(shí)顯示在顯示屏中。圖5.19混合仿真結(jié)果5.3實(shí)物調(diào)試在仿真完成后，開始購買相對應(yīng)的元器件，然后按照仿真電路框圖進(jìn)行焊接。焊接完成后導(dǎo)入程序進(jìn)行實(shí)物的調(diào)試。將LCD1602顯示屏選擇合適的位置，焊接在電路板中。圖5.20液晶顯示屏對氣體檢測模塊進(jìn)行擇合適的位置，焊接在電路板。圖5.21氣體檢測模塊完成焊接后，導(dǎo)入程序進(jìn)行調(diào)試。最后結(jié)果如下。圖5.22實(shí)物演示結(jié)果

結(jié) 論本系統(tǒng)雖然完成了設(shè)計(jì)并制作出來，能夠?qū)崿F(xiàn)對甲烷、甲醛、苯、一氧化碳濃度的檢測、顯示、報(bào)警和排放，但還有些不足：本系統(tǒng)為有害氣體檢測只能測量4種氣體的濃度無法檢測更多有害氣體的濃度。改進(jìn)要增加更多的氣體檢測如：甲苯、PM2.5等可以更精確地檢測我們的空氣，讓我們的生活環(huán)境更加安全。本系統(tǒng)只能檢測現(xiàn)在空氣中有害氣體的濃度，無法對之前數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。改進(jìn)方法增加上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，繪制過去時(shí)間段的氣體濃度。本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)在顯示方面略顯不足，不能顯示漢字字符，而且顯示數(shù)量有限。改進(jìn)更換更先進(jìn)的LCD顯示屏，更好的顯示數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)厚彥明.我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].甘肅科技，2021，37(06):22-24.魏雅文.基于單片機(jī)的教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021(07):46-47.李花，姜維，劉曉東，費(fèi)繼友，曲春蕾.基于MQ7傳感器測量CO濃度補(bǔ)償方法與實(shí)驗(yàn)研究[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41(05):62-66+77.鄧然，朱英坤，林德洋.基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019(33):144-145.高海文.基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華東交通大學(xué)，2018.文彪，明立娟.基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測儀設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018(13):97-98.McCrossinJulie.Profile:Theinternetofthings:Thenextindustrialrevolution?[J].LSJ:LawSocietyofNSWJournal，2017(39).孫瑾.基于51單片機(jī)的家庭有害氣體報(bào)警器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)用，2017，33(05):35-38.吳琦.基于STC12C5A60S2單片機(jī)設(shè)計(jì)的有毒氣體排除系統(tǒng)[J].信息通信，2016(01):79-80.趙珊珊.基于單片機(jī)的車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的研發(fā)[D].河北工業(yè)大學(xué)，2015.蘭羽，盧慶林.基于MQ138傳感器的甲醛檢測儀設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2013，36(08):111-114.卜憲敏，宋洪軍.基于單片機(jī)的有害氣體檢測裝置[J].菏澤學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，31(05):58-64.PierreChalimbaud，F(xiàn)ran?oisBerry.E