PAGE7基于STC89C52單片機的室內環(huán)境監(jiān)測系統的設計與實現摘要：近年來，我國經濟科技水平取得了歷史性突破，人民群眾的生活條件有了質的改變，因此人們越來越重視自己的居住環(huán)境。但人們在追求現代化室內裝修的同時，所引發(fā)的室內環(huán)境污染等問題也日益凸顯。因此如何快速監(jiān)測室內環(huán)境和發(fā)現居安全性問題，越來越引起人們的重視。物聯網技術是通過將無線傳感器網絡技術、互聯網技術和自動化技術融合在一起，從而實現人工智能的一種新興技術。它能夠將物與物、人與人、人與物的智能結合。近年科學技術的迅猛發(fā)展，物聯網研究者利用無線傳感網絡技術、自動控制技術可以滿足人們對室內環(huán)境的監(jiān)測，使得智能家居成為可能，并廣泛運用在人們的生活中。本次所實現的設計是將STC89C52單片機作為整體設計的核心器件,設計了一款用于室內環(huán)境監(jiān)測的系統。具體來說本次設計采用STC89C52單片機、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、甲醛傳感器、煙霧傳感器、按鍵、顯示屏、蜂鳴器等器件，實現基于單片機室內環(huán)境監(jiān)測系統的設計與實現研究及制作功能設計。主要包括監(jiān)測CO濃度、PM2.5濃度、溫濕度濃度、甲醛濃度等功能。當室內環(huán)境中達到如下閾值時：一氧化碳濃度達到24PPM、室內PM2.5達到50毫克每立方米、溫度超過18-24℃、濕度在50%-60%、甲醛釋放量大于0.08毫克，就會引起人們的身體不適，此刻單片機就會對過高的數據進行報警，從而達到提醒用戶的效果，有效防止有害環(huán)境對用戶的身體健康造成危害。關鍵詞：物聯網；單片機；傳感器；室內環(huán)境監(jiān)測；Abstract:Inrecentyears,China'seconomicandtechnologicallevelhasmadeahistoricbreakthrough,people'slivingconditionshavechangedqualitatively,sopeoplepaymoreandmoreattentiontotheirlivingenvironment.However,whilepeoplearepursuingmoderninteriordecoration,theindoorenvironmentalpollutionandotherproblemscausedbyitarebecomingincreasinglyprominent.Therefore,howtoquicklymonitortheindoorenvironmentandfindoutthesafetyproblemsofresidentialbuildingshasattractedmoreandmoreattention.Internetofthingstechnologyisanewtechnologytorealizeartificialintelligencebyintegratingwirelesssensornetworktechnology,Internettechnologyandautomationtechnology.Itcancombinetheintelligenceofthings,peopleandthings.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyinrecentyears,Internetofthingsresearchersusewirelesssensornetworktechnologyandautomaticcontroltechnologytomeetpeople'smonitoringofindoorenvironment,whichmakessmarthomepossibleandwidelyusedinpeople'slife.Inthisdesign,STC89C52istakenasthecoredeviceofthewholedesign,andasystemforindoorenvironmentmonitoringisdesigned.Specifically,thisdesignusesSTC89C52microcontroller,temperatureandhumiditysensor,PM2.5sensor,formaldehydesensor,smokesensor,buttons,displayscreen,buzzerandotherdevicestorealizethedesignandimplementationofindoorenvironmentmonitoringsystembasedonMCU.ItmainlyincludesmonitoringCOconcentration,PM2.5concentration,temperatureandhumidityconcentration,formaldehydeconcentrationandotherfunctions.Whentheindoorenvironmentreachesthefollowingthreshold:theconcentrationofcarbonmonoxidereaches24ppm,theindoorPM2.5reaches50mg/m3,thetemperatureexceeds18-24℃,thehumidityis50%-60%,andtheformaldehydeemissionisgreaterthan0.08mg,peoplewillfeeluncomfortable.Atthismoment,theMCUwillalarmtheexcessivedata,soastoachievetheeffectofremindingusers,Effectivelypreventtheharmfulenvironmentfromharmingthehealthofusers.Keywords:TheInternetofthings;Singlechipmicrocomputer;Thesensor;Indoorenvironmentmonitoring;目錄 1緒論 11.1設計的背景 11.2設計內容 11.3關鍵技術 22總體方案設計 32.1系統設計總體思路 32.2系統方案論證 42.2.1主控方案選擇 42.2.2電源電路選擇 42.2.3按鍵方案選擇 52.2.4顯示器的選擇 63系統硬件設計 63.1系統硬件構架 63.2單片機最小系統 83.3液晶顯示電路設計 93.4按鍵模塊電路設計 103.5溫度傳感器電路設計 113.6報警電路設計 123.7甲醛電路設計 123.8PM2.5電路設計 133.9CO電路設計 144系統軟件設計 154.1系統程序設計軟件 154.2系統主程序 174.3液晶顯示子程序 184.4按鍵電路程序 194.5甲醛檢測子程序 204.6溫濕度檢測子程序 214.7PM2.5檢測子程序 224.8報警子程序 245系統測試與分析 245.1系統制作 245.2實物通電測試 255.3實物調試 266結論 29參考文獻 31附錄1 32附錄2 331緒論1.1設計的背景古有“孟母三遷”，今有“物以類聚，人以群分”，由此可見，環(huán)境對人產生的影響是非常大的，飛速發(fā)展的經濟使得人們將追求生活的重心由物質條件轉到精神條件，而這對環(huán)境的要求是越來越高的。在我們國家，致使環(huán)境逐漸惡劣的原因主要有水環(huán)境污染、大氣污染、水土流失、垃圾處理不當等。此刻由于我國粗放型的經濟發(fā)展模式，導致大量工廠商人為了實現自身的利益最大化，拒絕承擔保護環(huán)境的社會責任，肆意排放污染物，使得大氣問題更加嚴峻。這也是近幾年霧霾越來越嚴重的主要原因。霧霾在造成環(huán)境污染的同時也在威脅著人類的身體健康，隨著霧霾的出現，一個指標引起了人們的高度關注——PM2.5。有研究表明，當PM2.5的日平均濃度達到一定的數值，對人類的危害將是不可估量的。首先，最明顯的就是醫(yī)院呼吸道門診的患者數量急劇增長，醫(yī)療資源開始供不應求，甚至還會導致醫(yī)患關系日益緊張。其次，在外工作的人，長期處在霧霾中，在危害身體健康的同時，也會引起心理健康問題，這一系列的危害來襲，嚴重的話甚至會引起社會動蕩。時代發(fā)展的速度越來越快，國內經濟水平伴隨著工業(yè)化水平的提高也越來越高，全面建成小康社會的目標也指日可待，人們也日益開始關注自身的生活質量。買房也逐漸成為人們追求生活質量的一個重要途徑，由此家居環(huán)境的關注度日益增高。目前，人們?yōu)榱耸羌揖迎h(huán)境狀況有一個更加具象的了解，所使用的監(jiān)控設備也越來越精密，在家庭環(huán)境中對于甲醛和PM2.5進行實時檢測,這兩項的環(huán)境污染會造成嚴重的后果,甲醛自不必說,是致使兒童患白血病的主要因素之一PM2.5顆粒對于我們的呼吸道刺激極為嚴重,因此對于室內環(huán)境的檢測具有重要的意義。1.2設計內容本次設計主要采用STC89C52單片機，通過單片機的內部邏輯控制引腳驅動外圍器件實現設計功能，室內環(huán)境的溫濕度可以通過溫濕度傳感器來實時測量，同時利用PM2.5傳感器來采集PM2.5的濃度，利用甲醛傳感器實現甲醛濃度的采集，利用煙霧傳感器來采集CO的濃度。單片機讀取各個傳感器的數字量，將所得到的各項數據顯示在LCD1602顯示屏上，通過按鍵模塊設置閾值，采集的數據與閾值進行比較，超過閾值，蜂鳴器進行報警。1.3關鍵技術設計的關鍵技術是單片機技術，單片機是整個系統的核心中樞，通過引腳IO口的分配控制外圍器件實現所設計的功能。單片機如下圖1-1所示。圖1-1單片機在圖1-1中可以明確的看到單片機是由眾多引腳組成的結構芯片，其內部是由成千上的硅晶體排列組合而成，這些硅晶體按照一定的順序排列，通過與非門實現功能邏輯，在邏輯的運算中實現功能控制，這就是所謂的外設功能，在硅晶體管的外部進行陶瓷封裝，只保留外設驅動引腳，這就是單片機的引腳，也就是我們所看到的單片機外部形態(tài)。單片機的引腳功能是根據內部硅晶體排列順序的不同而不相同，大體上分為通用IO引腳和特殊功能引腳，通用IO引腳在單片機內部占有資源比較少，實現的功能比較單一。特殊功能引腳在單片機內部占有資源比較多，實現的功能也相對較多，同時對于程序設計而言就相對復雜，程序設計就是控制單片機的IO引腳，通過IO引腳的輸入與輸出，配合外圍電路，實現設計功能。單片機在封裝形式上千差萬別，上圖所展示的僅僅是通用的兩種形式，貼片式與直插式，貼片式的IO引腳密集，占用空間比較小，非常適合小型化產品。直插式的IO引腳比較疏散，占用的空間也比較大，相對而言，內部的硅晶體隔離空間也大，抗干擾能力較強，適合于工控場合產品，在安裝方面就有明顯的優(yōu)勢，并不是一次焊接而成，而是插接形式，更換方便。這兩種封裝形式的單片機只是外部形態(tài)不同，使用功能基本一致，主要是根據功能需求進行選擇，并沒有明顯區(qū)分。本次設計是通過單片機和外圍電路連接的多個傳感器協調工作，對于單片機的開發(fā)需要依靠內核設計廠家所提供的技術手冊進行開發(fā)設計，嚴格按照手冊介紹的功能進行設計，尤其在內部寄存器的設置方面，必須按照手冊進行，否則單片機無法正常使用，比如在外部中斷配置、內部計數器配置、串口配置等等。其次，單片機IO引腳的使用最為重要，與外部連接都是依靠IO引腳口完成，單片機的IO引腳作為外部器件的控制端，控制著外部器件的功能和讀取外部器件的狀態(tài)。單片機的IO引腳擁有兩種功能，即輸出和輸入。當作為輸入的時候，主要進行的工作是外部信號的檢測，時刻對于外部的電平變化進行檢查，當出現變化時，判斷為信號標志。作為輸出時，是通過程序控制引腳自身的電平變化控制外部器件，比如控制外部LED燈的亮滅，就是依靠自身電平的高低變化實現燈的亮滅。單片機是數據芯片，所發(fā)出的信號也是數字信號，就是“0”和“1”，高低電平指的就是“1”與“0”的邏輯變化，根據邏輯變化而進行控制。單片機的寄存器配置和單片機的IO引腳控制是系統能實現的關鍵，理解并且掌握開發(fā)手冊是應用單片機的必要工具，寄存器的配置成功，掌握IO引腳正確使用就完成了一半的系統設計，也是本次課題的重要組成部分。2總體方案設計2.1系統設計總體思路設計項目是需要一個完整的總體思路作為指導，總體思路的正確會使項目在設計的過程中順利執(zhí)行，避免走入誤區(qū)，一般項目在設計時通常會考慮以下幾個方面的內容：1、硬件設計：硬件設計是整個項目實現的基礎，最終的功能展示也是通過硬件來完成，是基礎型的原理性設計，在設計之初，首先就是對核心的單片機進行選擇，根據單片機的型號、內存、引腳數量、運行速度等等參數，再結合項目的需求選取合適的單片機。其次，根據設計需要實現的功能選取傳感器，需要對傳感器的性能、功能進行全面的掌握，尤其在傳感器引腳的使用方面更要全面了解，通過查找傳感器的器件手冊了解傳感器的引腳分布和封裝尺寸。在所有需要的模塊確定完畢之后，進行原理圖的設計，在設計的過程中需要參考數據指標，還要思考方案的可行性。最后對照原理圖完成實物的焊接工作。2、軟件設計：軟件設計是依托于硬件原理之上進行設計的，硬件需要軟件來運行功能，軟件需要硬件實現功能，在本質上是一個相互依存的關系，軟件設計必須嚴格對照硬件引腳進行代碼的編寫，否則將無法實現所需要的功能，對于大多數的時候，為了代碼編寫方便需要隨時調整硬件引腳的位置。在軟件代碼設計的時候，第一步完成的就是主程序的框架設計，框架中可以沒有具體的功能，但必須要層次清晰，為不同功能的子程序分配位置，避免相互干擾，出現混亂。主程序的框架結構搭建完成之后，就需要編寫各個子程序的代碼，實現模塊化設計，這樣設計的代碼在后期調試整體功能是時候優(yōu)勢是非常明顯的，可以單獨調試某一功能驗證，并不會影響其他功能。3、系統的測試：系統測試是設計中非常重要的一個步驟，測試中會發(fā)現設計的缺陷，硬件和軟件在設計的過程中難免會出現偏差，細微的偏差將會導致功能的不可實現，尤其在功能相互重疊的地方，子功能調試都沒有問題，整體調試出現功能不可控，這就需要優(yōu)化代碼或者變更硬件來解決。在反復的測試中查找問題，優(yōu)化代碼，使整個項目功能達到滿意。2.2系統方案論證2.2.1主控方案選擇主控器件是系統最為核心的器件，是協調整個系統運行、協調外部傳感器一起工作的核心模塊，所以對于主控器件的選擇尤為重要，選取原則是既要滿足預算要求，又要滿足所必須的功能。方案選擇1：選擇32位單片機STM32作為主控芯片，STM32單片機是一款功能和性能都非常優(yōu)越的單片機，內部存儲單元采用32位作為存儲單元，采用ARM內核架構，在內核中可以直接運行系統，內核系統分為M0、M1、M2、M3、M4。STM32單片機的應用比較晚，但是發(fā)展特別迅速，目前國內部分大學應用STM32單片機教學，STM32MCU融高性能、實時性、低電壓、數字信號處理、低功能于一身，同時保持高集成度和開發(fā)簡單的優(yōu)點。但是STM32是跑指令的，適合跑算法，但是針對多路的信號處理就需要很多片DSP來并行處理。方案選擇2：選擇STC單片機作為主控芯片，STC單片機應用比較早，采用最原始的8位寄存器存儲數據，使用的是51的內核，在處理數據的速度方面相比較而言，速度比較慢，程序存儲空間有限，對于大型系統功能并不適用。STC單片機優(yōu)點：抗干擾性能力強；保密性能強大,很難被破解；單片機時鐘有防外部電磁輻射功能。STC單片機缺點：功耗較高，5V供電；8位，運行速度慢；無硬件乘法器，乘除法運算都為4周期指令；單片機內集成資源少。綜上所訴本次開發(fā)的單片機選擇STC系列的單片機。因為STC系列的單片機在網絡上和書籍中有著豐富的學習資料和使用例程，在使用中很方便，搭載最小系統就可以獨立運行，程序的下載功能使用串口進行下載，不需要專用的燒寫器進行程序下載，對于單片機的費用而言，STC單片機是最為經濟劃算的。非常適合本次實驗的開發(fā)選擇。2.2.2電源電路選擇電源設計方案1：采用220V交流電壓作為系統的供電方式，220V交流電源需要通過變壓器電路轉為直流的電壓才能給系統供電，并且在交流電壓轉為直流電壓的過程中需要進行濾波、整流等等的電路設計，電路設計比較繁雜，并且在實驗中會出現危險的情況，一旦線路錯誤，就會出現強電短路，危險程度極高，另一方面在轉化中會出現多級轉換的，由220V交流變?yōu)?2V直流再變5V直流，這種多級裝換并且進行濾波整流的電源電路設計極為復雜，對所使用的器件需要很高匹配程度，設計的復雜性是他最大的缺點。雖然電路復雜，但是他的優(yōu)點也同樣突出，輸出功率較大，對于需要大功耗的器件具有無法比擬的優(yōu)勢，在輸出時的特點是持續(xù)穩(wěn)定，能夠提供優(yōu)質的功能能力。電源設計方案2：電源采用USB接口電源供電，USB電源是現代生活中一種比較常見的供電電源，比如電腦USB接口、手機充電頭、電源插座等地方都有USB接口，USB接口供電發(fā)展起步比較晚，但是發(fā)展迅猛，幾年時間迅速占領5V電源領域?，F在的使用中USB電源幾乎隨處可見，供電的技術也越來越走向成熟，輸出電壓的能力比較穩(wěn)定，相對來說很安全，幾乎不存在任何危險，也不會因為電壓過大燒毀設備，對于弱電系統的供電電源來說，USB電源是最為理想型的電源，系統本省并不需要太大的功率要求，但是需要穩(wěn)定的供電能力，USB電源極為符合弱電系統的要求，所以USB電源非常適合弱電系統供電。由于本次設計需要方便攜帶，不會因為電壓過大而燒毀設備，因此本次設計采用方案2的設計方式，采用USB的供電方式作為電源，是非常符合弱電系統的供電。2.2.3按鍵方案選擇按鍵設計方案1：鍵盤模式也叫矩陣按鍵，通常情況是4*4按鍵組成的，在程序的IO掃描中，通過橫向和縱向的掃描交叉點確定按鍵動作，這樣的按鍵設計為了節(jié)省單片機的IO資源，8個IO引腳就可以完成16個按鍵的工作檢測，極大的減輕了單片機硬件引腳開銷，對于需要多按鍵的功能項目，會優(yōu)先考慮鍵盤模式。使用IO資源的減少，就意味著編程的復雜度提高，不斷的掃描會影響單片機的運行效率，一般會在定時中斷中完成按鍵掃描，最大程度保證單片機的運行效率。按鍵設計方案2：獨立模式也稱獨立按鍵，相對于鍵盤模式來說，獨立模式的電路設計極為簡單，只需要按鍵的兩個引腳一個接在單片機的IO上，一個接電源地即可，程序在設計的時候提前將IO引腳置為高電平，通過檢測引腳狀態(tài)是否發(fā)生變化判斷按鍵動作，這種方式沒有編程算法，方便程序設計，一般對于按鍵需求較少的系統中應用。本設計不需要過多的按鍵，只需要幾個簡單的功能鍵，而且獨立按鍵設計相對矩陣按鍵簡單，所以本設計選擇了方案2作為我們的設計方案。2.2.4顯示器的選擇設計方案1：數碼管作為終端顯示，數碼管是一種比較古老的顯示器件，通過發(fā)光的LED組合而成，根據阿拉伯數字的顯示形態(tài)，使用8個LED就可以完成所有數字的表達，顯示的內容比較單一，只能顯示數字和部分字母，對于圖形或者復雜的內容信息無法顯示。硬件設計電路設計方面，比較容易理解，公共端與任何一個LED導通即可點亮，通過頻閃效果，快速點亮多個LED，就完成了信息的顯示工作。在經濟效果上，價格不貴，對于預算有限并且顯示內容不復雜應該優(yōu)先考慮。設計方案2：LCD1602作為終端顯示，LCD1602顯示屏是采用液晶物質根據電流的驅動形成顯示字符，液晶屏內置字符庫芯片，符合國際通用ASCII碼字符顯示，顯示屏分為上下兩行顯示，每一行可以顯示16個字符，顯示內容相對豐富，信息明確。硬件設計的數據接口分為并口和串口連接，命令數據的發(fā)送與接收采用的是SPI協議，程序設計的復雜度不高?？梢詽M足大部分的應用場合，價格方面比較適中，在綜合的考慮中，液晶顯示的優(yōu)勢很明顯。LCD1602顯示模塊廣泛應用單片機控制系統，比數碼管能顯示的模塊更多，顯示的信息更直接，顯示面積大，更加容易操作。因此本次設計選擇了LCD1602作為本次的顯示端器件。3硬件電路設計3.1系統硬件構架本設計的硬件框圖如圖3-1所示：圖3-1硬件框圖（1）按鍵模塊：通過三個不同的按鍵實現系統的參數切換，數值增加和數值減少等功能。（2）顯示模塊：LCD1602液晶顯示模塊通過電壓來改變填充在兩塊平行板之間的液晶材料內部分子的排列狀況，形成不同的圖像。從而將檢測的數據以及設置的參數進行顯示。（3）電源模塊：為系統供電。（4）一氧化碳模塊：選用用MQ-9傳感器，檢測環(huán)境的一氧化碳濃度，當氣體濃度發(fā)生變化時，氣體傳感器產生輸出的電流成正比。（5）PM2.5模塊：選用GP2Y1014AU粉塵傳感器，當光照射在空氣中的懸浮顆粒物上時，會產生散射光，散射光的強度與其質量濃度成正比。通過散射光的強度，從而推斷出環(huán)境的PM2.5顆粒濃度。（6）溫濕度傳感器：選用DHT11溫濕度傳感器，可測量相對濕度與溫度，采用數字輸出方式，檢測環(huán)境的溫濕度值。（7）甲醛傳感器：選用ZE08-CH20模組，利用電化學原理完成空氣中甲醛濃度測量，并利用自帶溫度傳感器實現溫度補償，從而檢測環(huán)境甲醛濃度。（8）報警電路：當監(jiān)測到的環(huán)境變量超過所設定好的閾值，報警電路能夠及時準確的發(fā)生報警。（9）單片機：選用STC89C52作為系統的控制中心，協調整個系統，使得各系統的各個模塊實現。3.2單片機最小系統單片機是具有核心智能化的小型中央處理器，在其內部擁有數以萬計的微晶管，根據程序代碼的控制使它在邏輯上進行不同的輸出或者輸入形式，完成設計的功能控制，雖然它具有智能化的形式，但是單片機并不能獨立工作，需要配合外圍電路構成一個最小工作系統，才具有智能工作的能力，不管任何型號的單片機，最小系統都是單片機不可或缺的一個前提必要條件，對于不同系列單片機而言，組成單片機最小系統的外圍電路并不相同，需要根據單片機設計廠家給定的工作手冊進行設計最小系統的搭建。本次設計使用的單片機型號是STC89C52，他是一款8位數據處理的單片機，市場上使用極為廣泛，性能相對穩(wěn)定，單片機片上資源比較適中，雖然處于入門級單片機，但對于本次的功能來說完全足夠，最小系統由復位電路、晶振電路以及電源電路組成。單片機的最小系統搭建如下圖3-2所示。圖3-2STC89C52引腳圖從圖中就可以知道單片機的最小系統，分別由9腳連接0.1uF的電容和4.7K電阻構成的復位電路，由18腳、19腳連接的晶振和30pF的瓷片電容構成的晶振電路，再加上40引腳的正電源和20引腳的GND，這三部分就組成了單片機的最小系統電路。單片機上電之后，首先通過晶振電路給單片機提供穩(wěn)定的震蕩頻率，可以說晶振電路是為單片機提供動力源的部件，單片機在固定的頻率下進行工作，開始進行內部程序存儲器的順序執(zhí)行工作，第一步就是要把單片機的執(zhí)行指針歸為零，否則單片機執(zhí)行順序紊亂，復位電路的作用就是負責把程序執(zhí)行指針歸零，以確保單片機每次開始重新執(zhí)行的時候都是從內部程序存儲器的0X00位開始執(zhí)行。3.3液晶顯示電路設計液晶顯示功能最主要的就是人機交互，在人機交互中，程序設計人員可以根據液晶顯示的內容了解程序是否正確，是否按照設計的邏輯運行，所以一般在設計的時候，第一個考慮的設計功能就是顯示。本次設計的顯示屏是LCD1602，它分為上下兩行顯示，每一行可以直觀的顯示16個字符，其內部可以顯示64個字符，通過輪詢的方式將其顯示，本身擁有字庫芯片，可以直接顯示ASCII碼中的任何字符。在程序設計的時候需要對顯示屏的內部存儲器輸入命令，同時應用并口引腳輸入不同的高低電平，讓其顯示不同的內容。電路原理圖如圖3-3所示圖3-3LCD1602液晶電路圖液晶顯示屏通過16個引腳完成顯示工作，從圖中可知這16個引腳中數據引腳占了8個，引腳序號是7-14引腳，這8個引腳與單片機引腳并口連接，通過單片機引腳發(fā)送不同的高低電平完成不同的顯示內容，采用的方式是并口連接，優(yōu)點是顯示速度快，缺點是占用單片機引腳資源較多。顯示屏的15腳和16腳是背光板的電源引腳，通電之后背光板就會點亮，內容能夠清晰的顯示出來，1腳和2腳是顯示屏的電源引腳，3腳是對比度調節(jié)引腳，通過3腳的電壓調節(jié)可以使顯示屏更加清晰，在其外部一般連接一個10k的滑動電阻，通過改變阻值從而改變3腳電壓，也可以使用定值電阻，根據經驗使用4.7K電阻可以正常顯示。4/5/6引腳是液晶顯示屏的命令控制引腳，對液晶顯示屏進行讀取數據和寫入命令數據是依靠這三個引腳完成，所采用的協議是SPI協議，這里的命令包括開啟液晶、字符大小、閃爍變換、清屏等命令。3.4按鍵模塊電路設計按鍵電路作為輸入信號接入系統，在系統中完成響應的功能操作，一般的情況下主要負責控制輸出模塊的命令按鈕和系統設置參數的功能按鈕，盡管在設計程序時會有使用功能的區(qū)別，但是在硬件電路的設計原理卻是一致的。在硬件設計的方式上分為矩陣式和獨立式，矩陣式實現8個單片機IO引腳實現16個按鍵檢測工作，獨立式是一個單片機IO引腳檢測一個按鍵。按鍵的使用原理比較簡單，無論何種的硬件接入方式，其本質是實現對高低電平的信號檢測，當檢測到有電平信號發(fā)生改變，即可判斷按鍵發(fā)生動作。對于按鍵動作的檢測，程序設計中需要應用具體的處理方式解決按鍵機械抖動的問題，一般情況是延時10ms作為機械去抖，確保按鍵信號檢測的準確性，防止誤動作發(fā)生，引起按鍵程序的錯誤判斷。本次設計的是獨立按鍵功能，通過按鍵一端與單片機連接，另一端全部接地，檢測與按鍵相連接的單片機引腳，當電平為0時，判斷執(zhí)行按鍵動作。本次設計的按鍵分別是K1、K2、K3。K1按鍵功能是參數設置，按一下K1按鍵，進入參數設置頁面，K2按鍵實現參數數值加1功能，K3按鍵實現參數數值減1功能。按鍵電路的硬件電路如下圖3-4所示。圖3-4按鍵模塊電路3.5溫濕度傳感器電路設計本次設計采用的溫濕度傳感器是DHT11型溫濕度傳感器，DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器。這款傳感器既可以測試溫度同時還可以進行濕度檢測，此款溫濕度傳感器應用環(huán)境是針對空氣進行檢測，檢測空氣環(huán)境的溫度與濕度，在檢測范圍方面溫度的檢測范圍是0-50℃，濕度的檢測范圍是5%-95%RH，溫度誤差±2℃，濕度誤差±5%RH。而最適宜人的室內溫濕度：冬天溫度為18-25℃，濕度為30%-80%RH；夏天溫度為23-28℃，濕度為30%-60%RH。本實驗采用的DHT11型溫濕度傳感器剛好滿足條件，因此非常適合本次的設計要求。在其內部含有數據校準功能，在設計的時候不需要通過軟件程序校準，直接采集數值即可。電路連接圖如圖3-5所示。圖3-5溫濕度電路圖3.6報警電路設計報警電路一般而言都是都過蜂鳴器的鳴響進行報警提示，通常在設計的時候，蜂鳴器的驅動都不會用單片機的引腳直接驅動，因為單片機引腳不具備大電流的驅動能力，通常驅動三極管進行間接的驅動蜂鳴器。當監(jiān)測到環(huán)境變量大于所設定好的值時，蜂鳴器開始報警；反之，則不報警。如圖3-6所示。圖3-6報警電路圖3.7甲醛電路設計本次設計檢測甲醛濃度采用ZE08-CH20模組，它是一個通用型、小型化模組，通過檢測空氣中的甲醛濃度實現電化學反應，在其內部有溫度補償電路，可以抵消由于溫度的變化導致的檢測數據的影響，具有良好的選擇性，穩(wěn)定性。模組具有模擬輸出和串口輸出功能，可以滿足多種情況下的使用，對于干擾氣體的影響有很好的一直效果。模塊一共有7個引腳，其主要應用的引腳主要是AD引腳和串口引腳，本次設計采用的是串口引腳。在進行電路連接的時候，需要對模塊完成電源引腳和串口引腳的連接，在串口連接時需要注意模塊的RX和TX與單片機的TX和RX進行交互連接，否則將接受不到模塊的數據，模塊本身默認的情況下是每秒鐘自動獲取甲醛濃度數據，對于串口的讀取可以設置為主動式和被動式，默認是主動式，被動式就是通過單片機讀取而返回數據，數據按照一定的通訊格式進行傳輸，單片機需要根據格式的解析完成有效數據的提取。本次設計使用的甲醛傳感器檢測范圍是0-5.0ppm，目前國家標準要求室內居住環(huán)境中的甲醛濃度含量要小于0.1mg/m3，1mg/m3=0.746ppm。而本次實驗采用的ZE08-CH20模組的監(jiān)測范圍完全滿足本次實驗所需要測試的數據。甲醛的報警閾值也可以通過用戶需求，使用按鍵自行設定報警閾值。如圖3-7所示。圖3-6甲醛電路圖3.8PM2.5電路設計本次設計檢測PM2.5濃度采用GP2Y1014AU粉塵傳感器，檢測電路采用LED發(fā)射管進行漫反射進行檢測的模塊，通過模塊內部的LED以1mS的頻率對模塊內部的控制進行照射，根據空氣的質量不同，檢測出的模擬量也不相同，最終模擬量以電壓的形式輸出，模塊本身自帶運放電路系統集成，通過運算放大將反射信號裝換為電壓信號，本次設計電壓信號進行單片機采集控制。模塊一共有6個引腳，1腳和6腳為VCC，2腳和4腳為GND，3腳為模塊的LED引腳，5腳為模塊的模擬輸出引腳。單片機采集模擬引腳的電壓變化計算PM2.5的顆粒值。輸出的是一個模擬電壓正比于所得的粉塵濃度，敏感性為0.5V/0.1mg/m3。一般在室內PM2.5低于50毫克為合格要求，目前，在我國的PM2.5標準值為24小時平均濃度小于755mg/m3為達標。如圖3-8所示。圖3-8PM2.5電路圖3.9CO電路設計本次設計檢測CO濃度采用MQ-9傳感器，CO傳感器是一種檢測氣體的傳感器，通過本身的特殊材質在有CO氣體的時候燃燒自身達到內阻的變化，它輸出的信號是一個模擬值，這個模擬值是根據氣體的濃度變化，濃度越大這個模擬值越大，模擬值是以電壓的輸出的，傳感器本身輸出的電壓比較小，一般都是以毫伏為單位，即使?jié)舛忍貏e高的時候也就是幾十毫伏，單片機對毫伏的感應不是那么靈敏，所以傳感器都會有一個放大電路，將毫伏級的信號放大幾十倍，達到幾伏級的標準，因為單片機的最大采集電壓是5V，放大不能超過5V，否則單片機采集不到。本設計中的CO傳感器選用MQ-9半導體氣體煤氣傳感器，隨著CO的濃度增加，輸出的電壓會不同?？梢詼y試CO的濃度10-1000ppm。當環(huán)境中CO的濃度超過100ppm時，人體就會產生頭暈、乏力等不適感；隨著CO濃度的增加，會進一步產生頭痛、嘔吐、昏迷等癥狀；當CO濃度超過600ppm時，短期內會引起窒息死亡。而選用的傳感器滿足本次實驗。電路如圖3-9所示。圖3-8CO電路圖4系統軟件設計4.1系統程序設計軟件KEIL軟件的開發(fā)界面給人一種干凈整潔的觀感，沒有絲毫的雜亂，簡單明了的指令系統得到眾多程序員的認可，是最受歡迎的軟件之一，KEIL軟件涵蓋了眾多型號的單片機庫，很多的單片機都可以使用KEIL軟件直接進行開發(fā)，無需對新的開發(fā)環(huán)境進行了解，節(jié)省開發(fā)的時間。新建工程界面如下圖4-1所示。圖4-1新建工程界面建立工程在菜單Project中的，在下拉的菜單中找到NEW，單擊后就可以根據指示的步驟選擇單片機等一系列的操作，完成新工程的建立。程序編寫KEIL的界面如下圖4-2所示。圖4-2程序編寫的Keil界面在程序編寫完成之后就需要進行編譯，Keil編譯界面如下圖4-3所示。圖4-3keil的編譯界面當程序成功生成.HEX文件時候，可以將程序下載驗證。下載程序界面如圖4-4所示。圖4-4HEX文件下載界面本設計采用STC89C52單片機，該系列單片機支持串口下載，程序調試完成后，通過Keil軟件把用C語言編寫的代碼編譯成HEX格式，然后下載到單片機中，下載界面如圖4-4。4.2系統主程序主程序的設計主要是程序的架構，為各個子程序流出位置，主程序通過調用不同的子程序完成不同的功能設計。主程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5主程序流程圖4.3液晶顯示子程序本設計的顯示程序采用的是LCD1602進行顯示，顯示程序主要通過初始化、設置顯示命令，確定顯示指針以及顯示的地址來完成，在初始化中完成LCD1602的讀寫協議配置，LCD1602采用的SPI的協議，所以在初始化的時候完成的部分是協議命令格式的配置工作，初始化完畢后，進行命令的寫入，包括對顯示字體大小的確定，顯示使能位的開啟，顯示地址指針的確定，之后就是等待要顯示的內容，接收到需要顯示的數值后，確定第一行的顯示地址和第二行的顯示地址，最終完成數據的顯示。如圖4-6所示。圖4-6LCD顯示流程圖4.4按鍵電路程序本次設計的按鍵程序采用的是獨立式的按鍵設計，按鍵子程序是一個實時的掃描過程，對按鍵檢測首先是判斷按鍵是否有動作，如果沒有動作，一直處于主程序循環(huán)的掃描中，當檢測到有動作之后，要進行去抖的延時檢測，防止按鍵的機械性誤動作，延時檢測之后，對按鍵進行再次掃描，按鍵仍為有效值，則對按鍵值進行判斷，判斷完畢后等待按鍵釋放，之后執(zhí)行按鍵的功能。本次設計的按鍵功能主要是設置參數，按鍵模塊的流程圖程序圖如4-7所示。圖4-7按鍵讀取流程圖4.5可燃氣體檢測子程序可燃檢測采集是通過可燃傳感器輸出模擬電壓，通過ADC0832進行數字量的轉化，將可燃傳感器的模擬量轉換為數字量。如圖4-8所示。圖4-8可燃氣體檢測流程圖4.6溫濕度檢測子程序本設計的溫濕程序采用的是DHT11進行測試，溫濕度采集程序主要通過初始化、設置讀取命令，確定要讀取的地址來完成，在初始化中完成DHT11的讀寫協議配置，DHT11采用的單總線的協議，所以在初始化的時候完成的部分是協議命令格式的配置工作，初始化完畢后，進行命令的寫入，包括對溫濕度數據地址的確定，之后就是溫濕度數據地址的內容，接收到需要的數值后，將結果存入存儲單元中，最終完成數據的去取。如圖4-9所示。圖4-9溫濕度檢測流程圖4.7PM2.5檢測子程序PM2.5傳感器本身規(guī)定，一次PM2.5的檢測周期是10ms，10ms的周期內，其中9.68ms是PM2.5內部LED燈的照射時間，通過LED的照射檢測PM2.5空間內的顆粒含量，經過固定時間的照射，PM2.5傳感器內部的模擬電壓趨于穩(wěn)定，照射完畢，進PM2.5模擬量的采集，在此期間，需要固定延時40us，保證采集時LED燈照射的穩(wěn)定，之后關閉LED燈，延時0.28ms，之后把采集的數據放入存儲區(qū)，單片機采集數據運算，到此，PM2.5傳感器完成一個周期采集，程序返回主函數，等待下次采集。如圖4-10所示。圖4-10PM2.5檢測流程圖4.8報警子程序本次設計采用蜂鳴器進行報警，當達到報警條件時，單片機發(fā)送低電平控制蜂鳴器模塊，蜂鳴器接收到低電平進行報警。如圖4-11所示。圖4-11報警流程圖5系統測試與分析5.1系統制作焊接的圖片如圖5-1所示：圖5-1系統焊接圖系統實物圖片如圖5-2所示：圖5-2系統實物圖5.2實物通電測試實物的通電測試在系統設計中是一個關鍵的節(jié)點，通電后通過觀察顯示屏或者指示燈是否被點亮來確定通電后的實物是否正常工作，若果沒有被點亮說明實物存在問題，需要立即斷電查找原因，使用萬用表進行線路的測量，查明原因將其解決，重新通電觀察，實物正常工作后，用手背感受各個傳感器的溫度，沒有存在發(fā)熱的現象，說明所有的器件均可以正常工作。通電測試圖如圖5-3所示。圖5-3系統通電測試圖5.3實物調試實物通電成功以后，開始進行實物軟件與硬件的聯合調試工作，在聯合調試中首先需要完成人機交互的顯示屏調試工作，顯示內容的正確與否，直觀的顯示出程序的代碼是否正確，本次設計的第一次調試中，顯示屏的顯示工作并不正確，出現了白屏的現象。界面如圖5-4所示。圖5-4顯示錯誤程序出現問題后，立即進行錯誤原因的查找工作，首先查找硬件接線的問題，引腳線路是否出現錯接問題，通過硬件的排查，引腳在接線上沒有錯誤，硬件連接是正確的，之后進行軟件代碼的查找，查找中發(fā)現對于硬件的IO口定義出現錯誤，導致屏幕顯示的不正確，通過更改程序代碼，重新下載運行，顯示屏內容顯示正確。正常顯示如圖5-5所示：圖5-5正常顯示程序最后通過整體的調試系統可以正常的工作，如圖5-6所示。圖5-6系統軟件正常工作

6總結本次設計以單片機為核心實現智能化的檢測功能與控制功能，通過對傳感器的數據的采集，在單片機內部進行運算和邏輯處理，完成控制輸出功能，在硬件設計和軟件設計的綜合應用的情況下，實現智能化系統設計功能要求。在本次的設計中，首先對本