1、精選優質文檔-傾情為你奉上目 錄專心-專注-專業概 述一、課題研究的目的及意義空氣質量的好壞反映了空氣污染程度，它是依據空氣中污染物濃度的高低來判斷的。來自固定和流動污染源的人為污染物排放大小是影響空氣質量的最主要因素之一。空氣質量檢測種類包括裝修污染、辦公室內空氣檢測、作業場所有害物質檢測、食堂油煙檢測、鍋爐大氣及工業窯爐檢測及工廠排放工業廢氣檢測。當今，人類正面臨“煤煙污染”、“光化學煙霧污染”之后，又出現了“室內空氣污染”為主的第三次環境污染。美國專家檢測發現，在室內空氣中存在500多種揮發性有機物，其中致癌物質就有20多種，致病病毒200多種。危害較大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、

2、三氯乙烯等。大量觸目驚心的事實證實，室內空氣污染已成為危害人類健康的“隱形殺手”，也成為全世界各國共同關注的問題。據統計，全球近一半的人處于室內空氣污染中，室內環境污染已經引起35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病和15%的氣管炎、支氣管炎和肺癌。本課題主要研究設計基于量化檢測的“空氣質量檢測儀”系統，此系統旨在實現室內空氣溫度、煤氣、煙霧的預警監測，有利于進行全方位的評價室內空氣質量，為人類營造一個健康的室內生存空間。空氣質量檢測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應用于家庭和社區的醫療健康保健，能夠實時知道室內空氣的質量。二、國內外的研究狀況國外從20世紀30年代開始研究及開發煙霧傳感器，且

3、發展迅速，一方面是因為人們安全意識增強，對環境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規的推動。據有關統計，美國1996年2002年煙霧傳感器年均增長率為27%30%。隨著傳感器生產工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測儀器的便攜性，更加利于生產、運輸及市場推廣。 1963年5月，日本開發完成第一臺接觸燃燒式家用燃氣泄漏報警器，次年12月其改良產品問世，改良的報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣 體，可以安裝在浴室或者采用集中監視。我國在70年代初期開始研制煙霧報警器，生產型號多樣、品種較齊全，應用范圍也由

4、單一的煉油系統擴展到幾乎所有危險作業環境的各種類型報警器，產品數量也在不斷增加。但主要是在引進國外先進的傳感器技術和先進的生產工藝基礎上，進行研究與開發形成自己的特色。近年來，在煙霧選擇性和產品穩定性上也有很大進步。1本課題的主要研究內容、方法及總體設計1.1 課題設計的內容以單片機為核心，選擇合適的傳感器，實現對室內溫度，有毒有害氣體的檢測。1.2課題設計的方法查閱相關資料，應用電腦軟件進行調試，制作硬件設備，在實際環境中測試并進行修改、調試，直至達到課題要求。1.3總體方案設計本設計集VOC氣體及溫度監測，顯示與報警于一體，利用MCU進行數據采集保證了前臺數據的及時、準確，有利于進行全方位

5、的評價。具有良好的便攜性和通用性，并且使用LCD點陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機對話界面。1.3.1系統框圖主控制器氣體傳感器電源溫度傳感器AD轉換輸入鍵盤聲光報警顯示模塊圖1-1 系統總框圖1.3.2功能設定（1） 顯示部分采用LCD1602顯示屏，顯示各項測量值的上下限及實際濃度、實際溫度。并在按鍵選擇情況下連續顯示一個測量值的變化。（2） 當有害氣體濃度超出安全范圍時進行聲光報警。（3） 按鍵操作可進行測量值轉換。2 空氣質量檢測儀的硬件設計2.1 空氣質量檢測儀系統簡介基于STC89C52的室內便攜式智能空氣質量監測儀是以室內空氣中有毒危險性氣體的監測監控為背景，能夠實現對室內溫度，

6、VOC氣體的實時采集處理、顯示、報警等功能。儀器使用LCD點陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機對話界面。同時設計了聲光報警系統，實現在參數超標時及時的報警。室內智能空氣品質監測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應用于家庭和社區的醫療健康保健，能夠實時知道室內空氣的質量。2.1.1 系統硬件結構及原理本文研究的室內便攜式智能空氣品質監測儀是以STC工公司的一款8位超低功耗單片機STC89C52為控制核心。室內空氣中有害氣體通過傳感器輸出一個與氣體濃度相對應的電壓信號,該信號經過A/D轉換電路按一定得采樣頻率將模擬信號轉換為數字信號送入單片機進行數據采集以便進行顯示處理，溫傳感器直接與單片機相連。單片

7、機對采樣值進行數字處理后驅動液晶顯示器分別顯示出被測室內空氣中的VOC氣體濃度值及溫度。若被測室內空氣中VOC氣體的濃度有超過國家標準或設定的危險值或溫度超出設定范圍時報警電路對應的發出聲光報警信號。2.2 STC89C52單片機簡介隨著計算機技術的發展，單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點而在許多領域如過程控制、數據采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網絡技術等方面得到廣泛應用，從而使這些領域的技術水平、自動化程度大大提高。根據上述幾方面及本課題的實際情況，單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮:一是要有較強的抗干擾能力。由于一般室內電子電器產品比較多，這對單片機的干擾較大，

8、所以應采用抗干擾性能較好的單片機機型。二是要有較高的性價比。由于高度的通用性和出色的穩定性，本系統采用宏晶公司產的低功耗，高性能CMOS 8位單片機的STC89C52作為控制器。片內含4k bytes的可系統編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程(ISP)也可用傳統方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，可提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。2.2.1STC89C52主要性能參數：（1）與MCS.51產品指令系統完全兼容（2）4k字節在系統編程(ISP)Fl

9、ash閃速存儲器（3）1000次擦寫周期（4）4.0-5.5V的工作電壓范圍（5）全境態工作模式：0Hz-33MHz（6）三級程序加密鎖（7）128×8字節內部RAM（8）32個可編程IO口線（9）2個16位定時器計數器（10）10、6個中斷源（11）全雙工串行UART通道（12）低功耗空閑和掉電模式（13）中斷可從空閑模喚醒系統（14）看門狗(wDT)及雙數據指針（15）掉電標識和快速編程特性（16）靈活的在線系統編程STC89C52芯片管腳如圖2-1。圖2-1 STC89C52引腳布置2.2.2時鐘電路模塊時鐘電路由一個晶體振蕩器11.0592MHZ和兩個30pF的瓷片電容組成。

10、時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執行中各信號之間的相互關系。單片機本身就如一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地工作。其電路如圖2-2所示：圖2-2 時鐘電路模塊2.2.3復位電路模塊復位電路是使單片機的CPU或系統中的其他部件處于某一確定的初始狀態，并從這狀態開始工作，除了進入系統的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時，為擺脫困境，也需按復位電路以重新啟動。本設計采用的是按鍵復位電路。其電路如圖2-3所示：圖2-3 復位電路模塊2.3傳感器的選用2.3.1氣體傳感器1、氣體傳感器基礎知

11、識按照氣敏特性來分，氣體傳感器主要分為：半導體型、電化學型、固體電解質型、接觸燃燒型、光化學型等氣體傳感器，又以前兩種最為普遍。(1)半導體型氣體傳感器的優缺點半導體氣體傳感器具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優點。不足之處是必須在高溫下工作、對氣體或氣味的選擇性差、元件參數分散、穩定性不理想、功率高等方面。(2)半導體傳感器需要加熱的原因半導體傳感器是利用一種金屬氧化物薄膜制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。氣體分子在薄膜表面進行還原反應以引起傳感器電導率的變化。為了消除氣體分子達到初始狀態就必須發生一次氧化反應。傳感器內的加熱器可以加速

12、氧化過程，這也是為什么有些低端傳感器總是不穩定，其原因就是沒有加熱或加熱電壓過低導致溫度太低反應不充分。(3)電化學氣體傳感器的工作原理電化學氣體傳感器是通過監測電流來監測氣體的濃度，分為不需供電的原電池式以及需要供電的可控電位電解式，目前可以監測許多有毒氣體和氧氣，后者還能監測血液中的氧濃度。電化學傳感器的主要優點是氣體的高靈敏度以及良好的選擇性。不足之處是有壽命的限制一般為兩年。(4)半導體傳感器和電化學傳感器的區別半導體傳感器因其簡單低價已經得到廣泛應用，但是又因為它的選擇性差和穩定性不理想目前還只是在民用級別使用。而電化學傳感器因其良好的選擇性和高靈敏度被廣泛應用在幾乎所有工業場合。(

13、5)固態電解質氣體傳感器顧名思義，固態電解質就是以固體離子導電為電解質的化學電池。它介于半導體和電化學之間。選擇性，靈敏度高于半導體而壽命又長于電化學，所以也得到了很多的應用，不足之處就是響應時間過長。(6)接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器只能測量可燃氣體。又分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，原理是氣敏材料在通電狀態下，可燃氣體在表面或者在催化劑作用下燃燒，由于燃燒使氣敏材料溫度升高從而電阻發生變化。后者因為催化劑的關系具有廣普特性應用更廣。(7)光學式氣體傳感器光學式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型等等，主要以紅外吸收型為主。由于不同氣體對紅外波吸收程度不同，通過測

14、量紅外吸收波長來監測氣體。目前因為它的結構關系一般造價頗高。基于本文的實時要求和性價比等方面的原因，本系統選用電化學傳感器中的定電位電解式氣體傳感器。2、MQ-2傳感器簡介MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度 的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。當處于200300°C溫度時，

15、二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少， 從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受 到該煙霧的調制而變化，就會引起表而電導率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態吸附在二氧化錫半導體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導體-又會自 動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態。這就是MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。(1)MQ-2型傳感器的一般特點 (

16、a)MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。 (b)MQ-2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩定性。初始穩定， 響應時間短，長時間工作性能好。 (c)MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。 (d)電路設計電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓5±0.2V。 (2)MQ-2型傳感器的特性參數 (a)回路電壓：(Vc) 524V (b)取樣電阻：(RL) 0.120K(c)加熱電壓：(VH)5±0.2V(d)加熱功率：(P)約750mW (e)靈 敏 度：以甲烷為例R0(air)/

17、RS (0.1%CH4)5 (f)響應時間：Tres10秒 (g)恢復時間：Trec30秒 （3）模塊應用可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、煙霧等的探測；。（4）接線方式a、VCC:接電源正極（5V）b、GND:接電源負極c、DO:TTL開關信號輸出d、AO:模擬信號輸出2.3.2溫度傳感器介紹：1、DS18B20工作原理DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間各不相同。低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振 隨溫度變化其振蕩

18、率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重 新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。DS18B20有4個主要的數據部件：（1）光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產品類型標號，接著的48位是該DS18B20

19、自身的序列號，最后8位是前面56位的循環冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。（2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S為符號位。這是12位轉化后得到的12位數據，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘于0.0

20、625即可得到實際溫度。例如+125的數字輸出為07D0H，+25.0625的數字輸出為0191H，-25.0625的數字輸出為FE6FH，-55的數字輸出為FC90H。（3）DS18B20溫度傳感器的存儲器 DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發器TH、TL和結構寄存器。（4）配置寄存器該字節各位的意義如下：表2-1：配置寄存器結構TMR1R011111低五位一直都是"1"，TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去

21、改動。R1和R0用來設置分辨率，如下表所示：（DS18B20出廠時被設置為12位）表2-2：溫度分辨率設置表R1R0分辨率溫度最大轉換時間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms2、高速暫存存儲器高速暫存存儲器由9個字節組成，當溫度轉換命令發布后，經轉換所得的溫度值以二字節補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前，高位在后。對應的溫度計算： 當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，先將補碼變為原碼，再計算十進制值。表2-3：DS18B20暫存寄存器分布寄存器內容字節地址溫度值低

22、位 （LS Byte）0溫度值高位 （MS Byte）1高溫限值（TH）2低溫限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校驗值8根據DS18B20的通訊協議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位操作，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉500微秒，然后釋放，當DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。3、溫度的讀取DS18B20在出廠時以配置為12位，讀取溫度時共讀取1

23、6位，前5個位為符號位，當前5位為1時，讀取的溫度為負數；當前5位為0時，讀取的溫度為正數。溫度為正時讀取方法為：將16進制數轉換成10進制即可。溫度為負時讀取方法為：將16進制取反后加1，再轉換成10進制即可。例：0550H=+85 度，FC90H=-55度。4、 DS18B20控制方法DS18B20有六條控制命令，指令約定代碼操作說明溫度轉換 44H 啟動DS18B20進行溫度轉換讀暫存器 BEH 讀暫存器9字節二進制數字寫暫存器 4EH 將數據寫入暫存器的TH、TL字節復制暫存器 48H 把暫存器的TH、TL字節寫到E2RAM中重新調E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字節寫到

24、暫存器TH、TL字節讀電源供電方式 B4H 啟動DS18B20發送電源供電方式的信號給主CPU5、DS18B20的初始化（1） 先將數據線置高電平“1”。（2） 延時（該時間要求的不是很嚴格，但是盡可能的短一點）（3） 數據線拉到低電平“0”。（4） 延時750微秒（該時間的時間范圍可以從480到960微秒）。（5） 數據線拉到高電平“1”。（6） 延時等待（如果初始化成功則在15到60微妙時間之內產生一個由DS18B20所返回的低電平“0”。據該狀態可以來確定它的存在，但是應注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環，所以要進行超時控制）。（7） 若CPU讀到了數據線上的低電平“0”后，

25、還要做延時，其延時的時間從發出的高電平算起（第（5）步的時間算起）最少要480微秒。（8） 將數據線再次拉高到高電平“1”后結束。6、DS18B20的寫操作（1） 數據線先置低電平“0”。（2） 延時確定的時間為15微秒。（3） 按從低位到高位的順序發送字節（一次只發送一位）。（4） 延時時間為45微秒。（5） 將數據線拉到高電平。（6） 重復上（1）到（6）的操作直到所有的字節全部發送完為止。（7） 最后將數據線拉高。7、 DS18B20的讀操作（1）將數據線拉高“1”。（2）延時2微秒。（3）將數據線拉低“0”。（4）延時3微秒。（5）將數據線拉高“1”。（6）延時5微秒。（7）讀數據線的

26、狀態得到1個狀態位，并進行數據處理。（8）延時60微秒。2.4模數轉換電路設計氣體傳感器出來的信號是模擬信號，而微處理器STC89C52只能處理數字信號，故需要對模擬信號信號進行轉換，將其轉換為處理器能識別的數字信號，由于測試電路出來的模擬電壓變化范圍在05V，故選擇性價比比較合適的ADC0809進行模數轉換。其管腳定義如圖2-4所示。圖2-4ADC0809管腳示意圖ADC0809各腳功能如表2-4：表2-4 ADC0809各腳功能引腳功能介紹D7-D0IN0-IN78位數字量輸出引腳8位模擬量輸入引腳VCC+5V工作電壓REF（+）參考電壓正端REF（-）參考電壓負端STARTA/D轉換啟動

27、信號輸入端ALE地址鎖存允許信號輸入端EOC轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平OE輸出允許控制端，用以打開三態數據輸出鎖存器。CLK時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。A、B、C地址輸入線ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。ADC0809的時序接口為51系列單片機的標準總線接口，操作方便，如同對存儲器或I/O操作一樣，A/D轉換精度為8比特，滿足本課題要求。輸入的模擬電壓為05V，一次A/D轉換時間為100S。2.5聲光報警電

28、路設計為了使本系統對室內空氣品質的監測更為直觀，采用了如圖2-5由2個發光二極管和一個蜂鳴器構成的聲光報警電路。溫度超標時D1燈亮蜂鳴器報警，其中危險氣體含量超標時D2燈亮蜂鳴器報警。圖2-5 聲光報警電路2.6液晶顯示電路設計本課題所要顯示的數據一共有2個，分別是有毒氣體的濃度和室內的溫度范圍和測量值，故選用2行16個字符的LCD1602作為顯示模塊，滿足顯示要求。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點，現在字符型液晶顯示模塊已經是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件了。字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40

29、*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。2.6.1 LCD1602的基本參數及引腳功能1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別。1602LCD主要技術參數：（1）顯示容量：16x2個字符芯片（2）工作電壓：4.5V5.5V（3）工作電流：2.0Ma（5V）（4）模塊兒最佳工作電壓：5.0V（5）字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm引腳功能說明：1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（有背光）接口，各引腳說明如表2-5所示：表2-5

30、 1602引腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數據2VDD電源正極10D3數據3VL液晶顯示偏壓11D4數據4RS數據/命令選擇12D5數據5R/W讀/寫選擇13D6數據6E使能信號14D7數據7D0數據15BLA背光源正極8D1數據16BLK背光源負極第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接+5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。第4腳：PS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操

31、作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，夜景模塊執行命令。第714腳：D0D7為八位雙向數據線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。2.6.2 LCD1602的指令說明及時序1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令，1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現的。（說明：1為高電平、0為低電平）指令1：清顯示，指令碼01H,光標復位到地址00H位置。指令2：光標復位，光標返回到地址0

32、0H。指令3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關控制。D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標或顯示移位S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。指令6：功能設置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。指令7：字符發

33、生器RAM地址設置。指令8：DDRAM地址設置。指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數據，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數據。指令11：讀數據。與HD44780相兼容的芯片時序如表2-6：表2-6 基本操作時序表讀狀態輸入RS=L,R/W=H,E=H輸出D0D7=狀態字寫指令輸入RS=L,R/W=L,D0D7=指令碼,E=高脈沖輸出無讀數據輸入RS=H,R/W=H,E=H輸出D0D7=數據寫數據輸入RS=H,R/W=L,D0D7=數據,E=高脈沖輸出無2.6.3 1602LCD的RAM地址映射及標準字庫表液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執

34、行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖2-6是1602的內部顯示地址。圖2-6 1602LCD內部顯示地址第二行第一個字符的地址是40H，寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1所以實際寫入的數據應該是：B（40H）+B(80H)=B(C0H)。在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態。1602液晶模塊內部的字符發生存儲器（CGROM）已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字

35、、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼。2.6.4 LCD1602的一般初始化過程延時15mS寫指令38H（不檢測忙信號）延時5mS寫指令38H（不檢測忙信號）延時5mS寫指令38H（不檢測忙信號）以后每次寫指令、讀/寫數據操作均需要檢測忙信號寫指令38H：顯示模式設置寫指令08H：顯示關閉寫指令01H：顯示清屏寫指令06H：顯示光標移動設置寫指令0CH：顯示開及光標設置2.7按鍵電路設計考慮到整個測量系統中不同環境對氣體濃度及溫濕度范圍要求不同，故設置了按鍵功能，用于實現測量范圍的調整，參考單片機引腳使用情況，2個獨立按鍵，按鍵按下時可以顯示對應參數值。2

36、.8電路電源設計本設計采用集成穩壓器7805，C2、C5分別為輸入端和輸出端濾波電容，D1為續流二極管。當輸出電流較大時，7805應配上散熱板。電源電路如圖2-7所示：圖2-7 電源電路2.9本章小結本章首先介紹了便攜式室內空氣質量監測儀的硬件結構以及系統功能，該儀器以8位單片機STC89C52作為控制核心，設計并構建了系統的硬件平臺，完成了有害氣體濃度信號的采集轉換電路、液晶顯示電路、聲光報警電路等的設計。該儀器能夠實現有毒氣體濃度信號和溫度信號采集與顯示及超標聲光報警等功能。本章重點介紹了信號采集模擬電路和以主控制器為中心的數字電路的設計與工作原理。首先討論了有毒氣體采集模塊中傳感器選擇問

37、題，最后討論了系統的外圍接口電路模塊，包括液晶顯示,聲光報警等，實現了各外圍接口電路模塊與STC89C52的硬件接口設計。這一章比較具體的說明了系統硬件設計的內容，通過模塊化的設計思想，把一個復雜的單片機系統按照功能劃分成一個個單獨的電路模型，分別進行設計，最后在集成到一起。這種方法對于設計復雜的單片機系統很有效。大大提高系統設計的效率與質量。（說明：系統硬件設計的電路原理圖附在論文的附錄里面。）3空氣質量檢測儀的軟件設計3.1 系統軟件設計思路3.1.1 編程語言的選擇在系統硬件電路確定以后，其主要功能的實現將依賴于軟件來實現。對同一硬件電路，配以不同的軟件，它所實現的功能也就不同，其設計軟

38、件基本要求：（1）可靠性。可靠性是軟件設計的重要指標，具有較強的抗干擾能力。（2）易理解性、易維護性。編制的軟件要求易閱讀，容易發現和糾正錯誤，容易修改和補充。（3）實時性。系統能夠及時響應外部事件的發生并能及時做出處理結果。（4）準確性。保證系統進行計算數據的精度。目前存在有4種編程語言支持單片機，即匯編語言、PL/M51語言、C語言和BASI語言。其中匯編語言和C語言應用的較多，匯編語言的機器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。結合本系統的特點，這里選用了功能強、效率高的C語言。C語言主要有以下特點：用C語言編制的程序效率高，占用存儲空間小，運行速度快。C語言能寫出最優化程序，且能

39、反映出計算機的實際運行情況。C語言能直接與存儲器、接口電路打交道，也能申請中斷。具有良好的模塊化、容易閱讀、維護等優點，且編寫的模塊程序易于移植。基于C語言和匯編語言的優缺點，本系統采用C語言編寫方法。3.1.2 軟件功能需求圖3-1主程序功能需求室內空氣質量檢測儀系統軟件主要由溫度傳感器采集模塊、AD轉換模塊、人機接口模塊、聲光報警模塊、核心控制器模塊構成，各模塊功能概述如表3-1所示。表3-1 各功能模塊功能描述功能模塊功能描述溫度傳感器采集模塊對室內溫度測點進行實時監測AD轉換模塊1.完成信號采樣2.完成與核心處理器間的數據傳輸核心控制器模塊1.系統時基分配2.人機接口控制3.各模塊協調

40、工作人機接口模塊1.按鍵控制2.動態信息顯示根據軟件設計的基本要求,采取了如下的措施:（1）程序模塊化。軟件設計中包含有：主程序模塊、顯示模塊、溫度傳感器檢測函數、A/D數據轉換子模塊、聲光報警模塊、數據轉換模塊、按鍵函數。（2）軟件設計采用C語言編程。（3）中斷響應外部事件，提高了系統的實時處理事件能力。（4）.軟、硬件抗干擾。軟件抗干擾措施提高了系統的可靠性。以下就對一些主要模塊進行詳細的闡述。3.2軟件模塊設計3.2.1主程序模塊主程序運行流程圖如圖3-2所示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實現的主要功能是實現對傳感器信號的數據采集，然后進行數據的計算、分析、送液晶進行顯示及報警功能。程

41、序開始時，對系統進行初始化，包括單片機的各寄存器、RAM、定時器裝載初值、中斷設置及各模塊初始化等。完成初始化后，CPU等待傳感器傳入信號及AD轉換結束，從而完成當前監測參數的正確顯示。 圖3-2主程序流程圖3.2.2AD轉換模塊AD完成轉換需要一定的時間，AD應用中我們可以有兩種方法來：（1）中斷查詢法，AD完成模數轉換后會向中斷輸出端輸出一個中斷請求信號，告訴CPU轉換已經完成，CPU可以讀取數據。（2）延時等待法，設定一定的時間讓CPU處于等待狀態，此時間足夠AD完成轉換，過了等待時間CPU再去讀取數據。綜合考慮各方面的因素，本研究采用第二種方法：延時等待法。所用的芯片為AD0809，根

42、據所需的要求。3.2.3液晶顯示模塊本設計所用的顯示器件為1602液晶面板，該液晶能顯示32個字符，滿足顯示要求。1602液晶與CPU是并口通信，由單片機的P2.4、P2.5、P2.6引腳來控制1602的讀寫數據命令功能，單片機P0口傳輸數據到1602進行顯示。系統上電LCD初始化，液晶顯示首先需要要按照時序給定顯示地址，然后傳送數據。上電后液晶顯示開始顯示兩個被測量的范圍和測量結果。3.2.4聲光報警模塊聲音報警采用的是蜂鳴器，光報警是通過2個發光二極管來顯示，2個紅燈，當有害氣體含量沒超標時燈不亮，超標時顯示紅色并啟動蜂鳴器，報警子程序執行之前，設定的報警閾值存放在兩個變量中，傳感器輸入A

43、D轉換值后，調用比較程序，小于閾值則執行顯示程序，若大于閾值進行聲光報警。3.2.5按鍵模塊 本設計的主要測量參數有兩個，一個是溫度一個是危險有害氣體濃度，所以設計兩個獨立按鍵，操作方便，對測量參數的切換，能夠實現對參數的觀測。3.3本章小結在這一章里對室內便攜式只能空氣品質監測儀的軟件設計進行了較詳細的介紹。軟件采用了模塊化設計的思路，以單片機高級語言C51編程。在本章開始給出了主程序結構流程圖，然后分別對各個子模塊的軟件流程進行介紹。（說明：程序見附錄二）4系統調試4.1系統硬件調試4.1.1 常見的硬件故障(1)邏輯錯誤：硬件的邏輯錯誤是由于設計錯誤和加工過程中的工藝性錯誤所造成的，主要

44、包括：錯線、開路、短路等，其中短路最為常見，在印刷電路板布線密度高的情況下，極易因工藝原因造成短路。(2)器件失效：元器件失效主要是因為器件本身已損壞或性能不符合要求，或者是由于組裝錯誤造成的元器件失效，如電解電容、二極管的極性錯誤，集成塊安裝方向錯誤等。(3)可靠性差：系統不可靠可能受多種因素影響，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統時好時壞；內部和外部的干擾、器件負載過大等造成邏輯電平不穩定；另外，走線和布局的不合理等也是系統可靠性差的重要因素之一。(4)電源故障：若系統中存在電源故障，則加電后將造成器件損壞。4.1.2硬件調試方法焊接好電路以后，用萬用表直接檢查線路板各處是否有明顯短路、

45、斷路的地方，尤其是電源是否短路。接著，焊接各元器件及插座，在焊接過程中要對各元件做逐一檢查，比如二極管極性、電容容量及耐壓、電阻值大小等。在插座、元件焊接完畢后，仔細檢查元件面各元件之間裸露部分有無相互接觸現象，焊接面的各焊點間、焊點和近鄰線有無連接。最后，再給電路板空載上電(未插芯片)，檢查線路板各管腳及插件上的電位是否正確，特別是單片機管腳上的各點電壓。若上述的一切都正常，則硬件調試的準備工作完成。4.2 系統軟件調試系統調試主要通過反復導入程序驗證，觀察程序實際運行情況，如果有異常情況，針對異常情況的發生可能是對應的那一部分的程序故障。在電腦上檢查對應可能出現錯誤的程序，修改程序，然后再

46、進行導入。反復進行，直到實現功能為止。4.3本章小結本次調試過程中遇到了許多問題，例如系統一上電，聲光報警電路就發出報警聲音而LED正常，經程序以及電路檢查，發現蜂鳴器都是高電平時工作，單片機復位后四個I/O口都是高電平，而初始化子程序并沒有對P1.3引腳清零，這就使程序剛運行蜂鳴器就發出報警了。發現這個錯誤，把子程序中P1.3引腳先清零。另外，傳感器輸出電壓不穩定，把傳感器工作電路接好后急于接到0809上，運行程序發現還沒MQ-2氣體進傳感器而LCD顯示的測量數值明顯偏大。經看此傳感器說明書發現傳感器需預熱一段時間，使傳感器內部敏感元件恢復到初始狀態，便于測量結果正確。找到錯誤原因，在測量前

47、先預熱5分鐘，接入后續電路，測量結果正常。結 論1主要結論（1）本系統綜合利用傳感器技術，自動監測技術，和微控制器技術，開發了一套對室內的空氣質量進行監控的操作方便、簡潔實用的自動監測系統。（2）系統軟硬件設計合理，其中單片機軟件采用模塊化的程序設計方法，各模塊相互獨立，提高了系統的可靠性和可擴展性，整個系統具有較高的性能價格比。（3）系統C51語言編程，程序結構清晰，顯示板界面非常友好，使得操作者在使用該系統時就像是在操作一臺實際的控制儀器一樣。（4）系統功能獨立，配置合理。鍵盤設置為不同的用戶提供了一定的選擇空間。（5）經運行驗證，系統具有響應速度快，操作簡便，工作可靠等特點。2展望（1）

48、本系統選用了集傳感器，轉換器于一體，能直接輸出標準模擬信號的傳感器，這無疑會增加系統的成本，今后可選用能達到要求的價格低廉的傳感器，而信號的放大和調理電路部分可自行設計。（2）由于室內各種環境因子相互影響，而本系統的控制輸出僅為簡單的百分比信號量，這顯然不能滿足高精度的控制要求，應引入模糊算法，專家系統等技術以進一步提高系統的智能決策水平。（3）系統可以開發成多機監控模式，這就能同時監測多個環境室內的空氣品質，通過串行通信傳到上位機進行綜合處理。（4）可通過網絡與其他家電相聯系，將把家庭中原來孤立、各不相關的設備統一起來。（5）本設計可改為多路氣體檢測，未來可以實現更多的檢測功能。（6）本設計

49、的主要強調智能化和人性化，例如可以適用于特殊人群病人，他們可以把舒適的環境的指標通過相應的按鍵來控制，按下按鍵后，通過本系統控制相應的設備調節來達到是以病人的環境。（7）可以用來開發新型空調，現代空調都是針對空氣溫濕進行調節，可以將本設計加入空調內部，使其既能控制溫濕度。 參考文獻1 余永權單片機原理及應用M北京：電子工業出版社，1998.12 2 余錫存、曹國華單片機原理及接口技術M第二版西安：西安電子科技大學出版社，2007.12 3 諸邦田電子電路實用抗干擾技術M北京：人民郵電出版社，1994.54 曲喜新電子元件材料手冊M北京：電子工業出版社，1989.45 汪吉鵬、馬云峰微機原理與接

50、口技術M北京：高等教育出版社，2001.76 田崴電工技術（電工學1）M北京：高等教育出版社，2010.127 孫立功電子技術（電工學2）M北京：高等教育出版社，2010.128 馬玉春串行通信協議的研究及應用J計算機應用研究20049 胡漢才單片機原理及其接口技術M清華大學出版社，199610 樓然苗，李光飛51系列單片機設計實例M北京航空航天大學出版社，200311 趙亮，侯國銳單片機C語言編程與實例M人民郵電出版社，200312 張毅剛單片機原理及應用M北京：高等教育出版社，200313 何立民單片機與嵌入式系統應用M北京航空航天出版社，200314譚浩強C程序設計（第三版）M清華大學出

51、版社，200515清源科技Protel 99 SE電路原理圖與PCB設計及仿真M機械工業出版社，2007致謝為期兩個多月的畢業設計終于完成了，對我個人而言，凝聚了許多努力和汗水，也經受住了嚴峻的考驗。和普通的課程設計不同，由于畢業設計的綜合性，幾乎用到所學的全部知識，而且是我第一次接觸傳感器的使用，對我來說這是一個全新的任務。由于基礎過于薄弱，專業知識有限，浮躁的心理讓我一開始舉步維艱，滿腦子想的就是放棄。在心理最為脆弱的時候，宋老師耐心地開導我，給我鼓勵和信心，畢業設計才得以步入正軌。 萬事開頭難，從研究課題，搜集材料，到正式投入設計，我花費了很多時間和精力。對于這次全新的設計，老師給了我很

52、大的自由空間，可以充分發揮自己的創造思維。但是，對于很多新的嘗試，我還是有所拘束。可能是性格使然吧，每當遇到問題，設計處于混沌狀態時，煩躁焦慮接踵而來，讓我迷失了方向。又是宋老師在最繁忙的時候，給我做細致的分析指導，讓我茅塞頓開，使設計得以延續直至順利完成。所以，在這次畢業設計中，我最感謝的是宋老師，他給我們提供一流的設計場所，還提供了許多實用的設計資料，為我們的設計提供了保障。在我看來，宋老師不僅是一位態度嚴謹，學識淵博的優秀教師，也是一位心理調節師，他總是能在設計氛圍緊張的時候，給同學們帶來歡樂，緩解同學們的壓力。他那自信樂觀的生活態度，也值得我們學習。從宋老師那里，我不僅學到了許多專業知識和實踐經驗，而且懂得許多做人的道理和生活的真諦，這些都是一輩子受用的財富，讓我受益匪淺，終生難忘。最后，再次對宋老師表示真誠的謝意和崇高的敬意。同時也對同組同學的幫助表示衷心的感謝。附錄附錄一硬件電氣原理圖附錄二程序代碼#include <reg52.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit LED1=P27;/定義單片機P1口的第1位 （即P1.0）為指示端sbit DQ = P23; /