基于單片機(jī)空氣質(zhì)量檢測儀畢業(yè)設(shè)計(jì)論文下載 含源碼 原理圖等

圖4-1 硬件實(shí)物圖

基于單片機(jī)空氣質(zhì)量檢測儀設(shè)計(jì)

摘  要

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對環(huán)境問題及健康問題日益重視，室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）狀況受到越來越多的關(guān)注。人的一生中有三分之二的時(shí)間是在居室內(nèi)度過的。本文研究的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀是以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測監(jiān)控為背景，是以STC工公司的一款8位超低功耗單片機(jī)STC90C51為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度，濕度，VOC氣體的實(shí)時(shí)采集處理、顯示、報(bào)警等功能。儀器采用鋰電池供電，具有良好的便攜性和通用性，并且使用LCD1602點(diǎn)陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機(jī)對話界面。同時(shí)設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在參數(shù)超標(biāo)時(shí)及時(shí)的報(bào)警。室內(nèi)智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應(yīng)用于家庭和社區(qū)的醫(yī)療健康保健，能夠?qū)崟r(shí)知道室內(nèi)空氣的質(zhì)量。

目  錄

一、課題研究的目的及意義

空氣質(zhì)量的好壞反映了空氣污染程度，它是依據(jù)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(zhì)量的最主要因素之一�？諝赓|(zhì)量檢測種類包括裝修污染、辦公室內(nèi)空氣檢測、作業(yè)場所有害物質(zhì)檢測、食堂油煙檢測、鍋爐大氣及工業(yè)窯爐檢測及工廠排放工業(yè)廢氣檢測。

當(dāng)今，人類正面臨“煤煙污染”、“光化學(xué)煙霧污染”之后，又出現(xiàn)了“室內(nèi)空氣污染”為主的第三次環(huán)境污染。美國專家檢測發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)空氣中存在500多種揮發(fā)性有機(jī)物，其中致癌物質(zhì)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、三氯乙烯等。大量觸目驚心的事實(shí)證實(shí)，室內(nèi)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(guān)注的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球近一半的人處于室內(nèi)空氣污染中，室內(nèi)環(huán)境污染已經(jīng)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(shè)計(jì)基于量化檢測的“空氣質(zhì)量檢測儀”系統(tǒng)，此系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度、濕度、有害氣體的預(yù)警監(jiān)測，有利于進(jìn)行全方位的評價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量，為人類營造一個(gè)健康的室內(nèi)生存空間�？諝赓|(zhì)量檢測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應(yīng)用于家庭和社區(qū)的醫(yī)療健康保健，能夠?qū)崟r(shí)知道室內(nèi)空氣的質(zhì)量。

二、國內(nèi)外的研究狀況

氣體傳感器測定甲醛成為近年來甲醛檢測研究的新熱點(diǎn)。早在1983年，壓電類甲醛傳感器就已問世。這種傳感器可以不需要對樣品進(jìn)行任何處理就可以測定，但易受水分子的影響而使晶體震動頻率發(fā)生漂移，故基本無實(shí)用性。為適應(yīng)室內(nèi)空氣甲醛現(xiàn)場快速檢測的要求，目前已開發(fā)出不少甲醛快速測定儀，這些儀器可直接在現(xiàn)場測定甲醛濃度，操作方便，適用于室內(nèi)和公共場所空氣中甲醛濃度的現(xiàn)場測定，也適用于環(huán)境測試艙法測定木質(zhì)板材中的甲醛釋放量。但這些儀器的工作原理、響應(yīng)性能、適應(yīng)范圍等都不同。

在測試甲醛、苯等害氣體方面，國外比較出名的有:美國ESC公司生產(chǎn)的Z一300甲醛檢測儀、英國PPM公司生產(chǎn)的PPM-400甲醛檢測儀;國內(nèi)的有:江蘇安普電子工程有限公司生產(chǎn)的400型甲醛分析儀、北京賓達(dá)綠創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的甲醛測定儀抑一308等。

這些儀器可實(shí)現(xiàn)對有害氣體的檢測功能，適用于專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)研究機(jī)構(gòu)。準(zhǔn)確測定甲醛、苯、氨等有害氣體的設(shè)備昂貴(如英國PPM公司生產(chǎn)的PPM400甲醛儀約兩萬多元)，測定時(shí)間較長，每隔一段時(shí)間就需進(jìn)行重新標(biāo)定，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，很難連續(xù)測定；目前國內(nèi)外產(chǎn)品的設(shè)計(jì)差異主要集中在監(jiān)測傳感器和控制單片機(jī)芯片的選用，操作方面國外的產(chǎn)品操作界面方便，功能加完備。

以單片機(jī)為核心，選擇合適的傳感器，實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量的檢測。

查閱相關(guān)資料，應(yīng)用電腦軟件進(jìn)行仿真、調(diào)試，制作硬件設(shè)備，在實(shí)際環(huán)境中測試并進(jìn)行修改、調(diào)試，直至達(dá)到課題要求。

本設(shè)計(jì)集VOC氣體及溫濕度監(jiān)測，顯示與報(bào)警于一體，利用MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集保證了前臺數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確，有利于進(jìn)行全方位的評價(jià)。儀器采用鋰電池供電，具有良好的便攜性和通用性，并且使用LCD點(diǎn)陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機(jī)對話界面。

圖1-1 系統(tǒng)總框圖

基于STC90C51的室內(nèi)便攜式智能空氣質(zhì)量監(jiān)測儀是以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測監(jiān)控為背景，能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度，濕度，VOC氣體的實(shí)時(shí)采集處理、顯示、報(bào)警等功能。儀器采用鋰電池供電，具有良好的便攜性和通用性，并且使用LCD點(diǎn)陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機(jī)對話界面。同時(shí)設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在參數(shù)超標(biāo)時(shí)及時(shí)的報(bào)警。室內(nèi)智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應(yīng)用于家庭和社區(qū)的醫(yī)療健康保健，能夠?qū)崟r(shí)知道室內(nèi)空氣的質(zhì)量。

本文研究的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀是以STC工公司的一款8位超低功耗單片機(jī)STC90C51為控制核心。室內(nèi)空氣中有害氣體通過傳感器輸出一個(gè)與氣體濃度相對應(yīng)的電壓信號,該信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路按一定得采樣頻率將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以便進(jìn)行顯示處理，溫濕傳感器直接與單片機(jī)相連。單片機(jī)對采樣值進(jìn)行數(shù)字處理后驅(qū)動液晶顯示器分別顯示出被測室內(nèi)空氣中的VOC氣體濃度值及溫濕度。若被測室內(nèi)空氣中VOC氣體的濃度有超過國家標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)定的危險(xiǎn)值或溫濕度超出設(shè)定范圍時(shí)報(bào)警電路對應(yīng)的發(fā)出聲光報(bào)警信號。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用，從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動化程度大大提高。根據(jù)上述幾方面及本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮:

一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于一般室內(nèi)電子電器產(chǎn)品比較多，這對單片機(jī)的干擾較大，所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機(jī)機(jī)型。

二是要有較高的性價(jià)比。由于高度的通用性和出色的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用宏晶公司產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)的STC90C51作為控制器。片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)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(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)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(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

10、6個(gè)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(tǒng)

14、看門狗(wDT)及雙數(shù)據(jù)指針

15、掉電標(biāo)識和快速編程特性

16、靈活的在線系統(tǒng)編程

STC90C51芯片管腳如圖2-1。

   

圖2-1 STC90C51引腳布置

時(shí)鐘電路由一個(gè)晶體振蕩器12MHZ和兩個(gè)30pF的瓷片電容組成。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號控制下嚴(yán)格地工作。其電路如圖2-2所示：

圖2-2 時(shí)鐘電路模塊

復(fù)位電路是使單片機(jī)的CPU或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這狀態(tài)開始工作，除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位電路以重新啟動。本設(shè)計(jì)采用的是按鍵復(fù)位電路。其電路如圖2-3所示：

圖2-3 復(fù)位電路模塊

1．氣體傳感器基礎(chǔ)知識

按照氣敏特性來分，氣體傳感器主要分為：半導(dǎo)體型、電化學(xué)型、固體電解質(zhì)型、接觸燃燒型、光化學(xué)型等氣體傳感器，又以前兩種最為普遍。

    (1)半導(dǎo)體型氣體傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

半導(dǎo)體氣體傳感器具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。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(shù)分散、穩(wěn)定性不理想、功率高等方面。

(2)半導(dǎo)體傳感器需要加熱的原因

半導(dǎo)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(jìn)行還原反應(yīng)以引起傳感器電導(dǎo)率的變化。為了消除氣體分子達(dá)到初始狀態(tài)就必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。傳感器內(nèi)的加熱器可以加速氧化過程，這也是為什么有些低端傳感器總是不穩(wěn)定，其原因就是沒有加熱或加熱電壓過低導(dǎo)致溫度太低反應(yīng)不充分。

(3)電化學(xué)氣體傳感器的工作原理

電化學(xué)氣體傳感器是通過監(jiān)測電流來監(jiān)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(jiān)測許多有毒氣體和氧氣，后者還能監(jiān)測血液中的氧濃度。電化學(xué)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)體傳感器和電化學(xué)傳感器的區(qū)別

半導(dǎo)體傳感器因其簡單低價(jià)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是又因?yàn)樗�的選擇性差和穩(wěn)定性不理想目前還只是在民用級別使用。而電化學(xué)傳感器因其良好的選擇性和高靈敏度被廣泛應(yīng)用在幾乎所有工業(yè)場合。

(5)固態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器

顧名思義，固態(tài)電解質(zhì)就是以固體離子導(dǎo)電為電解質(zhì)的化學(xué)電池。它介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間。選擇性，靈敏度高于半導(dǎo)體而壽命又長于電化學(xué)，所以也得到了很多的應(yīng)用，不足之處就是響應(yīng)時(shí)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?xì)怏w。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(tài)下，可燃?xì)怏w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(fā)生變化。后者因?yàn)榇呋瘎┑年P(guān)系具有廣普特性應(yīng)用更廣。

(7)光學(xué)式氣體傳感器

光學(xué)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，通過測量紅外吸收波長來監(jiān)測氣體。目前因?yàn)樗�的結(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價(jià)頗高。基于本文的實(shí)時(shí)要求和性價(jià)比等方面的原因，本系統(tǒng)選用電化學(xué)傳感器中的定電位電解式氣體傳感器。

本設(shè)計(jì)針對VOC氣體選用能夠偵測0.1ppm以上的氣體的空氣質(zhì)量VOC氣體濃度傳感器MS1100用于檢測空氣中的甲醛、苯、二甲苯等檢測空氣中的甲醛、苯、二甲苯等多種有機(jī)揮發(fā)成分，具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性，體積小巧。實(shí)物如圖2-4，使用時(shí)的連接電路如圖2-5。

      

   圖2-4 VOC傳感器實(shí)物圖      圖2-5 VOC傳感器接線圖

溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號的設(shè)備或裝置。溫濕度傳感器一般是測量溫度量和相對濕度量。

鑒于測量溫濕度的范圍不大，精度要求不高故采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11。實(shí)物如圖2-6。

圖2-6 DHT11實(shí)物圖

具有的特性：相對濕度和溫度測量、全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出、卓越的長期穩(wěn)定性、無需額外部件、超長的信號傳輸距離、超低能耗、4引腳安裝、完全互換。

DHT11產(chǎn)品概述

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。

應(yīng)用領(lǐng)域:

暖通空調(diào)、測試及檢測設(shè)備、汽車、數(shù)據(jù)記錄器、消費(fèi)品、自動控制、氣象站、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療、除濕器。

傳感器信息見表2-1。

表2-1 DHT11傳感器信息

表2-2 傳感器性能說明

2、 接口說明  

建議連接線長度短于20米時(shí)用5K上拉電阻，大于20米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻接線方式如圖2-7。

圖2-7 典型接線電路

3、電源引腳

DHT11的供電電壓為              3－5.5V。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF 的電容，用以去耦濾波。

4、串行接口  (單線雙向)

DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零.操作流程如下：

一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。

數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和

數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。

用戶MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進(jìn)行溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。

（1）.通訊過程如圖2-8所示

圖2-8 通訊過程

操作時(shí)序如圖2-9，總線空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒，保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機(jī)的開始信號后，等待主機(jī)開始信號結(jié)束，然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號。主機(jī)發(fā)送開始信號結(jié)束后，延時(shí)等待20-40us后，讀取DHT11的響應(yīng)信號，主機(jī)發(fā)送開始信號后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。

圖2-9 操作時(shí)序

總線為低電平，說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后，再把總線拉高80us，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時(shí)隙開始，高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是0還是1。格式見下面圖示，如果讀取響應(yīng)信號為高電平，則DHT11沒有響應(yīng)，請檢查線路是否連接正常。當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50us，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。            

數(shù)字0信號表示方法如圖2-10所示

圖2-10 數(shù)字0信號表示方法

數(shù)字1信號表示方法如圖2-11所示

圖2-11 數(shù)字1信號表示方法

5、測量分辨率

測量分辨率分別為 8bit（溫度）、8bit（濕度）。

6、電氣特性如表2-3

表2-3 電氣特性

注:采樣周期間隔不得低于1秒鐘。

7、應(yīng)用信息

7.1工作與貯存條件

超出建議的工作范圍可能導(dǎo)致高達(dá)3%RH的臨時(shí)性漂移信號。返回正常工作條后，傳感器會緩慢地向校準(zhǔn)狀態(tài)恢復(fù)。要加速恢復(fù)進(jìn)程/可參閱7.3小節(jié)的“恢復(fù)處理”。在非正常工作條件下長時(shí)間使用會加速產(chǎn)品的老化過程。

7.2暴露在化學(xué)物質(zhì)中

電阻式濕度傳感器的感應(yīng)層會受到化學(xué)蒸汽的干擾，化學(xué)物質(zhì)在感應(yīng)層中的擴(kuò)散可能導(dǎo)致測量值漂移和靈敏度下降。在一個(gè)純凈的環(huán)境中，污染物質(zhì)會緩慢地釋放出去。下文所述的恢復(fù)處理將加速實(shí)現(xiàn)這一過程。高濃度的化學(xué)污染會導(dǎo)致傳感器感應(yīng)層的徹底損壞。

7.3恢復(fù)處理

置于極限工作條件下或化學(xué)蒸汽中的傳感器，通過如下處理程序，可使其恢復(fù)到校準(zhǔn)時(shí)的狀態(tài)。在50-60℃和< 10%RH的濕度條件下保持2小時(shí)（烘干）；隨后在20-30℃和>70%RH的濕度條件下保持5小時(shí)以上。

7.4溫度影響

氣體的相對濕度，在很大程度上依賴于溫度。因此在測量濕度時(shí)，應(yīng)盡可能保證濕度傳感器在同一溫度下工作。如果與釋放熱量的電子元件共用一個(gè)印刷線路板，在安裝時(shí)應(yīng)盡可能將DHT11遠(yuǎn)離電子元件，并安裝在熱源下方，同時(shí)保持外殼的良好通風(fēng)。為降低熱傳導(dǎo)，DHT11與印刷電路板其它部分的銅鍍層應(yīng)盡可能最小，并在兩者之間留出一道縫隙。

7.5光線

長時(shí)間暴露在太陽光下或強(qiáng)烈的紫外線輻射中，會使性能降低。

7.6配線注意事項(xiàng)

DATA信號線材質(zhì)量會影響通訊距離和通訊質(zhì)量,推薦使用高質(zhì)量屏蔽線。

8、封裝信息如圖2-12，

圖2-12 DHT11封裝圖

表2-4 引腳說明

本設(shè)計(jì)采用的為DHT11模塊，原理圖為圖2-13：

圖2-13 DHT11模塊接線圖

氣體傳感器出來的信號是模擬信號，而微處理器STC90C51只能處理數(shù)字信號，故需要對模擬信號信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為處理器能識別的數(shù)字信號，由于測試電路出來的模擬電壓變化范圍在0~5V，故選擇性價(jià)比比較合適的ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其管腳定義如圖2-14所示。

圖2-14 ADC0809管腳示意圖

ADC0809各腳功能如表2-5：

表2-5 ADC0809各腳功能

ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)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(shí)序接口為51系列單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，操作方便，如同對存儲器或I/O操作一樣，A/D轉(zhuǎn)換精度為8比特，滿足本課題要求。輸入的模擬電壓為0~5V，一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μS。

ADC0809與單片機(jī)及VOC傳感器的接線方式如圖2-15：

圖2-15 ADC0809接線原理圖

為了使本系統(tǒng)對室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測更為直觀，采用了如圖2-16由2個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成的聲光報(bào)警電路。其中VOC氣體含量超標(biāo)時(shí)雙燈閃爍蜂鳴器報(bào)警，溫度超標(biāo)時(shí)D1燈亮蜂鳴器報(bào)警，濕度超標(biāo)時(shí)D2燈亮蜂鳴器報(bào)警。

圖2-16 聲光報(bào)警電路

本課題所要顯示的數(shù)據(jù)一共有6個(gè)，分別是有毒氣體的濃度和室內(nèi)的溫度、濕度的范圍和測量值，故選用2行16個(gè)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(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)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(shù)字、符號等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*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。一般1602字符型液晶顯示器實(shí)物如圖2-17：

圖2-17 1602字符型液晶顯示器實(shí)物圖

圖2-18 1602LCD尺寸圖

1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：

顯示容量：16x2個(gè)字符芯片

工作電壓：4.5V—5.5V

工作電流：2.0Ma（5V）

模塊兒最佳工作電壓：5.0V

字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm

引腳功能說明：

1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（有背光）接口，各引腳說明如表2-6所示：

表2-6  1602引腳說明

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(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度。

第4腳：PS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。

第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，夜景模塊執(zhí)行命令。

第7~14腳：D0~D7為八位雙向數(shù)據(jù)線。

第15腳：背光源正極。

第16腳：背光源負(fù)極。

表2-7 控制命令表

圖2-19 讀操作時(shí)序

圖2-20 寫操作時(shí)序

圖2-21 1602LCD內(nèi)部顯示地址

LCD1602的具體接線路圖如圖2-22所示。

圖2-22 LCD1602接線電路圖

考慮到整個(gè)測量系統(tǒng)中不同環(huán)境對氣體濃度及溫濕度范圍要求不同，故設(shè)置了按鍵功能，用于實(shí)現(xiàn)測量范圍的調(diào)整，參考單片機(jī)引腳使用情況，共設(shè)置五個(gè)獨(dú)立按鍵如圖2-23，實(shí)現(xiàn)功能為設(shè)定鍵可進(jìn)行設(shè)定的進(jìn)入與退出，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)三種范圍的切換，另設(shè)左右移位鍵、上下調(diào)值鍵各兩個(gè)，與此同時(shí)考慮到用戶可能需要在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)測量一種量，故設(shè)計(jì)了上調(diào)鍵的第二功能：當(dāng)只有上調(diào)鍵按下時(shí)完成顯示的自動與手動的切換以實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)對話。

圖2-23 按鍵電路

本設(shè)計(jì)采用集成穩(wěn)壓器7805，C29、C30分別為輸入端和輸出端濾波電容，D1為續(xù)流二極管。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱板。電源電路如圖2-24所示：

圖2-24 電源電路

本章首先介紹了便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，該儀器以8位單片機(jī)STC90C51作為控制核心，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺，完成了有毒氣體濃度信號的采集轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路等的設(shè)計(jì)。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)有毒氣體濃度信號和溫濕度信號采集與顯示及超標(biāo)聲光報(bào)警等功能。本章重點(diǎn)介紹了信號采集模擬電路和以主控制器為中心的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)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題，最后討論了系統(tǒng)的外圍接口電路模塊，包括液晶顯示,聲光報(bào)警等，實(shí)現(xiàn)了各外圍接口電路模塊與STC90C51的硬件接口設(shè)計(jì)。

這一章比較具體的說明了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過模塊化的設(shè)計(jì)思想，把一個(gè)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)按照功能劃分成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的電路模型，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在集成到一起。這種方法對于設(shè)計(jì)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)很有效。大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。（說明：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的電路原理圖附在論文的附錄里面。）

在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實(shí)現(xiàn)將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。對同一硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能也就不同，其設(shè)計(jì)軟件基本要求：

1.可靠性�？煽啃允擒浖�設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.易理解性、易維護(hù)性。編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。

3.實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時(shí)做出處理結(jié)果。

4.準(zhǔn)確性。保證系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的精度。

目前存在有4種編程語言支持單片機(jī)，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(yīng)用的較多，匯編語言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，這里選用了功能強(qiáng)、效率高的C語言。C語言主要有以下特點(diǎn)：用C語言編制的程序效率高，占用存儲空間小，運(yùn)行速度快。C語言能寫出最優(yōu)化程序，且能反映出計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)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(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且編寫的模塊程序易于移植�；�于C語言和匯編語言的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用C語言編寫方法。

室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀系統(tǒng)軟件主要由溫濕傳感器采集模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)接口模塊、聲光報(bào)警模塊、核心控制器模塊構(gòu)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

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的基本要求,采取了如下的措施:

1.程序模塊化。軟件設(shè)計(jì)中包含有：主程序模塊、顯示模塊、DHT11傳感器檢測函數(shù)、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊、聲光報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、按鍵函數(shù)。

2.軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程。

3.中斷響應(yīng)外部事件，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(tǒng)的可靠性。

以下就對一些主要模塊進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

主程序運(yùn)行流程圖如圖3-1所示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實(shí)現(xiàn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、送液晶進(jìn)行顯示及報(bào)警功能。程序開始時(shí)，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的各寄存器、RAM、定時(shí)器裝載初值、中斷設(shè)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(zhuǎn)換結(jié)束，從而完成當(dāng)前監(jiān)測參數(shù)的正確顯示。

圖3-1 主程序流程圖

AD完成轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，AD應(yīng)用中我們可以有兩種方法來：

1.中斷查詢法，AD完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后會向中斷輸出端輸出一個(gè)中斷請求信號，告訴CPU轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，CPU可以讀取數(shù)據(jù)。

2.延時(shí)等待法，設(shè)定一定的時(shí)間讓CPU處于等待狀態(tài)，此時(shí)間足夠AD完成轉(zhuǎn)換，過了等待時(shí)間CPU再去讀取數(shù)據(jù)。

綜合考慮各方面的因素，本研究采用第一種方法：延時(shí)等待法。所用的芯片為AD0809，根據(jù)所需的要求。

本設(shè)計(jì)所用的顯示器件為1602液晶面板，該液晶能顯示32個(gè)字符，滿足顯示要求。1602液晶與CPU是并口通信，由單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7引腳來控制1602的讀寫數(shù)據(jù)命令功能，單片機(jī)P0口傳輸數(shù)據(jù)到1602進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)上電LCD初始化，液晶顯示首先需要要按照時(shí)序給定顯示地址，然后傳送數(shù)據(jù)。上電后液晶顯示開始循環(huán)顯示三個(gè)被測量的范圍和測量結(jié)果。

聲音報(bào)警采用的是蜂鳴器，光報(bào)警是通過6個(gè)發(fā)光二極管來顯示，3個(gè)綠色和三個(gè)紅色的，當(dāng)毒氣含量沒超標(biāo)時(shí)顯示綠色，超標(biāo)時(shí)顯示紅色并啟動蜂鳴器，報(bào)警子程序執(zhí)行之前，設(shè)定的報(bào)警閾值存放在兩個(gè)變量中，傳感器輸入AD轉(zhuǎn)換值后，調(diào)用比較程序，小于閾值則執(zhí)行顯示程序，若大于閾值進(jìn)行聲光報(bào)警。。

本設(shè)計(jì)設(shè)定按鍵功能為調(diào)整測量數(shù)據(jù)的安全范圍并可進(jìn)行手動和自動的切換考慮到實(shí)現(xiàn)按鍵功能所用按鍵數(shù)目不多及單片機(jī)引腳數(shù)量決定選用五個(gè)獨(dú)立式按鍵，其中設(shè)定鍵用于進(jìn)入和退出上下限的調(diào)整，上下左右四個(gè)鍵在設(shè)定鍵被按下的情況下可以對數(shù)值進(jìn)行調(diào)整；同時(shí)，當(dāng)設(shè)定鍵未按下且上調(diào)鍵被按下時(shí)進(jìn)入上調(diào)鍵的第二功能，實(shí)現(xiàn)用戶手動控制和自動控制的切換。已滿足用戶對環(huán)境條件檢測要求的不同，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交流。

在這一章里對室內(nèi)便攜式只能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)的思路，以單片機(jī)高級語言C51編程。在本章開始給出了主程序結(jié)構(gòu)流程圖，然后分別對各個(gè)子模塊的軟件流程進(jìn)行介紹。（說明：程序見附錄二）

(1)邏輯錯(cuò)誤：硬件的邏輯錯(cuò)誤是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工過程中的工藝性錯(cuò)誤所造成的，主要包括：錯(cuò)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?yàn)槠骷�本身已損壞或性能不符合要求，或者是由于組裝錯(cuò)誤造成的元器件失效，如電解電容、二極管的極性錯(cuò)誤，集成塊安裝方向錯(cuò)誤等。

(3)可靠性差：系統(tǒng)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(tǒng)時(shí)好時(shí)壞；內(nèi)部和外部的干擾、器件負(fù)載過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定；另外，走線和布局的不合理等也是系統(tǒng)可靠性差的重要因素之一。

(4)電源故障：若系統(tǒng)中存在電源故障，則加電后將造成器件損壞。

拿到印刷電路板后，用萬用表直接檢查線路板各處是否有明顯短路、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(xì)檢查元件面各元件之間裸露部分有無相互接觸現(xiàn)象，焊接面的各焊點(diǎn)間、焊點(diǎn)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(jī)管腳上的各點(diǎn)電壓。若上述的一切都正常，則硬件調(diào)試的準(zhǔn)備工作完成。

硬件實(shí)物如圖4-1。

對系統(tǒng)軟件編寫完成之后，可以利用Keil C51仿真軟件進(jìn)行仿真運(yùn)行調(diào)試，其調(diào)試界面如圖4-2所示。

圖4-2 KeilC51軟件調(diào)試截面圖

在具體的調(diào)試過程中，采取以下方法進(jìn)行調(diào)試：在Keil C51編譯環(huán)境中編寫、編譯軟件模塊，進(jìn)行軟件仿真調(diào)試，對功能模塊的軟件仿真。通過Keil C51的調(diào)試窗口觀察各個(gè)寄存器、變量以及并行口輸出的結(jié)果，監(jiān)測軟件模塊運(yùn)行的狀態(tài)，在調(diào)試過程中不斷地調(diào)整修改系統(tǒng)的軟件程序，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。