天津工业大学2015届毕业论文
第二章
2.1设计方案论证
系统设计方案论证以及总体框架设计
2.1.1单片机模块的选择及论证
方案一：选用AT89C51为主控芯片，其包括一个低电压、4K字节闪烁性能不低8位只读存储器，它具有可编程及可擦除的功能。在存储器中还能将三级程序快速锁定，32个I/O接口，可适用于串行通道模式，两个16位定时器和相同数量的计数器，128*8位内部RAM，功率消耗低的闲置和掉电特有模式，5个中断控制源，片内包含振荡器和发出脉冲的时钟电路。
方案二：选用AT89S52为主控芯片，其包括8k字节Flash和32位I/O口线，内部设有看门狗定时器，已达到实时监测功能，256字节RAM，三个16位定时器和相同数量的计数器，还有2个数据指针。AT89S52还能降低到0Hz状态下进行编程，可提供2种软件都能在该单片机执行节电模式操作。当CPU处于空闲操作状态时，它是不运行的，但支持RAM、定时器/计数器、中断还能持续运行。当单片机处在掉电模式时，RAM的内部数据进行存储，振荡器停止工作，单片机全部的功能均处于睡眠状态，一直等到下一个中断信号到来或者复位命令执行，单片机才开始在次工作。通过两种单片机的对比我们发现：AT89C51为更好的达到抵抗外界干扰的效果，我们要在内部设计一款防止信号干扰的软件，或外接其他电路，而AT89S52已在内部安装了看门狗计时器，实现抗干扰功能。AT89S52不仅能够用于ISP在线路功能还可用于并行编程，相比较来讲AT89C51只能用于并行编程。在计算速度方面，AT89C51D的运行频率只有24MHz，而AT89S52极限运行频率可达33MHz。AT89S52从输出编程电压的情况可以看出，仅仅为4-5V，而AT89C51不止要支持正常运行工作5V还需要Vpp供电12V。所以选用AT89S52单片机。
2.1.2温湿度监测模块选择与论证
方案一：采用独立元器件连接电路。把温度传感器LTC2996与湿度传感器TC623CEOA一起连接到单片机上，从单片机显示模块上读取参数数值后送入显示电路。采用这种方法组成的电路很麻烦，编程比较困难，并且许多元器件在焊接的过程中操作容易出现错误，调试起来更复杂一些，与此同时大大提高了连接电路的成本。
方案二：采用数字温度传感器DHT11连接电路。它是由数字采集技术和温度传感器技术组成，有较好的实用性和稳固性。它有效的温度范围是0～50℃，测量准确度是5%，湿度的范围是20%～90%，非常符合系统的需要。DHT11的信号传输距离至少20m，是用单总线数据传输，有利于各种MCU进行连接。它
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的电压范围仅有3.3～5.5VDC，分辨率为湿度1%RH，温度1℃，具有长期的稳定性，完全互换和超低能耗等功能。
综上所述，方案二不仅操作简单，成本低，而且大大降低了外界对系统的干扰，并且测量精度较高。数字传感器的本质上简化了系统的程序，并减少了利用空间。可从单片机上直接读取经过A/D转换器信号转变输出的数字信号。经过分析比较，故采用第二种方案。
2.1.3煤气监测选择与论证
方案一：催化燃烧式传感器是将空气中可燃气体经过传感器的催化燃烧作用检测它在空气中所占比例浓度是否达到爆炸燃点。它是通化学反应是金属表面电阻率发生改变从而构成惠斯登检测桥路。当空气中含有可燃性气体接触到检测元件上时，该气体快速无焰燃烧，并产生热量，随热量的增加金属表面的电阻值逐渐增大，从电桥上会产生一个电压信号，此电压信号强弱与检测到的可燃气体浓度成正比。它的优点是：稳定性好、反应时间短、灵敏度高、错误率低、可控性能强、使用时间约为3年[15]。
方案二：可燃气体传感器MQ-5选择的材料是电阻较大的SnO2，它是通过可燃气体贴在SnO2表面并且在这个表面上发生化学反应从而使电阻跟随其变化。SnO2传感器之所以能够被很多科学研究人员所重视原因在于它在低温的环境下能够运行、性能相对比较稳定、检测范围比较广泛等特点。
经过两种方案对比，半导体式传感器操作简单，功能强大，并且经济实惠更适用于家用。综上所述，本设计采用半导体式传感器MQ-5。
2.1.4甲醛气体监测模块选择与论证
甲醛类传感器种类繁多，功能类似，其中电化学传感器最具有代表性。由于光化学传感器价格昂贵，操作复杂不能达到实时监测的效果，因此不能被选用。生物化学传感器相对来讲针对性比较强，但是酶的活性容易受到外界因素的影响，不适用于家庭检测。而对于电化学传感器相对于其他种类传感器而言操作方便，价格经济实惠，运行情况相对稳定，在有效范围内能够正常工作，检测的效果比较准确，大体上能实现对室内环境的实时监测。所以采用电化学传感器CH20/C-10。
2.2总体硬件电路框架
该系统的设计是用AT89S52单片机做电路中的主要结构，整体结构包括A/D模块的信号转换，作用于温湿度传感器的信号处理模块，温湿度的自动报警功能，数码管显示及单片机控制等部分。通过传感器来检测室内的可燃气体浓度、温湿度的数值，把检测的数据与设定好的数值相比较，若大于预设值则报警模块启动，若小于则不启动。通过风扇的启动或停止来控制可燃气体的浓度，开关的关断，
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实现对温湿度、可燃气体的浓度等数据的处理功能，并且和声光报警系统相连接，在数码管上显示检测数据，使得人们能够及时处理。流程图如下图2-1所示：
数码管显示接口电路单片机报警电路晶闸管控制电路煤气传感器A/D转换器温湿度传感器甲醛传感器图2-1
系统整体框架图
换气扇阀门2.3本章小结
通过不同型号的单片机、甲醛气体传感器、温湿度传感器、煤气传感器的对比，选择出更适合的元器件，达到操作简单，使用方便，并且价格低廉更适用于家庭的目的。此设计是针对家庭住宅、公寓等室内环境设计的系统，通过各个模块实现实施监督的功能。经过传感器检测环境变化采集信号，该信号经过处理并与已经设定好的数值进行比较，若大于预定值那么系统中的报警模块工作，否则不工作。
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第三章
3.1温湿度检测模块设计
硬件系统设计与连接
DHT11是将数字采集与温湿度传感器集成一体、并能够准确的将信号传输给单片机综合型传感器，此产品的开发为人们家庭环境检测提供了重要的保障，它包含耐用、工作性能稳定、供电电压低等特点。传感器内部有两个元件，连接AT89S52单片机[13],如图3-1所示。数据都是经过校验箱处理，然后输出准确的信号传给单片机。校验箱输出的数据都是以程序方式存储在存储器里，传感器在检测温湿度时调用校验箱中存储器的程序，并将采集信号进行处理。单线制串行接口，让电路连接更加方便。超强的稳定性、使用的持久性，信号传输距离上有着质的飞跃，此产品适用于各种环境，在类似的产品中体现出其独特的功能，它是采用单排引脚封装技术[14]，如图3-2所示。
将数字传感器DHT11的引脚不同功能也不相同，把2号引脚和单片机P1口的引脚连接起来，使得检测到的温度数据直接快速的进行传输。
VCCDHT111234R35KP11单片机GND图3-1DHT11接口电路
图3-2温湿度芯片DHT11
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表3-1温湿度传感器DHT11技术参数
参数名称供电电压测量范围
技术条件3.3-5.5VDC
湿度20-90%RH，温度为1-50℃
分辨率长期稳定
湿度1%RH，温度为1℃<±1%RH/年
互换性
可完全互换
参数名称输出测量精度
技术条件单总线数字信号湿度±5%RH，温度±2℃
3.2甲醛监测模块设计3.2.1甲醛传感器
甲醛传感器内部包含小型探头和CH20传感器。当室内空气中含有的甲醛气体与传感器接触后，在其内部会产生电流信号，该信号与空气中含有的甲醛成份形成正比，经过电流电压转换器的转换，把电流信号转变成电压信号，然后把电压信号传输到AT89S52单片机，通过数据显示器读取此时的甲醛浓度值，如果大于预先设定值时报警，否则不报警。具体参数如表3-2所示[16]。
表3-2
参数名称测量范围最大负载工作寿命
技术条件0—10ppm50ppm空气中2年1200±300A/ppm
输出信号分辨率基准线
800±200nA/PPM0.05ppm典型信号漂移—2ppmto0ppm
推荐加载电阻
10Ohm
甲醛传感器CH20/S-10技术参数
参数名称温度范围响应时间（T90）湿度范围
技术条件—20℃to45℃<50sec15%to90%
3.2.2A/D转换器
ADC0832为8位分辨率在其内部设有模/数转换芯片，另外还有两个通道可调换的特性,分辨等级很高。工作时每次模/数转换间隔只用32μS，大大提高了运行效率而且可靠性高。通过使能端控制DI接口，对信号的进行处理，从而达到所需的通道。该转换器具有运行效率高、可靠性强等特点，所以我们采用ADC0832为模数转换器件[17]。1.ADC0832的特点:
(1)有8位的分辨率；
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