基于单片机的空气质量远程检测系统项目设计方案

1 基于单片机的空气质量远程检测系统项目设计方案 于二氧化硫监测的背景和应用 随着现代社会工业的发展，空气污染致使空气质量的越来越差。空气是人类生产和生活活动中永远都离不开的重要部分，空气质量 状况对人们的日常生活和社会发展有着重要的作用，必然受到人们的高度重视。为了更进一步的解空气环境质量，达到保护、管理和改良环境的目的，就必须有计划地进行空气环境的调查研究和监测，以便得到明确的认识，同时有效地采取措施，控制和减少空气污染。空气污染物中的二氧化硫对人体健康的影响很大。二氧化硫通过呼吸进入气管，对局部组 织产生刺激和腐蚀作用，影响呼吸道，诱发支气管等疾病。特别是当它与烟尘等气溶胶共存时，更加重对呼吸道粘膜的损害。二氧化硫对人们的日常生活、工作、娱乐等方面也有不同程度的影响。高浓度二氧化硫中毒主要引起不同程度的呼吸道及眼的刺激症状。轻微时会发生流泪、畏光、咳嗽严重者则可在数小时内发生肺水肿而出现呼吸困难。工业生产中的二氧化硫急性中毒，一般仅见于事故发生时。吸入极高浓度时可立即引起发射性声门痉挛而致窒息死亡。二氧化硫排放导致了严重的酸雨、光化学烟雾等全球环境问题。 当空气中的二氧化硫 (还有氮氧化物 )转换为酸性降 水，形 成酸雨。它对地理和生态环境有重大影响，这种影响是直接的和潜在性的。会造成土壤的酸化、腐蚀各种建筑物材料。目前中国已有 城市，二氧化硫的过量排放己成为中国酸雨污染的最主要的原因。天然降水的本底 般将 成酸雨的主要物质是二氧化硫和氮氧化物，而我国酸雨以硫酸为主，当二氧化硫经液相氧化或者气相氧化反应生成，被降水洗脱降到地面后形成酸雨。酸雨对水生生态系统、农业生态系统、森林生态系统、建筑物和材料以及人体健康等方面均有危害，并己造成了较大的损失。 80年 代，中国的酸雨主要发生在西南地区，面积约为 170万平方公里，到了 90年代，酸雨污染扩展到华中、华南、华东、华北和东北等地区，面积已占全国面积的 40%。二氧化硫及其所形成的酸雨已成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素之一。因此，对周围环境中二氧化硫进行监测是断定二氧化硫污染程度、进行二氧化硫污染治理的必要工作。 空气中二氧化硫的浓度经常以每立方米空气中的二氧化硫含量来表示，可以用质量体积比 ( 33 ug/m、mg/m )或者气态时的体积比 ( 96 l/ 1 0=p p b l；l/ 1 0=p p m l )表示。 它们之间的换算公式为： 气体分子量气体摩 尔体摩11 3 p m 2 (所以对于二氧化硫， 3m p p m 1 。 由于环境条件复杂，随机变化明显，浓度范围较宽，二氧化硫的浓度值具有极强的时间性和空间性，受人为和空间环境影响特别大，为了实现监测数据的准确性、精密性和可比性，以及使监测数据更具权威性和法律性。加强空气环境监测的质量保证尤为重要。在国家环保部的指导下，环境监测质量保证工作逐步地走向规范，并陆续出台了一系列 各种环境监测标准方法与文件，以及管理规定和制度。如水和废水监测分析方法、环境空气监测质量保证手册。这在制度和方法上对空气环境的监测进行了统一，体现了环境监测的科学性和严肃性，同时对空气环境的质量保证也有了明确的规定。特别是近期环境监测质量保证管理规定、环境监测人员上岗证管理规定等制度的出台，在很大程度上，一方面规范了环境监测的科学方法，另一方面又对环境监测人员提出了更高的要求。逐步实现环境监测质量保证工作的系统。 氧化硫监测仪器的现状 目前对二氧化硫的监测手段有很多种，常用的方法有 分光光度法，碘量法，荧光光度法，紫外荧光法，离子检谱法，电化学 感器法。生物（苔藓，蔷薇）法等用于 量的新技术也在研发过程中。 这几种方法的优缺点如下： 分光度法主要基本原理是利用空气中的 四氯汞钾溶液吸收后，与甲醛和盐酸副玫瑰苯胺 (应生成紫红色化合物，其颜色深浅与 量成正比，用分光光度法测定其颜色成分。其优点是灵敏度高，选择性好，易于操作，设备简单等。缺点是使用毒性极大的四氯汞钾作吸收液 ，不仅对操作人员健康产生影响，而且分析后大量含汞废液往入会造成环境污染。 碘 量法的基本原理是利用氨基磺酸铵 固定污染源排气的度和 放速率测定的经典方法。其优点是具有测定浓度范围宽，所需设备简单，易操作等特点。 荧光光度法是根据奎宁与 应能够生成荧光物质，利用荧光光度计在 365激发和 450测定荧光强度即可计算出 浓度。优点是灵敏度高。缺点是易受氧气的干扰。 紫外荧光法的基本原理为由光源发射出的紫外光，通过光源滤光片进入反应室，样气中的 子吸收紫外光生成激发态 它回到基态时放射出荧光紫外 线 ,其放射荧光强度与 度成正比 ,通过第二个滤光片 ,用光电倍增管接受荧光紫外线并转化为电信号 ,经过放大器输出 ,即可知道 度。 离子监测法工作原理为待测空气被连续地抽入仪器， 经过选择性过滤器，除去干扰物后进入库仑池，库仑池中有三个电极铂丝阳极，铂网阴极和活性炭参比电极， 碱性碘化钾溶液，若将一恒流电源加于库仑池阴阳极之间，则电流将从阳极流入， 3 经阴极和参比电极流出。因参比电极通过负载电阻和阴极连接故阴极电位是参比电极电位和负载上电压降之和。缺点是不易便携，结构复杂。 电化 学气体传感器是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过监测电信号的大小得到相应气体的浓度。 二氧化硫传感器其优点是 :对二氧化硫气体有很高的灵敏度，具有良好的重复性，对二氧化硫气体有很好的选择性，体积小集成化高，易便携。缺点是易受干扰。可用于工业、民用对 如： 生物法主要是利用苔藓等一些对空气二氧化硫敏感的植物，利用其对不同的二氧化硫浓度的变色和变形等 特点，对大气的二氧化硫浓度进行大概的监测，其优点是绿色环保，缺点是精度较低，具体标准及实施方法尚在试验阶段。 氧化硫监测系统的总体设计方案 本设计的二氧化硫监测仪是采用 3感器，传感器与二氧化硫气体反应输出电流信号，经串联电阻转换成电压信号，在经过仪用放大器放大后，传给 换器，经过 模拟信号转换成数字信号，再由单片机将数字信号进行计算，输出浓度值有 1602液晶显示屏输出。并由 口经过串口线交给上位机（电脑），电路还有浓度报警装置，上位机也可以通过串口来设 定报警值。 二氧化硫监测系统的框图如图 示。 图 氧化硫监测系统框图 在进行设计和制作的过程中，以各模块为单位，来进行电路设计和程序的编写，将各个模块有机的连接在一起，在与上位机连接，形成一个监测系统。 8051 单片机 电源电路模块 串口通信模块 信号采集 换 传感器 液晶显示模块 报警电路模块 4 第二章 硬件部分设计方案 硬件设计概述 硬件电路的设计是本课题的一个重点，硬件电路的设计要考虑到传感器的特性，放大电路的放大倍数，共模干扰， 换的基准的稳定性，电源电路的稳定性，单片机端口的特性等问题。本次电路设计主要包括信号采 集电路的设计，点偏激系统的设计， 换器的电路的设计，串口电路的设计， 示器的电路设计，报警驱动电路的设计以及电源电路的设计。并考虑到其中的一些有关稳定性的问题。 气质量检测仪系统简介 基于 智能空气质量监测仪是以空气中有毒有害气体二氧化硫的监测监控为背景，能够实现对空气中二氧化硫气体的实时采集处理、显示、报警等功能。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用 阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。 本文研究的智能空气品质监测仪是以 位超低功耗单片机 气中有害气体通过传感器输出一个与气体浓度相对应的电压信号 ,该信号经过 A/D 转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理，温湿传感器直接与单片机相连。单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测空气中二氧化硫气体浓度值。若被测空气有害气体气体的浓度有超过国家标准或设定的危险值超出设定范围时报警电路对应的发出声光报警信号。 片机简介 随 着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。根据上述几方面及本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑 : 一是要有较强的抗干扰能力。由于一般室内电子电器产品比较多，这对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。 二是要有较高的性价比。 单片作为整个系统的中央处理器，承担着整个系统的数据处理和过程控制，以及通信等功能。 由 于高度的通用性和出色的稳定性，本系统采用宏晶公司产的低功耗，高性能 位单片机的 为控制器。片内含 4k 可系统编程的 读程序存储器，器件采用 司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 序存储器既可在线编程 (可用传统方法进 5 行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 (1) 口 一个 8 位漏极开路型 双向 I/O 端口，端口置 1（对端口写 1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动 8个 内部 收指令字节 ;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时， 低 8位 )/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。 (2) 位双向 I/0端口。输出时可驱动 4个 口置 1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对内部 收低 8位地址信息。 (3) 位双向 I/0端口。输出时可驱动 4个 口置 1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部 收到高 8位地址和控制信息。 在访问外部程序和 16 位外部数据存储器时， 位地址。而在访问 8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 (4) 口 是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/0端口。输出时可驱动 4个 口置 1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用 。 对内部 序存储器编程时，接到控制信息。除此之外 口的引脚功能如表 表 3 端口引脚兼用功能表 脚 兼用功能 行通讯输入（ 行通讯输出（ 部中断 0（ 部中断 1（ 时器 0输入 (时器 1输入 (部数据存储器写选通 部数据存储器写选通 单片机的最小系统 单片机的最小 系统是由电源、复位、晶振、 /组成，下面介绍一下每一个组成部分。地端。工作电压为 5V，另有 作电压则是 引脚功能一 6 样。 是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频。 在振荡器运行时，有两个机器周期（ 24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平， 51 芯片便循环复位。 经过上述介绍，结合一般 用的比较多的情况，单片机的外围电路如图 要性能参数 1、 与 2、 43、 1000次擦写周期 4、 5、 全境态工作模式： 0、 三级程序加密锁 7、 1288字节内部 、 32个可编程 I 9、 2个 16位定时器 计数器 10、 6个中断源 11、全双工串行 12、低功耗空闲和掉电模式 13、中断可从空闲模唤醒系统 14、看门狗 (双数据指针 15、掉电标 识和快速编程特性 16、灵活的在线系统编程 图 2脚布置 7 图 片机外围电路 时钟电路由一个晶体振荡器 12两个 30瓷片电容组成。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。其电路如图 2示： 图 2钟电路模块 路模块 复位电路是使单片机的 系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位电路以重新启动。本设计采用的是按键复位电路。其电路如图 2示： 8 图 2位电路模块 2. 3 传感器的选用 现在传感器的种类有很多种的 ， 大致的分为电阻传感器 、 电容传感器 、电感传感器以及半导体传感器等。 2. 体传感器 1气体传感器基础知识 按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：半导体型、电 化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。 (1)半导体型气体传感器的优缺点 半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。 (2)半导体传感器需要加热的原因 半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。为了消除气体分子达到初始 状态就必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。 (3)电化学气体传感器的工作原理 电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以监测许多有毒气体和氧气，后者还能监测血液中的氧浓度。电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。不足之处是有寿命的限制一般为两年。 (4)半导体传感器和电化学传感器的区别 半导体传感器因其简单低价已经 得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用。而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合。 (5)固态电解质气体传感器 顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化 9 学之间。选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。 (6)接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化 剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。 (7)光学式气体传感器 光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来监测气体。目前因为它的结构关系一般造价颇高。基于本文的实时要求和性价比等方面的原因，本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器。 本设计选用 3T 传感器 ，具有极高的灵敏度和稳定性，体积小巧 。实物如图 2用时的连接电路如图 2 图 2氧化硫 传感器实物图 图 2感器接线图 对几种二氧化硫监测方法的优缺点的比较，考虑到工作量和可操作性的问题。本次设计所采用的方法是二氧化硫电化学传感器的方法。 化学气体传感器检测原理 电化学气体传感器是一种新型的传感器技术，它是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过监测电信号的大小得到相应气体的浓度，常用于测量二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等气体浓度。 3T 传感器 在本课题中，目前用来测量二氧化硫的电化学传感器有很多种，其中最为著名的是美国的 们的原理基本相同，只是输出信号的大小有所不同，测量范围有所差异，所以我们选用英国 传感器是三电极的电化学传感器。 3基于伽伐尼电池基本原理，具有体积较小、重量轻、线性度好、性能稳定等特点。它由浸没在液体电解液中的三个电极构成，传感器的结构如图 。 10 图 感器结构示意图 3T 传感器是由三个电极构成，三个电极分别为： T 作电极 (参比电极 (对电极 ( 司的电化学毒气传感器 (包括 3T 传感器 )是微燃料元件，不必保养而可以保持长期的稳定性。传感器设计的重点是气体扩散通过障它限制了气体迸入工作电极。电极能对到达它表面的所有目标气体进行反应，并且仍然有储备的电化学活动。这 种高活动储备保证 品的长使用寿命和温度稳定性。在 设 计任何电化学气体传感器时，很重要的一点是，通过气体扩散通过障碍限制速率，而其它各阶段速率应该有显著的增加。所以，为保证传感器电化学反应的速度，必须使用具有高催化作用的电极材料。所有 品具有高度活跃电极，并且给传感器非常高的能量储备，这就保证了传感器的长期稳定性 。 F 感器的技术说明 3感器的相关技术参数如表 表 感器参数 正常监测范围 0大过载浓度 5000用寿命 空气中 2年 输出信号 度 度范围 。 50 C。 压力范围： 空气压力 10 响应时间 (70%小时以上。 气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将传感器远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。为降低热传导，传感器与印刷电路板其它部分的铜 镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。 长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。 推荐使用高质量屏蔽线。 8、封装信息 如图 2 图 2感器封装图 9、 传感器引脚说明 见表 2 表 2脚说明 称 注释 1 电 3 行数据，单总线 3 脚，请悬空 4 地，电源负极 14 本设计采用的为传感器模块，原理图为图 2 图 2感器模块接线图 数转换电路设计 气体传感器出来的信号是模拟信号，而微处理器 能处理数字信号，故需要对模拟信号信号进行转换，将其转换为处理器能识别的数字信号，由于测试电路出来的模拟电压变化范围在 05V，故选择性价比比较合适的 行模数转换。其管脚定义如图 2示。 图 2脚功能如 表 2 表 2脚功能 引脚 功能介绍 位数字量输出引脚 8 位模 拟量输入引脚 5V 工作电压 +） 参考电压正端 -） 参考电压负端 ，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平 15 出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 钟信号输入端（一般为 500 A、 B、 C 地址输入线 输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0 5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若 模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 时序接口为 51 系列单片机的标准总线接口，操作方便，如同对存储器或 I/O 操作一样， A/D 转换精度为 8 比特，满足本课题要求。输入的模拟电压为05V，一次 A/D 转换时间为 100S。 单片机及 感器的接线方式如图 2 图 2光报警电路设计 为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观，采用了如图 2 2 个发光二极管和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。其中 体含量超标时双灯闪 烁蜂鸣器报警，温度超标时 亮蜂鸣器报警，湿度超标时 亮蜂鸣器报警。 图 2光报警电路 16 晶显示模块设计 本课题所要显示的数据选用 2 行 16 个字符的 为显示模块，满足显示要求。液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 前常用16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的 1602 字 符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般 1602 字符型液晶显示器实物如图 2 图 2602字符型液晶显示器实物图 基本参数及引脚功能 1602为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图 2示： 图 26021602要技术参数： 显示容量： 16字符芯片 工作电压： 作电流： 5V） 模块儿最佳工作 电压： 符尺寸： H)脚功能说明： 1602用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（有背光）接口，各引脚说明如表 2示： 17 表 21602 引脚说明 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 源地 9 据 2 源正极 10 据 3 晶显示偏压 11 据 4 据 /命令选择 12 据 5 R/W 读 /写选择 13 据 6 E 使能信号 14 据 7 据 15 光源正极 8 据 16 光源负极 第 1 脚： 地电源。 第 2 脚： +5V 正电源。 第 3 脚： 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比 度。 第 4 脚： 寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚： R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 R/ 低电平 R/W 为高电 平时可 以读忙信号，当 高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚： E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，夜景模块执行命令。 第 714 脚： 7 为八位双向数据线。 第 15 脚：背光源正极。 第 16 脚：背光源负极。 指令说明及时序 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如表 2示： 表 2制命令表 序号 指令 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开 /关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址 18 9 读忙标志或地址 0 1 数器地址 10 写数到 0 要写的数据内容 11 从 数 1 1 读出的数据内容 1602 液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明： 1 为高电平、 0 为低电平） 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置。 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与 关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令 6：功能设置命令 电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5点阵字符，高电平时显示 5点阵字符。 指令 7：字符发生器 址设置。 指令 8： 址设置。 指令 9：读忙信号和光标地址 忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电 平表示不忙。 指令 10：写数据。 指令 11：读数据。 1602 址映射及标准字库表 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图 2 1602 的内部显示地址。 图 2602第二行第一个字符的地址是 40H，写入显示地址时要求最高位 定为高电平 1 所以实际写入的数据应该是 ： 01000000B（ 40H） +10000000B(80H)=11000000B( 19 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ 经存储了 160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码 。 一般初始化过程 延时 15指令 38H（不检测忙信号） 延时 5指令 38H（不检测忙信号） 延 时 5指令 38H（不检测忙信号） 以后每次写指令、读 /写数据操作均需要检测忙信号 写指令 38H：显示模式设置 写指令 08H：显示关闭 写指令 01H：显示清屏 写指令 06H：显示光标移动设置 写指令 0示开及光标设置 具体接线路图如图 2示。 图 2考虑到整个测量系统中不同环境对气体浓度及温湿度范围要求不同，故设置了按键功能，用于实现测量范围的调整，参考单片机引脚使用情况，共设置五个独立按键如图 2现功能为设 定键可进行设定的进入与退出，同时可实现三种范围的切换，另设左右移位键、上下调值键各两个，与此同时考虑到用户可能需要在一定时间内连续测量一种量，故设计了 20 上调键的第二功能：当只有上调键按下时完成显示的自动与手动的切换以实现良好的人机对话。 图 2键电路 本设计 采用集成稳压器 7805， 别为输入端和输出端滤波电容， 续流二极管 。当输出电流较大时， 7805 应配上散热板。 电源电路如图 2示： 图 2源电路 21 第三章 系统软件程序设计 程语言的选择 在系统硬件电路确定以后，其主要功能的实现将依赖于软件来实现。对同一硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，其设计软件基本要求 : 靠性是软件设计的重要指标，具有较强的抗干扰能力。 维护性。编制的软件要求易阅读，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。 统能够及时响应外部事件的发生并能及时做出处理结果。 证系统进行计算数据的精度。 目前存在有 4 种编程语言支持单片机，即汇编语言、 51 语言、 C 语言和 言。其中汇编语言和 C 语言应用的较多， 汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。 结合本系统的特点，这里选用了功能强、效率高的 C 语言。 C 语言主要有以下特点：用 C 语言编制的程序效率高，占用存储空间小，运行速度快。 C 语言能写出最优化程序，且能反映出计算机的实际运行情况。 C 语言能直接与存储器、接口电路打交道，也能申请中断。 具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。基于 系统采用 件功能需求 22 空气品质检测仪功能需求框图如图 示，系统软件主要由传感器采集模块、 换模块、人机接口模块、声光报警模块、核心控制器模块等模块构成， 表 功能模块功能描述 功能模块 功能描述 传感器采集模块 对空气质量进行实时监测 换模块 核心控制器模块 人机接口模块 无线通讯模块 根据软件设计的基本要求 ,采取了如下的措施 : 件设计中包含有：主程序模块、显示模块、 A/D 数据转换子模块、声光报警模块、数据转换模块 、中断处理模块等。 语言， C 支持浮点运算，可以保证数据计算的精度。 高了系统的实时处理事件能力。 件抗干扰。软件抗干扰措施提高了系统的可靠性。 23 以下就对一些主要模块进行详细的阐述。 主程序运行流程图如图 示。由主程序流程图可以看出，软件要实现的主要功能是实现对传感器信号的数据采集，然后进行数据的计算、分析、送液晶进行显示。程序开始时，先关闭中断，对系统进行初始化，包括单片机的各寄存器、 时器装载初值、 中断设置及各模块初始化等。完成初始化后，液晶显示各个参数为零， 待传感器传入信号及 换结束，从而完成当前监测参数的正确显示。 图 统程序框图 开始 端口初始化 串口初始化 读 送 示 判断报警 24 上 电 复 位系 统 初 始 化采 样 子 程 序键 盘 扫 描按 键 是 否 按 下显 示 当 前 参 数声 光 报 警参 数 是 否 超 标结 束图 程序流程图 主程序主要控制单片机的整个运转的过程，决定了各个子程序的运行先后顺序。本课题的程序时机包括，端口的初始化，串口中断的初始化及控制， 警电路的控制， 时子程序几个方面。 25 延时函数是一个程序的重要部分，也是大部分的程序设计中的一个重要步骤，大多数芯片是有一定的反应时间，所以必须加一些延时来给芯片一定的反应时间，保证系统的正常运行。延时函数大部分是用 环的，是单片机进行执行空语句 _,来消耗掉一定数量的时钟周期。 本程序的延时函数是采用两个 套的新形式，采用 4 个空语句 _;来实现延时。其延时的时间的单位大约是 1为所采用的单片机的晶振的大小事 械周期为单片机所采用的晶振周期 12 倍，因此机械周期为大概为 1 s，延时函数