单片机课程设计——环境参数综合监控系统

设计题目：基于单片机的多探头环境监测系统 一、 题目简介 本系统的主要任务是以一块单片机控制多个不同功能的探头，以实现 对所处环境的多方面指数实时监控。进一步地，通过单片机的实时处理， 通过蓝牙模块发送至 PC 机，可以实现对环境质量的综合评估。本系统可 用于有多方面指数要求的环境检测场合，并且可为进一步的环境控制提供 实时准确的综合信息。 二、 小组分工 (一) 硬件设计：三名学员协作完成。在合作完成的原理图基础上，每人 独立完成 PCB 的设计。 (二) 软件设计与调试：三人分工完成部分模块的程序设计与调试，再进 行系统的整合与优化。 三、 预期性能指标 (一) 主要功能： 1. 温度测量、相对湿度测量、空气 浓度监测、光照强度测量；2 2. 蓝牙发送数据至 PC 端； 3. 键盘控制、LCD 实时显示测量结果； 4. 检测量超出指定范围后蜂鸣器报警。 (二) 技术指标： 1. 功耗：（见下表） 电压 电流 功耗 备注 MSP430f149 单片机 1.8-3.6V 225A(活动)0.8A（待机） 运行下 保持在 0.81mW 以下 DHT25 数字温湿度传感器 3.5-5.5V 0.3mA(测量)60A（待机） 1.5mW TSL2561 光强-数字传感 器 0.75mW 低功耗模式下 MG811 型气体传感器 6.00.1V 200mA 1200mW 总功耗小于 1.5W. 2. 测量精度：（见下表） 输出 测量范围 精度 响应时 间 备注 温度 数字输出 负 40 到 80 度 0.2 摄氏度（室温时） 10s 相对湿度 数字输出 2%RH，16 位 6s 室温下 二氧化碳 浓度 模拟输出 （30-50mV） 使用温度范围： -20 到 50 度 光照强度 数字输出 通过系统设计，使该仪器完全可以用于一体化环境监测领域，且具 有小型化、数字化、低功耗等优点。 四、 主要器件： MSP430f149 单片机、DHT25 数字温湿度传感器、TSL2561 光强-数字 传感器、MG811 型 气体传感器、LCD1602 液晶显示屏、蓝牙串口以及2 其他小型外围辅助电路元件。 五、 工作原理 (一) 工作原理概述 1. 温湿度传感器探测的原理 1) 温湿度传感器 DHT25 的基础知识简介 相对湿度和温度测量 全部校准，数字输出 卓越的长期稳定性 无需额外部件 超长的信号传输距离 超低能耗 4 引脚安装 完全互换 DHT25 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传 感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高 的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测 温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快 响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个 DHT25 传感器都在极为精确的 湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内 部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集 成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达 20 米以上，使 其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封 装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。 DHT25 数字温湿度传感器的基本参数： 2) 接口说明 建议连接线长度短于 20 米时用 5K 上拉电阻,大于 20 米时根据实际情况使 用合适的上拉电阻 3) 电源引脚 DHT25 的供电电压为 35.5V。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定 状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD ，GND ）之间可增加一个 100nF 的电容，用以去耦滤波。 4) 串行接口（单线双行） 2. 光强传感器探测的原理 1) TSL2561 光学传感器基础知识简介 TSL2561 是光数字转换器，它将光强转换成数字信号输出，具有直接 l2C 接口或者 SMBus 接口。每个设备都连接一个带宽的光敏二极管和在单独 CMOS 集成电路上的一个红外响应的光敏二极管，这个集成电路具有提供 20bit 动态范 围的近- 适光响应的能力。两个集成的 ADCs 将光敏电流换换一个数字输出，这 个数字输出表示测量每一个通道的发光。这个数字输出可以是一个微处理器的 输入。在这个微处理器里亮度（周围光的水平）使用实验化公式来得到。 TSL2560 设备允许 SNB。 2) TSL256x 的引脚功能 TSl256x 有 2 种封装形式：6LEAD CHIPSCALE 和 6LEAD TMB。封装形式不 同，相应的光强度计算公式也不同。图 1 为这两种封装形式的引脚分布图。 各引脚的功能如下： 脚 1 和脚 3：分别是电源引脚和信息地。其工作电压范围是 2.73.5V。 脚 2：器件访问地址选择引脚。由于该引脚电平不同，该器件有 3 个不同的访 问地址。访问地址和电平的对应关系如表 1 所列。 表 1 器件访问地址和引脚 2 电平的对应关系 脚 4 和脚 6：l2C 或 SMBus 总线的时钟信号线和数据线。 脚 5：中断信号输出引脚。当光强度超过用户编程配置的上或下阈值时，器件 会 输出一个中断信号。 3) TSL256x 的硬件设计 TSL2561 能够通过 l2C 总线访问，所以硬件接口电路很简单。假如所选用 的微处理器带有 l2C 总线控制器，则将该总线的时钟线和数据线直接和 TSL2561 的 l2C 总线的 SCL 和 SDA 分别相连；假如微控制器内部没有上拉电 阻接到总线上。假如微控制器不带 l2C 总线控制器，则将 TSL2561 的 l2C 总线 的 SCL 和 SDA 和普通 I/O 口连接即可；但编程时需要模拟 l2C 总线的时序来 访问 TSL2561，INT 引脚接微控制器的外部中断。硬件连接如图所示。 3. MG8 气体传感器原理 本传感器采用固体电解质电池原理，由下列固体电池构成： 空气，Au|NASICON|碳酸盐|Au,空气，CO2 当传感器置于 CO2 气氛中时，将发生以下电极反应： 负极：2 + + +2 =+2 122 23 正极：2 + +2 -= + 122 2 总电极反应： +2 = +2 +23 +2 +2 传感器敏感电极与参考电极间的电势差（EMF）符合能斯特方程： EMF=Ec-(RxT)/(2F)ln(P(CO2) 上式中：P(CO2)CO2 分压 Ec常量 R气体常量 T绝对温度（K） F法拉第常量 (二) 设计方案与原理框图 本设计为体验数据间通信，运用两个 MSP430F149 控制器，使传感器探头 内部的单片机与主机中的单片机通过 RS485 总线相互通信，完成修改参数，传 输数据的功能。 液晶显示屏 MSP430F149 数据地址总线 放大电路与甄别 成型电路 RTC 时钟 复位电路 几种环境监 测传感器 仪器键盘 JTAG 电 路 (三) 硬件电路设计 设计过程中的关键问题有两个：一是多个数字探头的高压供电问题，解决 办法是采用 D/A 转换模块与单片机连接，通过软件控制来提供可变的低电压， 然后将此低压接入能线性放大的高压转换模块为探头供电;二是多个探头的识别 与数据传输问题，解决办法是将探头编号，并在数字探头与单片机间采用 RS 485 串口连接，共连接四根线，分别是电源线，地线，A 头，B 头。探头接收到 传送 ID 指令时就将自己特有的编号传给主机，主机进行判断，看是哪种探头， 进而转到相应的软件处理程序。当测完数据后采用第一片 MSP430 与第二片 MSP430 单片机双机通信方式将数据送至主机。图 1 中虚线框内就是数字探头部 分，这里的 AN 种探测器和信号处理电路并不是指同时挂接在主机上，而是指 可更换的意思。其余模块包括 12864 液晶显示屏，底色为白色，显示十分清 晰;外部存储器，可存储实时数据和历史数据;时钟芯片，显示年、月、日、时; 报警电路，当数据过大时蜂鸣报警;22 键盘，控制仪器选项及页