室内环境监控终端设计

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 60 页室内环境监控终端设计摘要本论文研究设计了一种用于室内具有检测及超限报警功能的室内环境检测终端系统。其设计方案基于 89C52 单片机，选用美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DHT11 以及 MQ-2 型半导体烟雾气敏传感器等等对室内环境做出必要的检测。本系统满足室内环境变量实行全而、实时、长期监测的要求，实现室内环境温湿度、可燃气体浓度检测的自动化和智能化。系统以单片机为核心，以温度、湿度传感器，气敏传感器作为测量元件，通过单片机与智能传感器相连，采集并存储智能传感器的测量数据，经过分析处理将结果显示于 LED显示屏。在单片机系统中，还要实现超限报警和数据辅助存储功能。本设计主要做了如下几方面的工作:一是确定系统的总体设计方案:包括系统应其一备的功能、达到的技术指标、系统的设计原则;二是整个系统和各个模块的硬件和软什的设计:传感器的静动态特征分析使用、使用单总线技术的DHT11 数字温湿度传感器的测温湿电路以及程序设计、使用气敏传感器 MQ 2 进行数据采集的电路以及程序设计;三是报警、按键的电路和程序设计。该设计对室内温湿度实现了检测与显示，为人们的生活、娱乐及公共场所的环境提供了一种有效的防护系统。关键词： 89C52 单片机，烟雾传感器，温湿度传感器 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 60 页ABSTRACTThis thesis design of a paper for public places and indoor testing and over-limit alarm functions with indoor air quality testing system. Its design is based on 89C51 single chip, with the choice of MQ-5 gas sensors and CH20/S-10 formaldehyde sensor from Switzerland mengbabo company. Sensor system will output 4 20mA standard signal through the core ADC0832 for A / D conversion circuit after conditioning, by the single-chip microcomputer for data processing, at last display the formaldehyde concentration on the LCD . The article detailed the data acquisition subsystem, data processing and data display and alarm system circuit design method and process. When the sampling sites when the formaldehyde and Natural gas concentration exceeded，To the single-transistor drive circuit audio alarm will sound the alarm，Testing staff to remind. At the same time，The concentration of formaldehyde, Can be set through the single-chip programming. In addition, the system signals a concentration compensation signal processing, a reduction of measurement error, therefore, have a high measurement accuracy, and simple structure, excellent performance. The range of the system for 0-10ppm, accuracy 0.039ppm.keyword：89C52 microcontroller， smoke transducer ，humidity sensor 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 60 页目 录 1 引言 11.1 课题背景 11.2 立题的目的及意义 11.3 国内外的研究现状及发展趋势 21.3.1 国外研究现状21.3.2 国内研究现状 31.4 本系统主要研究内容 32 系统总体设计 42.1 系统总概述 4 2.2 系统功能设计 4 2.2.1 温湿度监测 42.2.2 红外、烟雾监测 42.3 系统的组成 42.4 系统工作原理 53 系统硬件设计 63.1 硬件设计 63.2 系统设计 73.2.1 硬件系统的设计 73.2.2 AT89S52 的主要功能 83.2.3 AT89S52 的主要引脚 93.2.4 单片机的寄存器 103.2.5 机器周期和指令周期 103.2.6 中断源 103.2.7 单片机的定时器 11 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 60 页3.3 温湿度传感器设计 143.3.1 DHT11 的简介 153.3.2 DHT11 引脚说明 153.3.3 电源引脚 153.3.4 串行接口 153.4 烟雾传感器设计 183.4.1 MQ-2 烟雾传感器的应用与优点183.4.2 MQ-2 工作原理183.4.3 MQ-2 的特性183.4.4 MQ-2 的结构183.4.5 MQ-2 的计算公式193.4.6 MQ-2 传感器的动态校准203.5 红外传感器设计 223.5.1 红外模块的的技术指标 223.5.2 HC-SR501 的功能特点233.5.3 HC-SR501 使用说明233.6 液晶显示装置设计 243.6.1 液晶简介 243.6.2 引脚功能说明 253.6.3 液晶显示原理图 263.7 报警系统设计 274 系统软件设计 284.1 系统初始化模块 284.2 数据采集模块 284.3 显示模块 304.4 报警模块 31 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 60 页结论 32附录 A32附录 B 47参考文献48致谢 50 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 60 页1 引言1.1 课题背景随着微电子技术的发展，传感器的性能和种类的不断提高和丰富，使得基于微电脑芯片控制的室内环境实时分析监测系统成为可能。该设计通过传感器引入数字化的环境信息，通过微电脑的数据分析，如加上控制系统与室内空调、加湿器、照明系统和电动窗帘门窗系统等家居电器配合使用，不仅能给人们带来舒适的生活环境，还能最大程度的节约能源使用。显然在节能减排上深入人心，建筑节能和智能化发展得到大力提倡的今天，其不仅能为人们的生活带来便利，更符合可持续发展理念，无论是经济学角度还是社会学角度来讲，设计和研究基于数宇化的室内环境监测系统辅助家居智能化和节能环保的设备有着重要的现实意义和经济价值 1。该设计基于上述情况出发，应用 8051 系列单片机丰富的 I/O 接口和对数据的采集、处理功能，实现传感器由物理变量到数字化转变，输入到单片机通过微处理器的分析处理给出相应的结果，输出到显示电路。通过七段码 LED 显示器或者液晶显示实时的各环境参数的数值，使人们能及时了解各环境参数的情况，并在环境参数变到危害到正常的生理需要的时候给予报警电路报警信号，及时的通知人们离开或加以相应的处理，使得宜于居住。由于相关家居智能化设备的不确定性，这里就不做相应的控制算法的研究和处理，仅把相关参数储存在相应位置或者输出到某个 I/O 接口，供其它相关设备读取数据。伴随着.人们生活水平的不断提高，越来越多的人更加关注居住环境的质量安全（主要包括温度，湿度，有害气体浓度等)问题，所以对室内环境做实时监测和数据分析显得尤为必要。1.2 立题的目的及意义AT89S52 单片机是常用于控制的芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度控制系统的实例也 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 60 页很多。使用 AT89S52 单片机能够实现温湿度烟雾红外检测等全程的监测，而且AT89S52 单片机易于学习、掌握，性价比高。使用 AT89S52 单片机设计温湿度控制系统，可以及时、精确的反映室内的温度以及湿度的变化。完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此。并且这款单片机对于烟雾检测和红外检测也有着不凡的作用，更能更好的成为检测的中枢，所以本设计中将使用它 2。1.3 国内外的研究现状及发展趋势1.3.1 国外研究现状室内环境监测是伴随着人们居住环境污染的产生而逐步发展起来的，所以针对室内污染源的测控技术得到了较快的发展。在国外发达工业国家，由于Internet 网络技术发展的相对成熟，这就为利用 Internet 进行室内环境在线监测数据的传输提供了便利条件。传统通信方式一般受到时空限制和地域障碍，使得大范围内的通信变得较为困难。网络技术的发展为远程监测居住住宅区域内的环境质量提供了强有力的技术保障，极大的促进了室内环境监测的现代化发展，实现了监测的可靠性、实时性、连续性和完整性。在所构成的监测网络中，传感器设备充当着监测网络中独立节点的角色。各种地区性和全局性的室内环境监测系统网络开始慢慢形成，人们居住环境内各种参数信息的实时、动态在线监测成为现实。美国 Electrodepot 公司是生产远程监测与控制设备的专业公司。利用该公司的控制系统，人们可以实现对建筑物室内环境的远程监控，监控参数包括温度、气压、湿度、电能、开关态或某些物理量。日本 JICA 中心研发的 Field serer（现场服务器）系统是基于嵌入式系统的多传感器数据采集设备，它可以连接任何符合其接口规范的多种传感器。同时，它内部的集成微型摄像头可以同时采集室内温度、湿度、总辐射等环境信息及图像视频信息，并自动通过 TCP/IP 协议将数据发送到数据中心服务器。此 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 60 页外，Field serer 系统集成了 WER 服务器平台，用户可以通过 IP 登录到 Field serer 查看传感器所采集的实时环境信息和实时图像视频信息。Field serer 系统具有体积小、功能强、耗电少等特点，它可以使用电池供电。1.3.2 国内研究现状从 20 世纪 70 年代末起，我国逐渐重视有关建筑物室内环境的污染及监控问题。我国政府从关心人民健康的角度出发，自 1987 年开始，卫生部陆续颁布了公共场所卫生管理条例 ，接着又提出了七类共 28 种公共场所的卫生标准，对室内空气中风速、温度、新风量、二氧化碳、等要求进行检测，随后又颁布了室内空气中二氧化碳、二氧化硫等卫生标准。这样一来，室内空气的监测与治理才能有法可依，有章可循。此外，为了提高室内空气质量，使室内环境监测管理更加完善与规范，国家环境所、建设部、卫生部等部门制定了一系列规范和制度。这些都为我国开展室内环境监测，制定室内空气质量标准提供了政策支持和技术平台。目前，国内在室内环境监测方面的研究所采用的方案主要包括有线监测和无线监测两大类。有线监测方式一般具有稳定、可靠、数据传输率高等优点，但是与此同时，有线监测系统大多数存在着系统搭建复杂且造价偏高等问题，特别是对于监测点数目多、分布广、地形复杂的区域，有线监测系统造价高，施工难度大，如果第一次布置完成，就很难再次灵活改变布局，如果监测区域有变化，需要根据现场重新布置监测点，这样就会带来巨大的二次成本，系统可重用性很差。相比较而言，对于无线监测方式来说，组网简单、投资少、维护方便、成本相对较低，对于一些环境恶劣，不适合人力长期坚守的监测点，搭建无线传感器网络的监测系统是经济并实用的选择。1.4 本系统主要研究内容本系统说要完成的任务：1. 进行室内监测系统的整体研究与设计。2. 利用数字温湿度传感器 DHT11 来监测温湿度的实时变化。 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 60 页3. 利用红外传感器监测室内是否有人进出。4. 利用 MQ-2 传感器来监测室内烟雾浓度是否超标。5. 通过采集温度及湿度值，烟雾浓度和红外监测准确的判断当前值与标准值之间的差异，并及时的启动报警装置进行报警，并采取相应的方案。6. 利用 LCD 对温湿度和烟雾浓度进行实时显示。 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 60 页2 系统总体设计2.1 系统总概述1. 本论文主要完成室内环境检测终端的软件设计，设计内容包括：A/D 转换器程序、超标报警、数据显示等。2. 本系统采用单片机为控制核心，以实现室内环境检测的基本控制功能。系统主要功能内容包括：温湿度模块、红外模块、烟雾模块、显示模块的监测和显示。3. 本系统设计采用功能模块化的设计思想，系统主要分为总体方案设计、硬件和软件的设计三大部分。2.2 系统功能设计2.2.1 温湿度监测实现对室内温湿度参数的实时采集，测量空间的温度和湿度，由单片机对采集的温湿度值进行循环检测、数据处理、显示，实现温湿度的智能检测。温湿度传感器达到的技术指标：测量范围： 湿度 3070%RH， 温度-30-50测量精度： 湿度+5%RH， 温度+12.2.2 红外、烟雾监测实现对室内烟雾的浓度参数的实时采集，来监测室内是否有火情发生，并且显示并报警；红外监测是实现室内人物的进出监测，发现人数并报警。2.3 系统的组成以单片机为控制核心，采用温湿度测量技术，烟雾监测技术，红外监测技术，通信技术等技术，以温湿度传感器和红外传感器，烟雾传感器作为测量元件，构成智能室内环境测量控制系统。可分为测量电路，显示电路，报警电路，无线传输，图 1.1 选用的主要器件有：单片机 AT89S52，温湿度传感器 DHT11，气敏传感器，红外传感器，漏水检测模块，A/D 转换模块，1602LCD 显示模块， 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 60 页LED 灯，报警装置蜂鸣器等。图 1.12.4 系统工作原理本系统以单片机 AT89S52 为核心，数据采集、显示、报警都要通过单片机。数据采集通过单总线的智能数字温湿度传感器 DHT11 和烟雾传感器红外传感器来完成 3；通过单片机把采集的数据显示在 1602LCD 上；当采集的数据超出给定范围时，有蜂鸣器实时报警，系统流程图如图 1.2。 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 60 页开始系统初始化有键按下 ？定时中断时间到 ？气体检测子程序D H T 1 1 忙 ？按键处理子程序D H T 1 1 温湿度读取子程序数据存储报警判断L E D 显示子程序NYYN图 1.2 系统流程框图 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 60 页3 系统硬件设计3.1 硬件设计在室内环境监测硬件设计，由单片机控制整个系统的运作、气敏传感器模块实现监测室内烟雾浓度的功能、温湿度传器模块实现检测案内的温度和湿度功能、按键模块实现设置报警上限功能、LED 液晶模块实现显示功能、蜂鸣器报警功能。这五大模块组成的原理图来实现室内环境检测系统的各项功能。在该设计中，选用了单片机作为控制芯片。该芯片有丰富的内部资源，丰富的 I/O 接口，低电压，低功耗等优点;并且内置看门狗电路，支持串口程序烧录，使用方便快捷，可以进行 C 语言编写程序，易于实现 4。温湿度测量方面选用瑞士芯片，该芯片内置 A/D 转换芯片，管脚接线简单，测量精度高等优点，气敏传感器使用气体测量传感器，其具有多种可燃气体的测试功能可以监测烟雾模块，简单高效。A/D 转换模块选用 ADC 0831，具有接口电路简单，成本低等优点，能够满足该设计的设计，该芯片为一路八位数转换芯片需求。3.2 系统设计3.2.1 硬件系统的设计经过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以开始着手硬件系统的设计，硬件系统是应用系统的基础、软件系统设计的依据，根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用 AT89S52 单片机。AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 5。AT89S52 使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，AT89S52 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 60 页级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚排列如图 3.1 所示：图 3.1 AT89S52 引脚图3.2.2 AT89S52 的主要功能1、与 MCS-51 单片机产品兼容；2、8K 字节在系统可编程 Flash 存储器；3、1000 次擦写周期；4、全静态操作：0Hz-33MHz； 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 60 页5、三级加密程序存储器；6、32 个可编程 I/O 口线；7、三个 16 位定时器/计数器；8、8 个中断源；9、全双工 UART 串行通道；10、低功耗空闲和掉电模式；11、掉电后中断可唤醒；12、看门狗定时器；13、双数据指针；14、掉电标识符。3.2.3 AT89S52 的主要引脚（1）电源及时钟引脚（4 个）VCC:电源接入引脚；GND:接地引脚；XTAL1:晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地） ；XTAL2:晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端） 。（2）控制线引脚（4 个）RST/VPD:复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；ALE/PROG:地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚(低电平有效） ；EA/Vpp:内外存储器选择引脚（低电平有效）/片内 EPROM（或 FlashROM）编程电压输入引脚；PSEN:外部存储器选通信号输出引脚（低电平有效） 。(3) 并行 I/O 引脚（32 个，分成 4 个 8 位口）P0.0P0.7:一般 I/O 引脚或数据/低位地址总线服用引脚；P1.0P1.7:一般 I/O 引脚； 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 60 页P2.0P2.7:一般 I/O 引脚或高位地址总线引脚；P3.0P3.7:一般 I/O 引脚或第二功能引脚。其内部主要由 CPU、RAM、ROM、通用 I/O 及总线构成。CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；3.2.4 单片机的寄存器MCS-51 器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以 64K 寻址 6。程序存储器：如果 EA 引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于 89S52，如果 EA 接 VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89S52 有 256 字节片内数据存储器。高 128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高 128 字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于 7FH 的地址时，寻址方式 决定 CPU 访问高 128 字节 RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR） 。3.2.5 机器周期和指令周期（1） 振荡周期: 也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 （2） 状态周期: 每个状态周期为时钟周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。（3） 机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期 S1S6, 也就是 12 个时钟周期。在一个机器周期内, CPU 可以完成一个独立的操作。 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 60 页（4） 指令周期: 它是指 CPU 完成一条操作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。3.2.6 中断源AT89S52 有 6 个中断源：两个外部中断（INT0 和 INT1） ，三个定时中断（定时器 0、1、2）和一个串行中断。这些中断如图 10 所示每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器 IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE 还包括一个中断允许总控制位 EA，它能一次禁止所有中断。如表 1 所示，IE.6 位是不可用的。对于 AT89S52，IE.5 位也是不能用的。用户软件不应给这些位写 1。它们为 AT89 系列新产品预留。定时器 2 可以被寄存器 T2CON 中的 TF2 和 EXF2 的或逻辑触发。程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清 0。实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2 或 EXF2 激活中断，标志位也必须由软件清 0。定时器 0 和定时器 1 标志位 TF0 和 TF1 在计数溢出的那个周期的 S5P2 被置位。它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器 2 的标志位TF2 在计数溢出的那个周期的 S2P2 被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。表 13.2.7 单片机的定时器WDT 是一种需要软件控制的复位方式。WDT 由 13 位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。WDT 在默认情况下无法工作；为了激活 WDT，用户必须往 WDTRST 寄存器（地址：0A6H）中依次写入 01EH 和 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 60 页0E1H。当 WDT 激活后，晶振工作，WDT 在每个机器周期都会增加。WDT 计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或 WDT 溢出复位） ，没有办法停止WDT 工作。当 WDT 溢出，它将驱动 RSR 引脚一个高电平输出。WDT 的使用为了激活 WDT，用户必须向 WDTRST 寄存器（地址为 0A6H 的 SFR）依次写入 01EH 和 0E1H。当 WDT 激活后，用户必须向 WDTRST 写入 01EH 和 0E1H 喂狗来避免 WDT 溢出。当计数达到 8191（1FFFH）时，13 位计数器将会溢出，这将会复位器件。晶振正常工作、WDT 激活后，每一个机器周期 WDT 都会增加。为了复位 WDT，用户必须向 WDTRST 写入 01EH 和 0E1H（WDTRST 是只读寄存器） 。WDT 计数器不能读或写。当 WDT 计数器溢出时，将给 RST 引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续 96 个晶振周期（TOSC） ，其中 TOSC=1/FOSC。为了很好地使用 WDT，应该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免 WDT 复位。掉电和空闲方式下的 WDT 在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这 WDT 也停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给 WDT 喂狗，就如同通常 AT89S52 复位一样。通过中断退出掉电模式的情形有很大的不同。中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳定。当中断拉高后，执行中断服务程序。为了防止 WDT 在中断保持低电平的时候复位器件，WDT 直到中断拉低后才开始工作。这就意味着WDT 应该在中断服务程序中复位。为了确保在离开掉电模式最初的几个状态 WDT 不被溢出，最好在进入掉电模式前就复位 WDT。在进入待机模式前，特殊寄存器 AUXR 的 WDIDLE 位用来决定 WDT 是否继续计数。默认状态下，在待机模式下，WDIDLE=0，WDT 继续计数。为了防止 WDT 在待机模式下复位 AT89S52，用户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模式。 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 60 页UART在 AT89S52 中，UART 的操作与 AT89C51 和 AT89C52 一样。为了获得更深入的关于 UART 的信息，选择“Products” ，然后选择“8051-Architech Flash Microcontroller”，再选择“ProductOverview”即可。定时器 0 和定时器 1 在 AT89S52 中，定时器 0 和定时器 1 的操作与 AT89C51 和 AT89C52 一样。为了获得更深入的关于 UART 的信息，选择“Products” ，然后选择“8051-Architech Flash Microcontroller”，再选择“ProductOverview”即可。定时器 2 是一个 16 位定时/计数器，它既可以做定时器，又可以做事件计数器。其工作方式由特殊寄存器 T2CON 中的 C/T2 位选择（如表 2 所示） 。定时器 2 有三种工作模式:捕捉方式、自动重载（向下或向上计数）和波特率发生器。如表 3 所示，工作模式由 T2CON 中的相关位选择。定时器 2 有 2 个 8 位寄存器：TH2 和 TL2。在定时工作方式中，每个机器周期，TL2 寄存器都会加 1。由于一个机器周期由 12 个晶振周期构成，因此，计数频率就是晶振频率的 1/12。表 2 定时器 2 工作模式 表 2 捕捉方式在捕捉模式下，通过 T2CON 中的 EXEN2 来选择两种方式。 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 20 页 共 60 页图 5 定时器的捕捉模式如果 EXEN2=0，定时器 2 时一个 16 位定时/计数器，溢出时，对 T2CON 的 TF2标志置位，TF2 引起中断。如果 EXEN2=1，定时器 2 做相同的操作。除上述功能外，外部输入 T2EX 引脚（P1.1）1 至 0 的下跳变也会使得 TH2 和 TL2 中的值分别捕捉到 RCAP2H 和 RCAP2L 中。除此之外，T2EX 的跳变会引起 T2CON 中的EXF2 置位。像 TF2 一样，T2EX 也会引起中断。捕捉模式如图 5 所示。在计数工作方式下，寄存器在相关外部输入角 T2 发生 1 至 0 的下降沿时增加 1。在这种方式下，每个机器周期的 S5P2 期间采样外部输入。一个机器周期采样到高电平，而下一个周期采样到低电平，计数器将加 1。在检测到跳变的这个周期的 S3P1 期间，新的计数值出现在寄存器中。因为识别 10 的跳变需要 2 个机器周期（24 个晶振周期） ，所以，最大的计数频率不高于晶振频率的 1/24。为了确保给定的电平在改变前采样到一次，电平应该至少在一个完整的机器周期内保持不变。自动重载当定时器 2 工作于 16 位自动重载模式，可对其编程实现向上计数或向下计数。这一功能可以通过特殊寄存器 T2MOD（见表 4）中的DCEN（向下计数允许位）来实现。通过复位，DCEN 被置为 0，因此，定时器 2 默认为向上计数。DCEN 设置后，定时器 2 就可以取决于 T2EX 向上、向下计数。如图 6 所示，DCEN=0 时，定时器 2 自动计数。通过 T2CON 中的 EXEN 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 21 页 共 60 页图 6 定时器 2 重载模式（DCEN=0）2 位可以选择两种方式。如果 EXEN2=0，定时器 2 计数，计到 0FFFFH 后置位TF2 溢出标志。计数溢出也使得定时器寄存器重新从 RCAP2H 和 RCAP2L 中加载16 位值。定时器工作于捕捉模式，RCAP2H 和 RCAP2L 的值可以由软件预设。如果 EXEN2=1，计数溢出或在外部 T2EX（P1.1）引脚上的 1 到 0 的下跳变都会触发 16 位重载。这个跳变也置位 EXF2 中断标志位。T2EX 上的一个逻辑 0 使得定时器 2 向下计数。当 TH2 和 TL2 分别等于 RCAP2H 和 RCAP2L 中的值的时候，计数器下溢。计数器下溢，置位 TF2，并将 0FFFFH 加载到定时器存储器中。如图 6 所示，置位 DCEN，允许定时器 2 向上或向下计数。在这种模式下，T2EX 引脚控制着计数的方向。T2EX 上的一个逻辑 1 使得定时器 2 向上计数。定时器计到 0FFFFH 溢出，并置位 TF2。定时器的溢出也使得 RCAP2H 和 RCAP2L 中的 16位值分别加载到定时器存储器 TH2 和 TL2 中。3.3 温湿度传感器设计3.3.1 DHT11 的简介DHT11 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和卓越的长期稳定性。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 DHT11 传感器都在极为精确的湿 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 22 页 共 60 页度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在 OTP 内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数 7。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，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为 4 针单排引脚封装，连接方便。3.3.2 DHT11 引脚说明建议接线长度短于 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。引脚 1：VDD 供电 3-5.5V;引脚 2：DATA 串行数据，单总线;引脚 3：NC 空脚，悬空;引脚 4：GND 接地，电源负极图 3.6 典型应用3.3.3 电源引脚DHT11 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。3.3.4 串行接口（单线双向）(1)单总线说明：DHT11 器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约 5.1k 的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问器件都必须严格遵循单总线序列，如果 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 23 页 共 60 页出现序列混乱，器件将不响应主机。(2)单总线传送数据位定义：DATA 用于微处理器与 DHT11 之间的通讯和同步,采用单总线数据格式，一次传送 40 位数据，高位先出。数据格式:8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit校验位。(3)校验位数据定义：“8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据”8bit 校验位等于所得结果的末 8 位 8。(4)数据时序图：用户 MCU 发送一次开始信号后,DHT11 从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11 发送响应信号,送出 40bit 的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11 接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11 不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式，如图 3.7。3.7 数据时序图(5)外设读取：DHT11 上电后，测试环境图温湿度数据，并记录数据，同时 DHT11 的 DATA 数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平；此时 DHT11 的 DATA引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。微处理器的 I/O 设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于 18ms，然后微处理器的 I/O 设置位输入状态，由于上拉电阻，微处理器的 I/O 即 DHT11 的 DATA 数据线也随之变高，等待 DHT11 作出回答信号。DHT11 的 DATA 引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后 DHT11 的 DATA 引脚处于输出状态，输出 80us 的低电平作为应答信号，紧接着输出 80us 的高电平通知外设准备接受数据，微 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 24 页 共 60 页处理器的 I/O 此时处于输入状态，检测到 I/O 有低电平（DHT11 回应信号）后 ，等待 80us 的高电平后的数据接收。由 DHT11 的 DATA 引脚输出 40 位数据，微处理器根据 I/O 电平的变化接收 40 位数据，位数据“0”的格式为：50us 的低电平和 26-28us 的高电平；位数据“1”的格式为：50us 的低电平加 70us 的高电平。测量分辨率分别为 8bit（温度） 、8bit（湿度） 9。温湿度传感器实物图如图 3.3图 3.3 温湿度传感器实物图3.4 烟雾传感器设计3.4.1 MQ-2 烟雾传感器的应用与优点 （1）可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测 10。 （2）广泛的探测范围，高灵敏度，快速响应恢复，优异的稳定性，寿命长 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 25 页 共 60 页简单的驱动电路。 3.4.2 MQ-2 工作原理 MQ-2 型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式 N 型半导体。当处于 200300C 温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾浓度越大，电导率越大输出电阻越低。3.4.3 MQ-2 的特性 （1）MQ-2 型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息。（2）MQ-2 型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。 （3）其检测可燃气体与烟雾的范围是 100-10000ppm（4）电路设计电压范围宽，24V 以下均可；加热电压 50.2V113.4.4 MQ-2 的结构底面引脚图，MQ-2 的两种款式都是 6 个引脚，其中中间对称的两个引脚 H与 H（2&5）为加热引脚，选取两脚中的其中的一脚接正电源都可以。1 脚与 3脚是 A 与 A。4 脚与 6 脚是 B 与 B是信号引脚，这两对引脚其中一对作为接正电源，另一对做信号输出 A 与 A/B 与 B在内部都相通的，可以用数字万用表测量二极管档测其引脚。如图 2。 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 26 页 共 60 页图 2 mq-2 引脚及封装图3.4.5 MQ-2 的计算公式用 MQ-2 烟雾传感器来检测火灾烟雾最好的办法是通过其输出电压与门限电压来比较得出 3.1MQ-2 的计算公式 3.1.1 阻值 R 与空气中被测气体的浓度 C的计算关系式 （SNO2)敏感元件的阻值 R 与空气中被测气体的浓度 C 成对数关系变化可参考公式 3-1： logR=mlogC+n（m、n 均为常数） （3-1）(3-1)n 与气体检测灵敏度有关 12，除了随传感器材料和气体种类不同而变化外，还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。另一方面，m 表示随气体浓度而变化的传感器的灵敏度（也称之为气体分离率） 。对于可燃性气体来说，m 值多数介于 1/2 至 1/3 之间。3.1.2 传感器的电阻的计算 参考 MQ-2datasheet 可用下式 3-2 计算：Rs=(Vc/VRL-1)RL （3-2） 式中 Vc 为回路电压，VRL 是传感器 4 脚、6 脚输出的电压即 Ushuchu，RL 是负载电阻。更具上式即可即可算出传感器电阻 Rs。3.1.3MQ-2 传感器的输出电压 MQ-2 烟雾传感器的输出电压计算： 根据 MQ-2 的工作原理（其电导率随着气体浓度的增大而增大，其电阻是电导率的倒数，所以其电阻是减小的，其特性相当于一个滑动变阻器）并且参考图 2.3MQ-2Datasheet 上的测试电路Ushuchu（R11/R11+Rs）*Vc （3-3）Vc 为回路电压即电源电压，其加在 MQ-2 传感器的 1 脚、3 脚之间。Ushuchu是传感器 4 脚、6 脚输出的电压，Rs 为传感器的体电阻。其中若气体浓度上升，必导致 Rs 下降。而 Rs 的下降则会导致，MQ-2 的 4 脚、6 脚对地输出的电压增大。所以气体浓度增大，其输出的电压也会增大。 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 27 页 共 60 页图 2.3 MQ-2 应用电路3.4.6 MQ-2 传感器的动态校准 本小节主要测试距离（烟雾浓度）对输出电压的影响。传感器里火源越远，烟雾扩散的范围越大，单位体积内的烟雾浓度将减小，所以本节将对此现象进行实验测量。（1）距烟雾传感器传感头 5cm 处点燃干燥的废纸产生烟雾飘入传感头，用万用表测量此时 Ushuchu（VRL） 【动态电压】电压的变化情况。表 3-2 为连续10 次所测得的此时烟雾浓度对应的输出电压值此时的动态电压比静态时的电压上升了 0.4-0.5V。次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10电压/V1.12 1.14 1.15 1.21 1.13 1.14 1.11 1.14 1.20 1.11表 3-2（2）距烟雾传感器传感头 20cm 处点燃干燥的废纸产生烟雾飘入传感头， ，用万用表测量此时 Ushuchu（VRL） 【动态电压】电压的变化情况。表 3-3 为连续 10 次所测得的此时烟雾浓度对应的输出电压值。次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10电压/V 1.0 0.99 0.98 1.0 1.0 0.95 0.96 1.06 1.04 1.03表 3-3此时的动态电压比静态时的电压上升了 0.3-0.4V。说明了距离对烟雾浓度的影响是很大的。（3）距烟雾传感器传感头 5cm 处用打火机对着传感头喷射其内部气体（主 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设