基于单片机空气质量检测仪设计毕业设计教材

1、基于单片机空气质量检测仪设计 摘要 随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人们对环境问题及健康问 题日益重视，室内空气品质（ IAQ）状况受到越来越多的关注。人的一生中有 三分之二的时间是在居室内度过的。本文研究的室内便携式智能空气品质监 测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景， 是以 STC 工公司的一 款 8 位超低功耗单片机 STC90C51 为控制核心， 能够实现对室内温度， 湿度， VOC 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 LCD1602 点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

2、， 实现在参数超标时及时的报警。 室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社 区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。 关 键 词： STC90C51 ，室内空气品质， LCD 显示，温湿度， VOC 气体 BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER AIR QUALITY TESTER DESIGN ABSTRACT We paid more attention to the environment and health problems especially, indoor air quality (IAQ) conditions w

3、ith the development of the national economy and the improvement of peoples living standard. In that, about two-thirds of peoples life spent in the house. In this paper, Indoor Air Quality Portable Intelligent Monitor which will be studied in this paper, is on the background of toxic and harmful gase

4、s, and based on an STC 8-bit working ultra-low power MCU STC90C51 as control core. It can process, display, and alarm the real-time acquisition indoor temperature, humidity, VOC gas and so on. The instrument is powered by lithium batteries with a good portability and versatility. What s more, it use

5、s the LCD1602 dot matrix LCD screen to display menu, and has a good interactive interface. At the same time sound and light alarm system is designed to achieve a timely manner when the parameter level exceeds the limit. With the features of small size, low power consumption, operating easily, Indoor

6、 Air Quality Portable Intelligent Monitor is suitable for family and community health care for its real-time acquisition of indoor air quality. KEY WORDS ： STC90C51, IAQ, LCD display, Temperature and humidity, VOC gas 目录 第 1 章 本课题的主要研究内容、方法及总体设计 3 1.1 课题设计的内容 3 1.2 课题设计的方法 3 第 2 章 空气质量检测仪的硬件设计 5 2.1

7、 空气质量检测仪系统简介 5 2.1.1 系统硬件结构及原理 5 2.2 STC90C51 单片机简介 5 2.2.1 STC90C51主要性能参数： 6 2.2.2 时钟电路模块 7 2.2.3 复位电路模块 7 2. 3 传感器的选用 8 2.3.1 气体传感器 8 2.3.2 温湿度传感器 10 2.4 模数转换电路设计 16 2.5 声光报警电路设计 18 2.6 液晶显示电路设计 18 2.6.1 LCD1602的基本参数及引脚功能 19 2.6.2LCD1602 的指令说明及时序 20 2.6.31602LCD 的 RAM地址映射及标准字库表 23 2.6.4LCD1602 的一般

8、初始化过程 24 2.7 按键电路设计 25 2.8 电路电源设计 25 2.9 本章小结 26 第 3 章 空气质量检测仪的软件设计 27 3.1 系统软件设计思路 27 3.1.1 编程语言的选择 27 3.1.2 软件功能需求 27 3.2 软件模块设计 28 3.2.1 主程序模块 28 3.2.2AD 转换模块 30 3.2.3 液晶显示模块 30 3.2.4 声光报警模块 30 3.2.5 按键模块 30 3.3 本章小结 31 第 4 章 仿真调试 32 4.1 系统硬件调试 32 4.1.1 常见的硬件故障 32 4.1.2 硬件调试方法 32 4.2 系统软件调试 33 4.

9、3 本章小结 34 结 论 35 1主要结论 35 2展望 35 参考文献 37 致 谢 38 附 录 39 附录一 39 附录二 40 一、课题研究的目的及意义 空气质量的好坏反映了空气污染程度，它是依据空气中污染物浓度的高 低来判断的。来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量 的最主要因素之一。空气质量检测种类包括装修污染、办公室内空气检测、 作业场所有害物质检测、食堂油烟检测、锅炉大气及工业窑炉检测及工厂排 放工业废气检测。 当今，人类正面临 “煤烟污染 ”、“光化学烟雾污染 ”之后，又出现了 “室内 空气污染 ”为主的第三次环境污染。 美国专家检测发现， 在室内空气中存在

10、 500 多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20多种，致病病毒 200多种。危害较大 的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量触目惊心的事实证 实，室内空气污染已成为危害人类健康的 “隐形杀手 ”，也成为全世界各国共 同关注的问题。据统计，全球近一半的人处于室内空气污染中，室内环境污 染已经引起 35.7% 的呼吸道疾病， 22%的慢性肺病和 15%的气管炎、支气管炎 和肺癌。 本课题主要研究设计基于量化检测的“空气质量检测仪”系统，此系统 旨在实现室内空气温度、湿度、有害气体的预警监测，有利于进行全方位的 评价室内空气质量，为人类营造一个健康的室内生存空间。空气质量检测仪 体积小，

11、功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够 实时知道室内空气的质量。 二、国内外的研究状况 气体传感器测定甲醛成为近年来甲醛检测研究的新热点。早在 1983 年， 压电类甲醛传感器就已问世。这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就 可以测定，但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移，故基本无实用 性。为适应室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前已开发出不少甲醛快速 测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，操作方便，适用于室内和公 共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中 的甲醛释放量。但这些仪器的工作原理、响应性能、适应范围等都不同。 在测试甲醛、苯

12、等害气体方面，国外比较出名的有 :美国 ESC 公司生产 的 Z 一 300 甲醛检测仪、 英国 PPM 公司生产的 PPM-400 甲醛检测仪 ; 国内的 有 : 江苏安普电子工程有限公司生产的400 型甲醛分析仪、 北京宾达绿创科技 有限公司生产的甲醛测定仪抑一 308 等。 这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研 究机构。准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵（ 如英国 PPM 公司生 产的 PPM400 甲醛仪约两万多元 ），测定时间较长，每隔一段时间就需进行重 新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定；目前国内外产品的设计差 异主要集中在监测传感器和控制单

13、片机芯片的选用，操作方面国外的产品操 作界面方便，功能加完备。 第 1 章 本课题的主要研究内容、 方法及总体 设计 1.1 课题设计的内容 以单片机为核心，选择合适的传感器，实现对空气质量的检测。 1.2 课题设计的方法 查阅相关资料，应用电脑软件进行仿真、调试，制作硬件设备，在实际 环境中测试并进行修改、调试，直至达到课题要求。 1.3 总体方案设计 本设计集 VOC 气体及温湿度监测，显示与报警于一体，利用 MCU 进行 数据采集保证了前台数据的及时、准确，有利于进行全方位的评价。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 LCD 点阵式液晶屏显 示菜单，有良好的人机对

14、话界面。 1.3.1 系统 图 1-1 系统总框图 图 主控制器 显示模块 声光报警 输入键盘 1.3.2 功能设定 （ 1） 显示部分采用 LCD1602 显示屏， 循环显示各项测量值的上下限及实际 浓度、实际温度、湿度。并在按键选择情况下连续显示一个测量值的 变化。 （ 2） 当有害气体浓度超出安全范围时进行声光报警。 （ 3） 按键操作可进行测量值范围的调整，及手动和自动测量的转换。 第 2 章 空气质量检测仪的硬件设计 2.1 空气质量检测仪系统简介 基于 STC90C51 的室内便携式智能空气质量监测仪是以室内空气中有毒 有害气体的监测监控为背景，能够实现对室内温度，湿度， VOC

15、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 LCD 点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。室内智能空气品质 监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健， 能够实时知道室内空气的质量。 2.1.1 系统硬件结构及原理 本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以STC 工公司的一款 8 位 超低功耗单片机 STC90C51 为控制核心。室内空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

16、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室内空气中的 VOC 气体浓度值及温湿度。若被测 室内空气中 VOC 气体的浓度有超过国家标准或设定的危险值或温湿度超出 设定范围时报警电路对应的发出声光报警信号。 2.2 STC90C51 单片机简介 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

17、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。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 CMOS 8 位单片机的 STC90C51作为控制器。 片内含 4k bytes 的可系统编程的 Flash只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司 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 Flash 程序存储器既可在线编程 (ISP) 也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器 于单片芯片中，可提供许多高

18、性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领 域。 2.2.1STC90C51 主要性能参数： 1、与MCS.51产品指令系统完全兼容 2、4k字节在系统编程 (ISP)Flash 闪速存储器 3、1000 次擦写周期 4、4.0-5.5V 的工作电压范围 5、全境态工作模式： 0Hz-33MHz 6、三级程序加密锁 7、1288字节内部 RAM 8、32个可编程 I O口线 9、2个16位定时器计数器 10、6个中断源 11、全双工串行 UART 通道 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 (wDT ) 及双数据指针 15、掉电标识和快速编程特性 16、灵活的在

19、线系统编程 STC90C51 芯片管脚如图 2-1。 图 2-1 STC90C51 引脚布置 2.2.2 时钟电路模块 时钟电路由一个晶体振荡器 12MHZ 和两个 30pF 的瓷片电容组成。 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 2-2 所示： 2.2.3 复位电路模块 复位电路是使单片机的 CPU 或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

20、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 2-3 所示： 图 2-3 复位电路模块 2.3 传感器的选用 2.3.1 气体传感器 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

21、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

22、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

23、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。 VOC 本设计针对 VOC 气体选用能够侦测 0.1ppm 以上的气体的空气质量 气体浓度传感器 MS1100 用于检测空气中的甲醛、苯、二甲苯

24、等检测空气中 的甲醛、苯、二甲苯等多种有机挥发成分，具有极高的灵敏度和稳定性，体 积小巧。实物如图 2-4 ，使用时的连接电路如图 2-5。 图 2-4 VOC 传感器实物图 图 2-5 VOC 传感器接线图 2.3.2 温湿度传感器 温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号 的设备或装置。温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。 鉴于测量温湿度的范围不大，精度要求不高故采用数字温湿度传感器 DHT11 。实物如图 2-6 。 图 2-6 DHT11 实物图 具有的特性：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

25、耗、4引脚安装、完全 互换。 DHT11 产品概述 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 DHT11 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

26、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。 应用领域 : 暖通空调、测试及检测设备、汽车、数据记录器、消费品、自动控制、 气象站、家电、湿度调节器、医疗、除湿器。 传感器信息见表 2-1 10 表 2-1 DHT11 传感器信息 型号 DHT1120 测量范围 90RH 0 50 测湿精度 5RH 测温精度 2 分辨力 1 封装 4 针单排直插 1、传 感器性能说明见表 2-2。 表 2-2 传感器性能说明 参数 条件 Min Typ Max 单位 湿度 分辨率 1 1 1

27、%RH 16 Bit 重复性 1 %RH 精度 25 4 %RH 0 50 5 %RH 互换性 可完全互换 量程范围 0 30 90 %RH 25 20 90 %RH 50 20 80 %RH 响应时间 1/e(63%)25 6 10 15 S ， 1m/s 空气 迟滞 1 %RH 长期稳定性 典型值 1 %RH/yr 温度 分辨率 1 1 1 16 16 16 Bit 重复性 1 精度 1 2 量程范围 0 50 响应时间 1/e(63%) 6 30 S 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 用合适的上拉电阻接线方式如图 2-7 11 图

28、 2-7 典型接线电路 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。 4、串行接口 （ 单线双向 ） 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，一次通讯时间 4ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面 说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零.操作流程如下： 一次完整的数据传输为 40bit ，高位先出。 数据格式： 8bit湿度整数数据 +8bit 湿度小数数据 +8bi温度整数数据

29、 +8bit 温度小数数据 +8bit 校验和 数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据 +8bit 湿度小数数据 +8bi温度整数数据 +8bit 温度小数数据”所得结果的末8位。 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。 （1） .通讯过程如图 2-8 所示 图

30、 2-8 通讯过程 12 DHT11 操作时序如图 2-9 ，总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待 响应 ,主机把总线拉低必须大于 18毫秒，保证 DHT11 能检测到起始信号 DHT11 接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低 电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待 20-40us 后，读取 DHT11 的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平 均可，总线由上拉电阻拉高。 图 2-9 操作时序 总线为低电平，说明 DHT11 发送响应信号， DHT11发送响应信号后，再 把总线拉高 80us，准备发送数据，每一 bit 数据都以

31、 50us低电平时隙开始，高 电平的长短定了数据位是 0还是 1。格式见下面图示，如果读取响应信号为高 电平，则 DHT11 没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一bit 数据传送 完毕后， DHT11 拉低总线 50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。 数字 0信号表示方法如图 2-10 所示 图 2-10 数字 0信号表示方法 13 数字 1信号表示方法如图 2-11 所示 图 2-11 数字 1信号表示方法 5、测量分辨率 8bit （温度）、 8bit （湿度） 测量分辨率分别为 6、电气特性如表 2-3 表 2-3 电气特性 参数 条件 min typ max 单位 供电

32、DC 3 5 5.5 V 测量 0.5 2.5 mA 供电电流 平均 0.2 1 mA 待机 100 150 uA 采样周期 秒 1 次 注 :采样周期间隔不得低于 1秒钟 7、应用信息 7.1工作与贮存条件 超出建议的工作范围可能导致高达3%RH 的临时性漂移信号。返回正常 工作条后，传感器会缓慢地向校准状态恢复。要加速恢复进程/ 可参阅 7.3小 节的“恢复处理” 。在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。 7.2暴露在化学物质中 电阻式湿度传感器的感应层会受到化学蒸汽的干扰，化学物质在感应层 中的扩散可能导致测量值漂移和灵敏度下降。在一个纯净的环境中，污染物 14质会缓慢地释放

33、出去。下文所述的恢复处理将加速实现这一过程。高浓度的 化学污染会导致传感器感应层的彻底损坏。 7.3恢复处理 置于极限工作条件下或化学蒸汽中的传感器，通过如下处理程序，可使 其恢复到校准时的状态。在 50-60 和70%RH的湿度条件下保持 5小时以上。 7.4温度影响 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 DHT11 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， DHT11 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

34、缝隙。 7.5光线 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。 7.6配线注意事项 ,推荐使用高质量屏蔽 DATA 信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量 线。 8、封装信息如图 2-12 ， 图 2-12 DHT11 封装图 9、DHT11 引脚说明见表 2-4。 15 表 2-4 引脚说明 Pin 名称 注释 1 VDD 供电 3 5.5VDC 2 DATA 串行数据，单总线 3 NC 空脚，请悬空 4 GND 接地，电源负极 本设计采用的为 DHT11 模块，原理图为图 2-13： 图 2-13 DHT11 模块接线图 2.4 模数转换电路设计 气体传感器出来的信号是模拟信号

35、，而微处理器 STC90C51 只能处理数 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 ADC0809 进行模数转换。其管脚定义如图 2-14 所示。 图 2-14 ADC0809 管脚示意图 16 ADC0809 各脚功能如表 2-5 ： 表 2-5 ADC0809 各脚功能 引脚 功能介绍 D7-D0 8 位数字量输出引脚 IN0-IN7 8 位模拟量输入引脚 VCC +5V 工作电压 REF（+） 参考电压正端 REF（-） 参考电压负端 START A/D 转换启动信号输入端 ALE

36、 地址锁存允许信号输入端 EOC 转换结束信号输出引脚， 开始转换时为低电平， 当转换 结束时为高电平 OE 输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK 时钟信号输入端（一般为 500KHz ）。 A、B、C 地址输入线 ADC0809 对输入模拟量要求：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。 ADC0809 的时序接口为 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

37、 ，一次 A/D 转换时间为 100S ADC0809 与单片机及 VOC 传感器的接线方式如图 2-15 ： 图 2-15 ADC0809 接线原理图 17 2.5 声光报警电路设计 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 2-16 由 2 个 发光二极管和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。其中 VOC 气体含量超标时 双灯闪烁蜂鸣器报警， 温度超标时 D1 灯亮蜂鸣器报警， 湿度超标时 D2 灯亮 蜂鸣器报警。 图 2-16 声光报警电路 2.6 液晶显示电路设计 本课题所要显示的数据一共有 6 个，分别是有毒气体的浓度和室内的温 度、湿度的范围和测量值， 故选用 2 行 16

38、 个字符的 LCD1602 作为显示模块， 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 LCD ，目前常用 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 2-17 ： 18 图2-17 1602 字符型液晶显示器实物图 2.6.1LCD1602 的基本参数及引脚功能 1602LCD 分为带背光和不带背光

39、两种， 基控制器大部分为 HD44780 ，带 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 2-18 所示： 1602LCD 主要技术参数： 显示容量： 16x2 个字符芯片 工作电压： 4.5V 5.5V 工作电流： 2.0Ma （5V） 模块儿最佳工作电压： 5.0V 字符尺寸： 2.95 4.35（WH）mm 引脚功能说明： 1602LCD 采用标准的 14脚（无背光）或 16 脚（有背光）接口，各引脚说明 如表 2-6 所示： 19 表 2-6 1602 引脚说明 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电

40、源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据 4 RS 数据 / 命令选择 12 D5 数据 5 R/W 读/写选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数据 7 D0 数据 15 BLA 背光源正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源负极 第 1 脚： VSS 为地电源。 第 2 脚： VDD 接 +5V 正电源。 第 3 脚： VL 为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：PS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄

41、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 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号， 当 RS 为高电平 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： D0D7 为八位双向数据线。 第 15 脚：背光源正极。 第 16 脚：背光源负极。 2.6.2LCD1602 的指令说明及时序 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如表 2-7 所示： 20 表 2-7 控制命令表 序

42、号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 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 DL N 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 9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址 10 写数到 CGRAM 或 DDR

43、AM 1 0 要写的数据内容 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 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

44、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。 21 指令 6：功能设置命令 DL ：高电平时为 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 5x7 的点阵字符， 高电平时显示 5x10 的点阵字符。 指令 7：字符发生器 RAM 地址设置。 指令 8： DDRAM 地址设置。 指令 9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，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

45、数据。 与 HD44780 相兼容的芯片时序如表 2-8 ： 表 2-8 基本操作时序表 读状态 输入 RS=L,R/W=H,E=H 输出 D0 D7= 状态字 写指令 输入 RS=L,R/W=L,D0 D7= 指令码 ,E= 高脉冲 输出 无 读数据 输入 RS=H,R/W=H,E=H 输出 D0 D7= 数据 写数据 输入 RS=H,R/W=L,D0 D7= 数据 ,E= 高脉冲 输出 无 读写操作时序如图 2-19 和 2-20 所示： 图 2-19 读操作时序 22 图 2-20 写操作时序 2.6.31602LCD 的 RAM 地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

46、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 2-21 是 1602 的内部 显示地址。 图 2-21 1602LCD 内部显示地址 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D7 恒定 为高电平 1 所以实际写入的数据应该是： 01000000B (40H )+10000000B(80H)=11000000B(C0H) 。 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。 23

47、 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ CGROM ）已经存储了 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 2.6.4LCD1602 的一般初始化过程 延时 15mS 写指令 38H （不检测忙信号） 延时 5mS 写指令 38H （不检测忙信号） 延时 5mS 写指令 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 0CH ：显示开及光标设置

48、 LCD1602 的具体接线路图如图 2-22 所示。 图 2-22 LCD1602 接线电路图 24 2.7 按键电路设计 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 2-23 ，实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 2-23 按键电路 本设计采用集成稳压器 2.8

49、 电路电源设计 7805， C29 、 C30 分别为输入端和输出端滤波 电容， D1 为续流二极管 当输出电流较大时， 7805 应配上散热板 电源 电路如图 2-24 所示： 图 2-24 电源电路 25 2.9 本章小结 本章首先介绍了便携式室内空气质量监测仪的硬件结构以及系统功能， 该仪器以 8 位单片机 STC90C51 作为控制核心，设计并构建了系统的硬件平 台，完成了有毒气体浓度信号的采集转换电路、液晶显示电路、声光报警电 路等的设计。该仪器能够实现有毒气体浓度信号和温湿度信号采集与显示及 超标声光报警等功能。本章重点介绍了信号采集模拟电路和以主控制器为中 心的数字电路的设计与工

50、作原理。首先讨论了有毒气体采集模块中传感器选 择问题，最后讨论了系统的外围接口电路模块，包括液晶显示,声光报警等， 实现了各外围接口电路模块与 STC90C51 的硬件接口设计。 这一章比较具体的说明了系统硬件设计的内容， 通过模块化的设计思想， 把一个复杂的单片机系统按照功能划分成一个个单独的电路模型，分别进行 设计，最后在集成到一起。这种方法对于设计复杂的单片机系统很有效。大 大提高系统设计的效率与质量。 (说明： 系统硬件设计的电路原理图附在论文 的附录里面。 ) 26 第 3 章 空气质量检测仪的软件设计 3.1 系统软件设计思路 3.1.1 编程语言的选择 在系统硬件电路确定以后，其

51、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： 1. 可靠性。可靠性是软件设计的重要指标，具有较强的抗干扰能力。 2. 易理解性、易维护性。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。 3. 实时性。系统能够及时响应外部事件的发生并能及时做出处理结果。 4. 准确性。保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、 PL/M51 语言、 C 语言和 BASI 语言。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

52、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 C 语言和汇编语言的优缺点，本系统采用C 语言编写方 法。 3.1.2 软件功能需求 室内空气质量检测仪系统软件主要由温湿传感器采集模块、 AD 转换模 块、人机接口模块、声光报警模块、核心控制器模块构成，各模块功能概述 如表 3-1 所示。 27 表 3-1 各功能模块功能描述

53、功能模块 功能描述 温湿传感器采集模块 对室内温湿度测点进行实时监测 AD 转换模块 1.完成信号采样 2.完成与核心处理器间的数据传输 核心控制器模块 1.系统时基分配 2.人机接口控制 3.各模块协调工作 人机接口模块 1.按键控制 2.动态信息显示 根据软件设计的基本要求 ,采取了如下的措施 1. 程序模块化。软件设计中包含有：主程序模块、显示模块、DHT11 传 感器检测函数、 A/D 数据转换子模块、声光报警模块、数据转换模块、按键 函数。 2. 软件设计采用 C 语言编程。 3. 中断响应外部事件，提高了系统的实时处理事件能力。 4. 软、硬件抗干扰。软件抗干扰措施提高了系统的可靠

54、性。 以下就对一些主要模块进行详细的阐述。 3.2 软件模块设计 3.2.1 主程序模块 主程序运行流程图如图 3-1 所示。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、 送液晶进行显示及报警功能。程序开始时，对系统进行初始化，包括单片机 的各寄存器、 RAM 、定时器装载初值、中断设置及各模块初始化等。完成初 始化后， CPU 等待传感器传入信号及 AD 转换结束，从而完成当前监测参数 的正确显示。 28 图 3-1 主程序流程图 29 3.2.2AD 转换模块 AD 完成转换需要一定的时间， AD 应用中我们可以有两种方法来：

55、1.中断查询法， AD 完成模数转换后会向中断输出端输出一个中断请求信号， 告诉 CPU 转换已经完成， CPU 可以读取数据。 2.延时等待法，设定一定的时间让CPU 处于等待状态，此时间足够 AD 完成 转换，过了等待时间 CPU 再去读取数据。 综合考虑各方面的因素，本研究采用第一种方法：延时等待法。所用的芯片 为 AD0809 ，根据所需的要求。 3.2.3 液晶显示模块 本设计所用的显示器件为 1602 液晶面板，该液晶能显示 32 个字符，满 足显示要求。 1602 液晶与 CPU 是并口通信，由单片机的 P2.5、 P2.6、P2.7 引脚来控制 1602 的读写数据命令功能，单

56、片机 P0 口传输数据到 1602 进行 显示。 系统上电 LCD 初始化， 液晶显示首先需要要按照时序给定显示地址， 然 后传送数据。上电后液晶显示开始循环显示三个被测量的范围和测量结果。 3.2.4 声光报警模块 声音报警采用的是蜂鸣器，光报警是通过 6 个发光二极管来显示， 3 个 绿色和三个红色的，当毒气含量没超标时显示绿色，超标时显示红色并启动 蜂鸣器，报警子程序执行之前，设定的报警阈值存放在两个变量中，传感器 输入 AD 转换值后，调用比较程序，小于阈值则执行显示程序，若大于阈值 进行声光报警。 。 3.2.5 按键模块 本设计设定按键功能为调整测量数据的安全范围并可进行手动和自动

57、的 切换考虑到实现按键功能所用按键数目不多及单片机引脚数量决定选用五个 独立式按键，其中设定键用于进入和退出上下限的调整，上下左右四个键在 设定键被按下的情况下可以对数值进行调整；同时，当设定键未按下且上调 键被按下时进入上调键的第二功能，实现用户手动控制和自动控制的切换。 已满足用户对环境条件检测要求的不同，实现良好的人机交流。 30 3.3 本章小结 在这一章里对室内便携式只能空气品质监测仪的软件设计进行了较详细 的介绍。软件采用了模块化设计的思路，以单片机高级语言 C51 编程。在本 章开始给出了主程序结构流程图，然后分别对各个子模块的软件流程进行介 绍。（说明：程序见附录二） 31 第

58、 4 章 仿真调试 4.1 系统硬件调试 4.1.1 常见的硬件故障 (1) 逻辑错误：硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所 造成的，主要包括：错线、开路、短路等，其中短路最为常见，在印刷电路板布 线密度高的情况下，极易因工艺原因造成短路。 (2) 器件失效：元器件失效主要是因为器件本身已损坏或性能不符合要求，或 者是由于组装错误造成的元器件失效，如电解电容、二极管的极性错误，集成块 安装方向错误等。 (3) 可靠性差：系统不可靠可能受多种因素影响，如金属化孔、接插件接触不 良会造成系统时好时坏；内部和外部的干扰、器件负载过大等造成逻辑电平不稳 定；另外，走线和布局的不合理等

59、也是系统可靠性差的重要因素之一。 (4) 电源故障：若系统中存在电源故障，则加电后将造成器件损坏。 4.1.2硬件调试方法 拿到印刷电路板后，用万用表直接检查线路板各处是否有明显短路、断路的 地方，尤其是电源是否短路。接着，焊接各元器件及插座，在焊接过程中要对各 元件做逐一检查，比如二极管极性、电容容量及耐压、电阻值大小等。在插座、 元件焊接完毕后，仔细检查元件面各元件之间裸露部分有无相互接触现象，焊接 面的各焊点间、焊点和近邻线有无连接。最后，再给电路板空载上电 (未插芯片 )， 检查线路板各管脚及插件上的电位是否正确，特别是单片机管脚上的各点电压。 若上述的一切都正常，则硬件调试的准备工作

60、完成。 硬件实物如图 4-1 。 32 图 4-1 硬件实物图 4.2 系统软件调试 对系统软件编写完成之后，可以利用 Keil C51 仿真软件进行仿真运行调试， 其调试界面如图 4-2 所示。 图4-2 KeilC51 软件调试截面图 在具体的调试过程中，采取以下方法进行调试：在 Keil C51 编译环境中编写、 编译软件模块，进行软件仿真调试，对功能模块的软件仿真。通过Keil C51 的调 试窗口观察各个寄存器、变量以及并行口输出的结果，监测软件模块运行的状态， 在调试过程中不断地调整修改系统的软件程序，使系统实现预定功能。 调试过程中单步运行和断点运行调试只能验证程序正确与否，而不