基于单片机的室内环境监测系统设计

1、装订线安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书摘 要 目前，随着生活水平的提高，人们对室内居住环境的舒适度要求越来越高，住宅和居室是人们生活的重要物质条件,是人们生活、家庭团聚的场所，但随着装修材料大量使用和生活用品的日益广泛，家居环境隐患重重。不仅表现在室内温湿度的影响上，也体现在室内有害气体浓度的大小上。在室内装修之后，甲醛浓度的监测受到人们关注，中国环境保护协会有关数据统计表明，每年因室内环境污染患病或死亡的人数例已引起专家们的注意，室内环境污染已经成为严重影响现代人类健康的杀手之一。在市场也有对室内环境的监测仪器，主要针对的是有害气体检测，功能单一，而且价格较贵，根据市场调查非常需

2、要家用室内温湿度和室内有害气体的综合检测系统。把传感器技术应用与单片机控制技术相结合，实现了对环境温湿度、可燃气浓度和甲醛浓度的采集和读取。利用led数码管显示技术完成了环境温度、湿度及显示电路的设计。外接了蜂鸣器报警模块，在超过设定燃气浓度上限时自动报警。关键词：单片机，温湿度监测，室内环境系统。abstractnow,with the improvement of living standards,people on the indoor comfort of the living environment have become increasingly demanding,housing

3、 and living room is an important material conditions of life,people,family reunion sites,but with the extensive use of decoration materials and daily necessities of an increasingly wide range of home environment breaches.not only in indoor temperature and humidity,but also reflected the concentratio

4、n of harmful gases in the room size.in the interior,the formaldehyde concentration monitoring of peoples attention，china environmental protection association,the statistics show that，each year due to illness or death of indoor environmental pollution has caused the proportion of the attention of the

5、 experts,indoor pollution has become a serious impact on the killer of one of the modern human health.market but also on the indoor environment monitoring instruments,mainly for the hazardous gas detection,single function,and higher prices,according to market research is needed household indoor temp

6、erature and technology humidity and indoor harmful gas integrated detection system.the sensor and mcu control technology,to achieve the environmental temperature and humidity,gas concentration and the concentration of formaldehyde in the collection and reading.the use of led display technology to co

7、mplete the environmental temperature,humidity and display circuit design.add a buzzer alarm modules,gas concentrations in excess of the limit set alarm.light-emitting diode for temperature and humidity and gas concentration limit alarm.key words：single-chip microcomputer,monitoring of temperature an

8、d humidity, indoor environment.目录第1章绪论1 1.1 设计背景及意义1 1.2 室内环境监测系统现状2 1.3 设计目的及内容3第2章 系统设计方案42.1 设计要求42.1.1 硬件设计要求42.1.2 功能要求5第3章 硬件电路选型63.1 cpu模块63.1.1 芯片管脚连接63.1.2 芯片管脚说明63.1.3 晶振和复位电路113.2 气体传感器与模数转换模块123.2.1 气敏传感器的特点和使用123.2.2 气敏传感器的连接143.3 温度湿度传感器模块设计153.3.1 sht11温湿度简介153.3.2 sht11的引脚功能163.3.3 s

9、ht11的内部结构和工作原理163.3.4 sht11应用与连接电路173.3.5 温度和湿度值的计算183.4 lcd显示模块设计193.4.1 lcd特点193.4.2 lcd的管脚213.4.3 lcd的连接电路213.5 按键电路块223.6 报警电路模块设计23第4章 软件设计244.1 软件系统设计244.2 主程序设计254.3 lcd1602显示模块程序设计264.4 sht11温湿度测量模块程序设计274.5 系统程序设计27结论28谢 辞29参考文献30iv第1章 绪论1.1 设计背景及意义随着人们生活水平的提高，人们对居住环境的要求越来越高，家居环境中尤为受到人们关注的是

10、有害气体的污染、温湿度控制等。有关专家介绍，天然气主要成分为甲烷气，同时含有少量的乙烷、丙烷、丁烷等烷烃，还含有二氧化碳、氧、氮、硫化氢、水分等。天然气一般无色，比空气轻，本身无毒，如果含有硫化氢，则对人们有毒害性；当空气中的浓度达到25%时，可导致人体缺氧而造成神经系统损害，严重时可表现呼吸麻痹、昏迷、甚至死亡。甲醛是一种破坏生物细胞蛋白质的原生质毒物，会对人的皮肤、呼吸道及内脏造成损害，麻醉人的中枢神经，可引起肺水肿、肝昏迷、肾衰竭等。世界卫生组织确认为致畸、致癌物质，是变态反应源，长期接触将导致基因突变，目前甲醛污染问题主要集中于居室、纺织品和食品中，居室装饰材料和家具中的胶合板、纤维板

11、、刨花板等人造板中含有大量以甲醛为主的脲醛树脂，各类油漆、涂料中都含有甲醛。温、湿度在不同季节的变化都会影响到人们的健康。研究结果表明：人体最适宜的健康温度为18-24，健康湿度为45-65rh，在这种环境下人体感觉最舒适。而当空气湿度低于45rh的时候，人鼻部和肺部呼吸道黏膜上的纤毛运动减缓，灰尘、细菌等容易附着在黏膜上，使流感病毒和能引发感染的革兰氏阳性菌的繁殖速度加快，引发其他疾病。当空气湿度大于65rh，人体中的松果激素量也较大，使得体内甲状腺素及肾上腺素的浓度相对降低，人就会感到无精打采，萎靡不振。长时间在湿度较大的地方工作、生活，还容易患风湿性、类风湿性关节炎等湿痹症，最终导致人体

12、的免疫力下降。2003年3月由国家环保总局、卫生部、国家质量监督检验总局共同制定并发布的我国第一部“室内空气质量标准”,指出室内污染对人们健康的重要影响，同时也表明国家对室内空气污染的高度重视。这个“标准”的颁布不仅使室内空气污染问题引起社会的广泛关注，也给室内环境的监测仪器仪表带来巨大的市场和商机。可见,对室内环境监测仪的研究具有重要的意义。1.2 室内环境监测系统现状 早在400多年前，意大利科学家伽利略用一只一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡构成早期的温度计,先给玻璃泡加热，再把玻璃管插入水中。玻璃管中的水面随着温度的变化上下移动，温度的变化和温度的高低可以根据水面上下移动的多少

13、判定。后来法国人布利奥在伽利略制造的温度计基础上，把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，形成了现在温度计的雏形。它的优点是结构简单、使用方便和价格低廉,缺点是测量上下限和精度受玻璃质量与测温介质的性质限制,而且所测数据不能远传，温度计也易碎。目前，家庭常用的去除甲醛方法就是采用活性炭，活性炭是一种有很大表面积的细小炭粒，炭粒中还有被称为毛细管的更细小的孔，这种毛细管具有很强的吸附能力，因为于炭粒的表面积很大，所以在与气体充分接触时，这些气体被毛细管吸附，起净化空气的作用。在制造这种活性炭时，要使其具有与室内有害气体分子大小相匹配的孔隙结构，能有效地清除室内环境对人体有害的污染气体，如甲醛、

14、苯系物、氨、氡等。使用时将活性炭吸附包，直接放置在居室中需要净化空气的任意位置。使用活性炭的缺点，其吸附空气中有害物质必须靠空气作为媒介，但室内的空气流动性较差，活性炭在短时间内难以吸附到距离较远空气中的有害物质，因此使用空间范围小，而且活性炭内的孔隙有限，使用一段时间后会饱和，因此一定要定期爆晒，使活性炭内分子扩散。随着电子技术的发展，市场上出现各种室内环境测量仪器，包括数字式的温湿度计、甲醛测量仪等。国外早在20世纪80年代就开始对温湿度控制技术进行研究，其采用模拟式的组合仪表，采集温湿度信息并进行指示、记录以及控制。现在国外温湿度控制技术发展很快，正向着完全自动化、无人化的方向发展。我国

15、对于温湿度控制技术的起步较晚，我国工程技术人员在发达国家温湿度控制技术的基础上研究微机控制温湿度技术，这种技术仅限于温度、湿度和co2浓度等单一种类环境因素的控制。在检测有害气体方面，英国tsl公司生产的ppm40otm甲醛检测仪、德国生产的tg2000系列固定式有害气体检测仪、国内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xp一308、长春吉打小天鹅有限公司生产的全自动室内空气甲醛、氨测定仪等，这些仪器可检测甲醛等有害气体，但这些装置更适用于专业的检测部门，不能在家庭中普遍应用。综上，对室内温湿度和室内有害气体的综合检测系统的研究，具有重要意义

16、及实用价值。尤其在90年代后，以单片机为核心的微芯片技术迅速发展，仪器仪表采用单片机控制后朝数字化、智能化、微型化方向发展，且功能电子或数字电路更加强大，在系统中采用单片机技术可将测量结果显示在led数码管上，并与预设值比较进行报警,这种方式在很大程度上提高了工作效率。1.3 设计目的及内容 本设计最终目的是实现一个家用集有害气体、温度和湿度为一体的多功能监测系统，要求其精度高，适用于家庭、综合办公楼等室内监测。具有操作简便、成本低的特点。通过充分的调研、综合分析、比较各种测量方法以及各种改善室内空气质量的方法，本设计以单片机最小系统为核心，采用数码管显示及声光报警系统，将室内环境测量和控制有

17、机的结合起来10。主要完成的设计内容如下:（1）主控制器模块，采用stc89c52单片机作为主控单元。（2）温湿度监测模块，它使用传感器sht11采集温湿度数据。（3）气体浓度监测模块，使用mq211传感器。（4）报警模块，采用蜂鸣器来进行报警处理。（5）显示模块，采用数码管显示模块显示测量值。 第2章 系统设计方案2.1 设计要求设计原则:要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。 （1）可靠性高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑:使用可靠性高的元器件;设计电路板时布线和接地要合理;对

18、供电电源采用抗干扰措施;输入输出通道抗干扰措施;进行软硬件滤；系统自诊断功能等。（2）操作维护方便在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。（3）性价比单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用

19、软件功能取代硬件功能等。设计要具备以下功能：温度监控：(1）利用温度传感器将检测到的数据传给单片机并显示。 (2）通过键盘设置温度上下限，超过上限或低于下限后报警。湿度监测：利用湿度传感器将检测到的数据传给单片机并显示。甲醛浓度监控：(1）利用气敏传感器检测甲醛浓度传给单片机。 (2）通过键盘设置浓度上限，超过上限后报警。2.1.1 硬件设计要求 在室内环境监测硬件设计上，由单片机（stc89c52）控制整个系统的运作、mq211气敏传感器模块实现监测室内可燃气体功能、sht11温湿度传感器模块实现检测室内的温度和湿度功能、按键模块实现设置报警上限功能、lcd液晶模块实现显示功能、蜂鸣器实现报

20、警功能4。这六大模块组成的原理图来实现家庭环境检测系统的各项功能。在该设计中，选用了stc89c52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。温湿度测量方面选用瑞士sht11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，气敏传感器使用多气体测量传感器mq211,其具有多种可燃气体的测试功能，简单高效。a/d转换模块选用adc08312，具有接口电路简单，成本低等优点，能够满足该设计的设计。环境监测系统硬件结构图如图2.1：图2.1系统硬件结构图与传统

21、监测系统相比，本系统具有以下优点: （1）传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度。 （2）增加了辅助存储功能， 利于其与其他设备的连接共享环境参数信息。 （3）单片机的设计提高了系统的监测速度，系统的可靠性、实时性都有很大提高。 （4）超限报警，设置简单。2.1.2 功能要求 在上述硬件基础之上，编写系统程序，实现以下几项功能： （1）通电时蜂鸣器响一声，lcd液晶显示室内温度、湿度、可燃气体浓度状态。 （2）当室内温度大于设定的温度、湿度（例如温度28度、湿度80%）、检测到可燃气体超标时，蜂鸣器报警。 （3）当第一次按设置按键：温度值闪烁，这时可以通过按“+”或者“-”按键设定温度上

22、限值，4秒钟无键按下停止闪烁，按“+”或“-”设置温度下限值；第二次按设置按键：湿度值闪烁，这时可以通过按“+”或者“-”设置湿度上限值，4秒钟无键按下停止闪烁，按“+”或“-”设置湿度下限值；第三次按设置按键，退出设置状态 第3章 硬件电路选型3.1 cpu模块在该室内环境监测系统中选用stc89c52单片机作为主控芯片，实现系统设计要求的各项功能。在该设计中其为系统的核心部分，stc系列单片机是基于at89c51系列单片机内核位核心单元，封装时加入了看门狗电路和串口程序烧录的功能，使用更加方便。3.1.1 芯片管脚连接在该设计电路中，用单片机i/o口中的p0口作为lcd液晶屏的数据口，采用

23、并口数据传输模式，p2口中的p2.0、p2.1、p2.2作为控制信号输出口，分别接lcd的rs、r/w、e控制端；p2.3和p2.4分别接温湿度传感器sht11的sck和data，p2.5、p2.6、p2.7接按键电路。p1口的p1.0、p1.1、p1.2分别接adc0831的控制端，p1.4接报警的蜂鸣器5。3.1.2 芯片管脚说明vcc ：电源。gnd: 接地。p0口： p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电平。对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，p0具有内部上拉电

24、阻。在flash编程时，p0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。p1口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个ttl 逻辑电平。对p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。此外，p1.0和p1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（p1.0/t2）和时器/计数器2的触发输入（p1.1/t2ex），具体如下表3-1所示。在flash编程和校验时，p1口接收低8位地址字节。p2口：p2 口是一个具有内部上拉电

25、阻的8 位双向i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个ttl 逻辑电平。对p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电（iil）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行movx dptr）时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如movx ri）访问外部数据存储器时，p2口输出p2锁存器的内容。在flash编程和校验时，p2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。表3.1 p3口第二功能表3.2 p1口第二功能引脚号第二功能p1.0t2

26、（定时器/计数器t2的外部计数输入），时钟输出p1.1t2ex（定时器/计数器t2的捕捉/重载触发信号和方向控制）p1.5mosi（在系统编程用）p1.6miso（在系统编程用）p1.7sck（在系统编程用）引脚号第二功能p3.0rxd（串行输入）p3.1txd（串行输出）p3.2 (外部中断0)p3.3 (外部中断1)p3.4t0（定时器0外部输入）p3.5t1定时器1外部输入）p3.6 (外部数据存储器写选通)p3.7 (外部数据存储器写选通) p3口：p3 口是一个有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个ttl 逻辑电平。对p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端

27、口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。p3口亦作为at89s52特殊功能（第二功能）使用，如3-2表所示。在flash编程和校验时，p3口也接收一些控制信号。rst：复位输入。晶振工作时，rst脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，rst 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器auxr(地址8eh)上的disrto位可以使此功能无效。disrto默认状态下，复位高电平有效。ale/：地址锁存控制信号（ale）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚()也用作编程输

28、入脉冲。在一般情况下，ale 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ale脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8eh的sfr的第0位置 “1”，ale操作将无效。这一位置 “1”，ale 仅在执行movx 或movc指令时有效。否则，ale 将被微弱拉高。这个ale 使能标志位（地址为8eh的sfr的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。：外部程序存储器选通信号。当at89s52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。/vpp：访问外部程序存储器控制信号。为

29、使能从0000h 到ffffh的外部程序存储器读取指令，必须接gnd。为了执行内部程序指令，应该接vcc。在flash编程期间，也接收12伏vpp电压。 xtal1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 xtal2：振荡器反相放大器的输出端。程序存储器如果引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89c52，如果 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at89s51 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

30、。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）。例如，下面的直接寻址指令访问0a0h（p2口）存储单元mov 0a0h , #data。使用间接寻址方式访问高128 字节ram。例如，下面的间接寻址方式中，r0 内容为0a0h，访问的是地址0a0h的寄存器，而不是p2口（它的地址也是0a0h）。mov r0 , #data。堆栈操作也是简介寻址方式。因此，高128字节数据ram也可用于堆栈空间1。看门狗定时器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

31、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，户用必须往wdtrst 寄存器（地址：0a6h）中依次写入01eh 和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引脚一个高个电平输出。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。

32、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，wdidle0，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。定时器0和定时器1在at8

33、9s51 中，定时器0 和定时器1 的操作与at89c51 和at89c52 一样。定时器2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3.2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3-3 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3.3 定时器2工作模式rclk +tclkcp/t

34、r2mode00116位自动重载01116位捕捉1x1波特率发生器xx0（不用） 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。中断at89c51 有6个中断源：两个外部中断（ 和），三个定时中断（定

35、时器0、1、2）和一个串行中断。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。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

36、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。晶振特性at89c51 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，xtal1 和xtal2 分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟源驱动器件的话，xtal2 可以不接，而从xtal1 接入。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。掉电模式在掉电模式下，晶振停止工作，激活掉电模式的指令是最后一条执行指令。片上ram

37、和特殊功能寄存器保持原值，直到掉电模式终止。掉电模式可以通过硬件复位和外部中断退出。复位重新定义了sfr 的值，但不改变片上ram 的值。在vcc未恢复到正常工作电压时，硬件复位不能无效，并且应保持足够长的时间以使晶振重新工作和初始化。空闲模式在空闲工作模式下，cpu 处于睡眠状态，而所有片上外部设备保持激活状态。这种状态可以通过软件产生。在这种状态下，片上ram和特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可以被任一个中断或硬件复位终止。由硬件复位终止空闲模式只需两个机器周期有效复位信号，在这种情况下，片上硬件禁止访问内部ram，而可以访问端口引脚。空闲模式被硬件复位终止后，为了防止预想不到的写端

38、口，激活空闲模式的那一条指令的下一条指令不应该是写端口或外部存储器。图3.1 stc89c52管脚分布图3.1.3 晶振和复位电路 时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准。复位对单片机来说，是程序还没有开始执行，是在做准备工作。晶振电路和复位电路见图3.2 图3.2晶振电路和复位电路3.2 气体传感器与模数转换模块在该设计中，为了实现家庭环境检测系统中可以检测到室内的可燃气体，所以使用了mq211气敏传感器来实现这个功能。1. 检测原理 可燃性气体(h2、co、ch4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电

39、阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(r)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。 2. 接触燃烧式气敏元件的结构 用高纯的铂丝绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值(12),一般应绕1

40、0圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理,使在氧化铝(氧化铝一氧化硅)载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上, 直接烧成后备用。另外，作为补偿元件的铂线圈, 其尺寸、阻值均应与检测元件相同。并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,形成触媒层而已。 3.2.1 气敏传感器的特点和使用1. mq211型气敏

41、元件特点：这是一种通用性较强的气敏元件，气敏传感器的敏感元件是气敏电阻器，气敏电阻器的阻值随吸附气体的浓度变化而变化，利用这一特性检测气体浓度。适用于一般可燃气体（如氢气、液化石油气、煤气、一氧化碳、烷烃类等及酒精、乙醚、汽油、烟雾等有害气体的检测，是制作换气扇、脱排油烟机自动开关、气体报警器，防止环境污染的理想气体敏感器件）。mq211气敏传感器管脚排列如图3.3所示：图3.3 mq211管脚分布图aa两脚短接，构成测量极一端。bb两脚短接，构成测量极另一端。ff加热丝。 2. mq型气敏器件的使用注意事项如下： （1）器件开始工作时需加热几分钟后方可正常工作。 （2）加热电压5v是对丁烷气

42、选择的最佳加热电压，测量其他气体时，为获得r2上最大电压降，可按允许工作条件重新选择。 （3）回路电压根据电路要求允许范围办任意调节。 （4）避免油浸各油垢污染，长期使用要防止灰尘堵住不锈钢网。 （5）不要长期在腐蚀性气氛下工作。 （6）长期停止使用要放置在干燥无腐蚀性气体的环境中。3. mq211型气敏元件技术参数如表3.4表3.4 mq211型气敏元件技术参数注: 1）r0元件在清洁空气中的阻值；2）rs1000元件在1000ppm丁烷气中的动态阻值； 3）rs3000元件在3000ppm丁烷气中的动态阻值； 4）vc测试电压，vh加热电压 在该设计中选用b型传感器。3.2.2 气敏传感器

43、的连接气敏传感器的连接方法如图3-4所示，mq211气敏传感器的1号脚接5v电源， 3号脚经r12（起分压作用）接地线。 6号脚经r13电阻接到adc0831的数据采集端vin（+）上，该脚具备adc功能。r14电阻起到分压作用。aa两脚短接，构成测量极一端bb两脚短接，构成测量极另一端ff加热图 3.4 气敏传感器的连接adc0831简介： 图3.5 adc0831 图3-6 adc0831时序图1、cs:片选2、正输入端3、vref:负输入端4、gnd:地5、参考电压输入端6、do:串行数据输出端7、clk：时钟输入脚8、vcc:电源3.3 温度湿度传感器模块设计3.3.1 sht11温湿

44、度简介 sht11是瑞士scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。共主要特点如下：1) 高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、a/d转换和加热器等功能集成到一个芯片上； 2)提供二线数字串行接口sck和data，接口简单，支持crc传输校验，传输可靠性高； 3)测量精度可编程调节，内置a/d转换器(分辨率为812位，可以通过对芯片内部寄存器编程来选择)； 4)测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能； 5)封装尺寸超小(7.62mm5.08mm2.5mm)，测量和通信结束

45、后，自动转入低功耗模式； 6)高可靠性，采用cmosens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。3.3.2 sht11的引脚功能sht11温湿度传感器采用smd(lcc)表面贴片封装形式，接口非常简单引脚名称及排列顺序如图3.7所示 图3.7 sht11引脚(1)脚1和脚4-信号地和电源，其工作电压范围是2.45.5 v； (2)脚2和脚3-二线串行数字接口，其中data为数据线，sck为时钟线； (3)脚58-未连接。3.3.3 sht11的内部结构和工作原理 传感器sht11将温度感测、湿度感测、信号变换、a/d转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图3.8所示。该芯片包括一个电容

46、性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的a/d转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号8。sht11在出厂前，都会在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。此外，sht11内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将sht11的温度升高5左右，同时功耗也会有所增加12。此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。在高湿(95rh)环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响

47、应时间，提高精度。加热后sht11温度升高, 相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。校准寄存器温度传感器运放二线串 接口和crc校验a/d转换器湿度传感器图3.8 温湿度传感器内部结构微处理器是通过二线串行数字接口与sht11进行通信的。通信协议与通用的i2c总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器i/o口模拟该通信时序3。微处理器对sht11的控制是通过5个5位命令代码来实现的，命令代码的含义如表3.5所列 表3.5温湿度传感器指令代码 3.3.4 sht11应用与连接电路微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片sht11进行通信，所以硬件接门设计非常简单；然而，通信协议是芯片厂

48、家自己定义的，所以在软件设计中，需要用微处理器通用i/o口模拟通信协议6。需要注意的地方是：data数据线需要外接上拉电阻，时钟线sck用于微处理器和sht11之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对sck最低频率没有要求；当工作电压高于4.5v时，sck频率最高为10mhz，而当工作电压低于4.5v时，sck最高频率则为1mhz。硬件连接如图3.9所示:图3.9硬件连接3.3.5 温度和湿度值的计算1. 湿度线性补偿和温度补偿sht11可通过data数据总线直接输出数字量湿度值。该湿度值称为相对湿度，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。由于相对湿度数字输出特性呈一定

49、的非线性，因此为了补偿湿度传感器的非线性，可按下式修正湿度值： 式中：rhlinear为经过线性补偿后的湿度值，sorh为相对湿度测量值，c1、c2、c3为线性补偿系数，取值如表3-6所列。由于温度对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度25有所不同，所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要13。补偿公式如下： (1-1)表3.6 度线性补偿系数12位-40.0405-2.88位-40.6480-2.82. 温度值输出由于sht11是采用ptat能隙材料制成的温度敏感元件，因而具有很好的线性输出。实际温度值可由下式算得： temperature=d1+d2sot (1-2)式中：d1

50、和d2为特定系数，d1的取值与sht11工作电压有关，d2的取值则与sht11内部a/d转换器采用的分辨率有关9，其对应关系分别如表3.7所列表3.7与工作电压的对于关系 vd0/vd1/ cd1/ f540-404-39.75-39.53.5-39.65-39.35339.639.282.539.5539.233.4 lcd显示模块设计在该设计中,lcd要显示温度、湿度、可燃气体是否超标的功能。所以使用了一块行列点阵数为128*64, 每行可以显示8个字符，共显示2行字的lcd。该lcd的型号为st7920系列。3.4.1 lcd特点 1.lcd工作条件： （1）逻辑工作电压(vdd)：4.

51、55.5v （2）电源地(gnd)：0v （3）工作温度(ta)：060(常温) 2.外形尺寸如表3.8：表3.8 外形尺寸3.st7920系列产品硬件特性如下： （1）提供8位，4位并行接口及串行接口可选 （2）并行接口适配m6800时序 （3）自动电源启动复位功能 （4）内部自建振荡源 （5）64*16位半宽字符显示最多16字符*4行，lcd显示范围(16*2 行） （6）2m位中文字型rom（cgrom），总共8192个中文字型（16*16点阵） （7）16k位半宽字型rom（hcgrom），总共126个西文字型（16*8点阵） （8）64*16位字符产生（cgrom） （9）15*16位总共240点的icon ram (iconram) 4.中文字库选择： st79200a内建big5码繁体中文字型库 st79200b内建gb码简体中文字型库 5.电气特性：（测试条件ta=25,vdd=5.0+10%） （1）输入高电平（v i h）： 0.7vddvdd （2）输入低电平（v i l）： 0.6vmax （3）输出高电平（v o h）：0.8vddvdd （4）输出低电平（v o l）：0.4vmax （5）模块工作电流： 1.141.18ma(不含背光) （6）测白光工作电流： 6.psb电路： psb接高