基于单片机的室内环境监测系统设计和实现论文设计

1、摘要近年来，随着人们生活水平的提高，智能家居逐渐开始占据人们的生活视野，例如智能车库、智能家居机器人、智能家具电器等。智能化的设备确实使生活更轻松更便捷，它解放了人力物力，还节省了财力。但是，目前大多数国家的智能化家居系统还不完善，很多智能家居设备还不能保证居住环境的健康和安全。本课题正是弥补目前智能家居在这方面的不足。本课题设计的室内环境监测系统，以单片机为核心采用2个zigbee模块自组网，使用cc2530处理器控制传感器采集温湿度和烟雾浓度，通过zigbee模块把采集到的数据传输到协调器上。可以直观的了解到室内环境的状态，实现对室内环境监测的设计与实现。关键词：DTH11模块；烟雾浓度模

2、块；zigbee模块目录1 前言11.1课题的研究背景11.2 国内外研究现状及意义12系统的设计方案22.1总体设计方案22.2 控制设计33硬件设计33.1 控制系统的选型33.2模块电路43.2.1 系统单片机核心电路43.2.2 系统的晶振电路53.2.3 复位电路设计53.2.4 呼吸灯原理63.2.5 电源电路设计63.2.6烟雾检测模块63.2.7 LED12864显示模块73.2.8实物整体电路74软件设计84.1 软件开发环境84.2 程序设计104.3 程序烧写115 系统的调试115.1 硬件调试125.1.1 电路模块功能调试125.1.2 无线距离测试126 结论12

3、参考文献131 前言1.1课题的研究背景21世纪是数字时代，智能化设备逐渐普及。随着世界经济的飞速发展，突然兴起的智能化行业也在突飞猛进。提供了方便快捷的同时，大大节省了人力物力。这些都是智能化发展造就良好结果。特别是近年智能家居的发展给到人们与传统生活起居方式不同的体验。家里的各种智能设备可以隔空控制，一个口令就能控制家里的电器。生活获得了极大的便利。在生活越来越智能、方便的同时，人们把目光投向了居住环境的安全健康，居住环境状态直接影响到住户的舒适性甚至是身体健康。以往的智能家居系统大多忽略了健康和安全。其实物联网技术不仅能在家具家电的智能化方面应用广泛，在家居安防领域也很实用。2018年3

4、月，深圳一场智能安防会，将智能安防系统推上了热潮。保障安全健康智能的系统的问题第一次在此峰会上被提出来。人们意识到未来的社会，一定是智能安防系统给予我们安全的环境生活。而科技需要一步一步的发展，着眼当前，一个能实时监控到室内环境、能及时发现火灾类危险的设备对人们来说是及其重要的。本课题设计的室内环境监测系统正好能弥补以往智能家居在安全性方面的欠缺，让人们能实时掌握居住环境的温湿度及有无烟雾，能够顾及使用者舒适和安全。1.2 国内外研究现状及意义智能化住宅的发展一直是社会上所讨论的一个热点话题。比尔盖茨曾经提出过关于他对未来住宅的设想，他预言了智能化家居的发展趋势。截止2019年，新加坡已经存在

5、有8500所智能化住宅。同样的，国内也在智能化住宅上投资了很多资金做研发。大家所熟知的小米公司这几年也在开始加入到智能家居的研发大军。国内外智能家居系统研发者也更重视安全方面的问题。积极研发了一些家用安全设备，如火灾报警器，空气质量监测仪。这些设备能在火灾威胁到人们生命安全之前报警，能够检测由工业化生产和装修所留下的有害气体成分和含量。目的就是要给人们一个安全的健康的居住环境。行业发展于消费者、用户的态度有关。消费者认为很多不必要的功能抬高了产品价格。CNNIC数据显示，12.7%的用户觉得这类产品人机交互体验差；11.3%的用户觉得这类产品还没有发掘出自己最为关心的功能。很多企业的这类产品成

6、本过高，有部分不实用功能产生溢价拉低产品的性价比。还有各部件之间需要用数据线连接，在实物安装中距离较长的布线比较繁琐，有一定的难度，对安装环境也有一定要求。为避免这些问题，本课题的研究采用成本较低的硬件设计人们最关心的健康安全监测系统。课题的研究意义在于提高性价比，克服距离的限制和繁琐的布线。从目前智能家居用户最为关心的安全及健康问题入手，做到尽量满足人们需求提高用户体验。2系统的设计方案2.1总体设计方案设计之前整理出系统的功能和包含的内容。首先，针对健康和安全方面，需要做到监控温湿度和火灾，就需要系统具有温湿度超标报警和烟雾报警。要能够直观的知道系统所在环境的温湿度状况就需要一个显示器。系

7、统还需要能够无线通讯的控制系统。将所有要求整合之后大致设计出的系统如下：系统基于cc2530单片机微控制器，使用2个zigbee模块自组网。通过串口控制Zigbee；单片机控制烟雾浓度模块获取现场有无烟雾。DHT11模块也会在单片机控制下采集环境中的数据，然后通过cc2530搭配的Zigbee向协调器发送信息。系统的总体设计图如图1所示：图1 系统结构图此系统的主控制芯片是cc2530，芯片内部编程，收集烟雾传感器和温湿度传感器模块数据，然后对其进行处理，再通过ZigBee节点将数据发送到协调器。此时协调器将信息发送到cc2530单片机，当单片机将接收到的数据时对其进行处理，控制实现室内环境检

8、测的设计与实现。2.2 控制设计系统采用基于cc2530的单片机控制器。主要负责控制本系统中信号的发送及数据信号的接收处理。单片机通过从机部分的程序控制DHT11传感器和烟雾传感器采集环境中的温湿度和烟雾浓度。cc2530搭配最新zigbee PRO协议。通过zigbee节点将从机采集到的数据发送到协调器。协调器在cc2530的控制下将采集到的数据处理，在液晶显示器上显示出来。当各数据超标时控制蜂鸣器做出反应。cc2530单片机在系统中的功能如图2所示： 图2 单片机的功能示意图从机的底板接入烟雾传感器和温湿度传感器。对其核心板烧入程序控制烟雾模块和DHT11采集数据。显示器和蜂鸣器接到协调器

9、底板相应的引脚。在程序编写中，把函数赋值到数组中去，并且对数组中的每一个值都进行重复快速扫描。3硬件设计3.1 控制系统的选型在选用控制系统时，需要对市面上各种芯片进行对比，选用最适合的芯片。为了应对zigbee和RF4CE应用难题，TI公司研发了一款能够结合这类应用的cc2530芯片。cc2530是一款高性能、高标准的芯片，具有多种标准接口，是一款兼具性能和性价比的芯片产品，而且这类芯片的型号较多，具有兼容多种型号的引脚，也可以兼容各种开发软件，从而可以适用于多款应用。更方便于个体研究。性能方面，这款芯片配备高效RF收发器。是标准的增强型8051CPU。cc2530具备不同的运行模式，且备较

10、高的抗干扰和穿透。，很适用于低功耗无线传感网络中。核心板下加入的底板拥有更丰富的引脚，可外接更多的设备供系统使用。所以cc2530很适合作为此设计的控制芯片。无线设备：cc2530搭载RF内核控制的无线模块。具有可连接无线设备的优良接口，连接无线设备可达到读取状态和发出命令的目的。这个模块包含了识别地址和数据包；串口：cc2530可支持不同外设。所有的引脚都由I/O控制器控制，任意一个引脚受不受软件程序控制取决于配置的外设。控制器可分别控制任意引脚中断，可以保证芯片控制下的系统的灵活性；存储器：内含闪存存储器。通过软件或调试接口可对存储器编程。写入或清除嵌入式由闪存控制器进行处理。3.2模块电

11、路3.2.1 系统单片机核心电路cc2530属于16位单片机，相比51单片机稍复杂一些。cc2530通过底板引出一系列的外接引脚，用于控制系统各模块。单片机具有二十一个输入或输出引脚，I/O的用途由寄存器配置或者软件控制。单片机系统的核心电路图如图3所示：图3 单片机系统核心电路图液晶显示器的8个接口按序分别接入主机底板的3.3V、GND、3.3V、P17、P16、P15、P14、P13。蜂鸣器的正负极连接到POD和3.3V。为了方便加入了干电池制作的供电电源，正常接到底板的供电引脚。DHT11的三个接口分别接到引脚3.3V、POD和GND。烟雾传感器的三个接口分别接到GND、5V和P17引脚

12、。电路的正确连接保证系统正常的同时方便程序的编写。3.2.2 系统的晶振电路cc2530单片机含有四个晶振。16M RC晶振和32K RC晶振是单片机上电时默认使用的晶振。振荡器分为低频32KHz内部RC振荡器和高频16MHz内部RC振荡器。系统时间的精度需要低频振荡器为其提高稳定的时钟信号作为校准。此单片机晶振电路用引脚PC14和引脚PC15连接到单片机，再通过单片机介入osc-in和osn-out，提供了稳定时序进入单片机，为使晶振能够谐振，加入了电容，方便产生时间的序列。在偏激中最为重要的就是时钟。晶振电路原理如图4所示：图4晶振电路原理图3.2.3 复位电路设计当系统监测到环境中有数据

13、超标之后会触发系统报警。当问题得以解决之后，要使系统回复之处状态继续运行。我们就需要设计一个复位电路，复位电路图如图5所示： 图5复位电路原理图3.2.4 呼吸灯原理本课题设计基于cc2530单片机系统的呼吸灯要求在报警时能够频闪。单片机上的灯只有两种状态，通电时亮，断电时灭。要让灯由暗到亮再到暗，原理就是让灯以肉眼观察不到的频率闪烁，灯暗的时候其实是灯闪烁频率较低，逐渐加快频率，小灯就越来越亮，在到达设置的最高频率时灯就最亮，然后又降低频率，灯又慢慢变暗。以这种规律重复让灯闪烁就达到呼吸灯的效果。3.2.5 电源电路设计 系统需要供给5V直流电工作。在调试时直接使用电脑USB进行供电即可。在

14、进行远距离测试时，用干电池对其供电。单片机上有供电接口，安装时需要常用的5V充电头持续稳定的供电。3.2.6烟雾检测模块市面上有已存在的烟雾检测模块，因此只需将其介入到电路当中即可。烟雾传感器是要连接在从机的，当烟雾传感器采集到数据之后会通过从机的zigbee节点发送到协调器，协调器会在12864显示上显示出对应值，因为烟雾传感器是环境中烟雾浓度达到报警值之后就会报警，所以协调器显示屏上只会显示1和2，不会显示烟雾具体浓度。1表示不报警2表示报警。3.2.7 LED12864显示模块系统选用的是12864液晶显示屏，这个名字来源于横向128纵向64的点阵排列。它有着低电压低功耗的优点，显示程序

15、也比较简洁。这类显示屏在单片机领域应用广泛。8位并口的数据总线也很适合我们的cc2530单片机。3.2.8实物整体电路在本课题研究中，在单片机的控制下，通过温湿度传感器采集温湿度数据，烟雾传感器采集烟雾浓度。传感器收集到室内环境中的数据后，通过zigbee模块将数据发送到主机单片机，通过对数据的处理之后。在液晶显示屏上显示出室内温湿度数据及单位。协调器部分也称主机部分，由一个cc2530、一个蜂鸣器和一个12864显示屏组成。功能是受到从机部分采集到的数据后，通过单片机处理在显示屏上显示出来液晶显示器上显示的温度和湿度都有两个数据。第一个是当前的温度和湿度数据，第二个显示的是为系统设置的一个临

16、界值。烟雾显示方面，当环境中没有烟雾显示02，有烟雾时显示01。当各项数据超标后控制蜂鸣器报警。从机部分是在单片机控制下，通过DHT11传感器和烟雾传感器采集环境中的数据，再靠zigbee与协调器进行数据传输，我们还需对从机部分进行编译程序并拷入。主机与从机之间靠zigbee天线进行无线通信。根据系统的功能和硬件组成整理出所需硬件材料如表1所示表1 所需硬件材料及数量所需硬件材料名称所需数量cc2530核心板+底板212864液晶显示器1蜂鸣器1DHT11传感器1烟雾传感器15号干电池3数据线若干在组接实物电路之前需要设计完整的硬件电路图，要保证电路图的可靠无误就需要对电路进行仿真实验。Pro

17、tues电路设计环境在国内外广受单片机工作者的青睐，这款软件能够仿真单片机。不仅能够虚拟模型也能设计外围器件，是一款非常实用的仿真电路软件。利用Protues完成硬件的电路设计并进行实验，仿真电路完成测试无误之后开始准备实物电路硬件。采购完系统所需的所以硬件和数据线之后，将所有硬件按照设计的电路连接起来。按照Protues的电路设计图完成以下连接和焊接：液晶显示器的8个接口按序分别接入主机底板的3.3V、GND、3.3V、P17、P16、P15、P14、P13。蜂鸣器的正负极连接到POD和3.3V。为了方便加入了干电池制作的供电电源，正常接到底板的供电引脚。DHT11的三个接口分别接到引脚3.

18、3V、POD和GND。烟雾传感器的三个接口分别接到GND、5V和P17引脚。完成连接后硬件和单片机组成一个完整的系统电路。电路由两个部分组成，两个部分构成不同功能不同却又紧密关联。两个部分分别是协调器和从机部分，协调器是面向使用者直观地显示出室内环境的状态。从机部分负责采集环境中数据并进行处理和向协调器传输数据。完整的实物电路如图6所示：图6系统实物电路图4软件设计4.1 软件开发环境本设计使用的编译软件是IAR。在开发过程中，要尽量做到简单编译，语法通俗易懂。因此在对开发环境的选择时需要对软件各方面综合考虑选择。IAR作为一款优秀的开发工具广泛应用于嵌入式系统。这款C编译器可支持众多半导体材

19、料微处理器。它具有丰富的函数库和强大的开发与调试的能力，含有的PROMable代码效率极高。面对不同的芯片有相应的速度和相应的大小优化器。8位16位及32位的单片机嵌入式都适用这一系列的软件开发工具。是调试本课题设计的系统的很好的选择。软件环境配置：（1）Processor Variant选项表示处理器类型。一般默认位ARM7 TDMI，我们选择cc2530核心对应的ARM选项进行配置。正确的选择芯片对应的类型方便调试，软件会自动设置描述文件。（2）要设置输入和输出的Printff和scanf函数格式，需要在formatter选项区域的下拉表框中设置。（3）选择Multi-file复选框，以便

20、多程序文件之间的交叉跳转、交叉调用和内联。（4）char类型的数据符号。因为编译工具通常将char设作无符号类型，位避免连接运行库时类型错误不能匹配，不能选择Signed带符号类型；IAR的优化，优化方法和优化级别可通过Level来选择所需的方法跟级别。（5）remark诊断信息可通过Enable remarks选项选取生成。（6）输出文件类型，Output选项区域中可选择Executable和Library。前者意思时生成执行代码，后者位生成库文件。4.2 程序设计实现主机从机之间的zigbee通信需要设定两个模块的发送和接收地址，代码：#define SEND_ADDR 0x1520 /设

21、置zigbee发送信息的地址#define RECEIVE_ADDR 0x1515/设置zigbee接收信息的地址蜂鸣器模块，因为这个模块使用的是NPN三极管，所以BEEP=0时是上电，也就是蜂鸣器报警。实现蜂鸣器报警的代码：if(Temp=wendu_worn)|(Humi=shidu_worn)|(Smoke=0x01)/如果，温度大于等于设定的温度报警值、湿度大于等于设定的湿度报警值、有烟雾 BEEP=0;D2=0;/蜂鸣器上电，实现报警 else /否则 BEEP=1; D2=1;/蜂鸣器断电，不报警 温湿度模块,温湿度写入、启动温湿度传感器，实现代码：void COM(void);

22、void DHT11(void) ;烟雾模块，烟雾传感器检测到环境中有无烟雾后，向协调器发送信息，实现代码：if(Smoke=1)/如果环境中没有检测到烟雾 pTxData3=(U8)0x02;/显示输出为02 else/否则 pTxData3=(U8)0x01;/显示输出为01 4.3 程序烧写在程序编写完毕之后通过仿真电路对软件程序调试。保证个模块代码能正常使系统工作之后可开始对单片机进行烧写。首先打开程序对应的工程文件，选择此工程文件下的Options；在第一个选项中的Device栏选择MSP430F5418；Debug一栏点击Texas Instrument USB-IF；在USB s

23、election中选择好COM口之后，在工具栏下点击第一步操作；如果提示如下内容，可点击第二部操作便可完成程序的烧写。5 系统的调试 实验调试是每一项设计不可获缺的步骤，要通过对实物的调测，才能证明设计作品的可靠性和科学性，才能掌握设计的功能作用。也能够对所学习的技术有更进一步的理解。在此课题设计里面安全第一，所以主要测试烟雾浓度检测是否灵敏，在调试事物的时候，将报警上限数值设置好。调试好后用检测传感器环境烟雾超标是否报警。根据电路图连接好各个元器件，在确认电路连接无误后开始调试，调试过程中记录下每个出错的点记录下来方便之后继续改进。在调试的过程中，遵循先局部，再总体的实验规律。软件的调试也是

24、及其重要的一步，软件能影响到系统能否正常工作。调试软件的过程要按模块调试，逐个地模块的调试，循序渐进，避免查错范围广难以纠错的难题。5.1 硬件调试5.1.1 电路模块功能调试在电路的准确性测试完成之后，需测量电路的各组模块，例如需独立出来进行测试的ZigBee，检查是否能够发送、接收数据，检验发送和接收的数据是否准确；实验温湿度传感器和烟雾传感器，就需要用于实际检测，以便检测模块的可靠性。可通过单独每个模块的检测，检查其功能性正常，结合上系统中才能保证系统的可靠性和准确性。硬件和软件都调试完毕之后，本设计基本完成。5.1.2 无线距离测试 在调试过电路本身没有问题之后，我对系统进行了外界因素

25、影响的测试。在没有障碍的情况下，将系统两部分进行不同距离开机实验，得到此系统在无障碍物影响的情况下，数据传输的有效距离在70米左右。然后在墙体隔离的情况下进行同样的测试。把系统两部分分别放在一面墙的两侧，在不同距离下开机测试，测的系统在一面墙体的隔离下30米以内能有效工作。再增加一面墙体作为隔离，测得在两面墙的隔断下系统正常运行的有效距离为21米。在小面积的金属物遮挡下信号传输无影响。因此，此系统在住房中安装是可以正常工作的。6 结论本课题主要介绍基于cc2530系列的单片机设计的室内环境监测系统。在设计之初，通过查阅资料和与老师的帮助效，确定了设计方向。经过不断学习和摸索，克服了一系列困难之

26、后终于完成了此系统的设计。系统结构以cc2530单片机为控制核心，组合了主体的电路和模块，基本实现了基于单片机的室内环境监测的设计。设计可监测到环境的温湿度和烟雾，采用zigbee的通讯方法，与以往的家居系统相比，更进一步解决了健康舒适和安全问题，克服了繁琐的布线降低了实际应用时的安装难度。解决了这些方面的问题也推进了我对物联网家居进一步了解和探索的兴趣。本设计仍不完美，系统还不能连接手机终端。进一步改良的方向就是利用网络将系统状态传输到用户手机，让人们不在家的情况也可以实时掌握室内环境的状况。展望未来，5G技术成熟并普及之后，物联网行业定会有更一步的发展，智能家居和智能安防会更成熟更稳定的为人们服务。此次课题的设计让我认识到不管是软件还是硬件技术，对我们的学习和生活都是非常重要的。在设计过程中，不断去学习接触过和没接触过的东西。从材料和软件的选取，以简单实用为原则一步步改进，到设计出作品，每一步都不轻松。每一步的成功都是丰富的收获。只有通过实践才能更好的发现自己的不足并去弥补。参考文献01基于STM8和nRF24L01的智能车库门控制系统设计J. 李敏,夏跃武,乔斌. 重庆工商大学学报(自然科学版). 2014(07)02基于Android手机的智能遥控器设计J. 蒋开伟. 科技致富向导. 2014(33)03智能家居:新科技时代的宠儿J. 董鹏. CAD/CAM与制造业