基于单片机的室内环境监控系统设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上中文题目：基于单片机的室内环境监控系统设计外文题目：DESIGN OF INDOOR ENVIRONMENT MONITORING SYSTEM BASED ON MCU毕业设计（论文）共 70 页（其中：外文文献及译文7页） 图纸共1张 完成日期 201年6月 答辩日期 201年6月本科毕业设计（论文）学生诚信承诺保证书本人郑重承诺：基于单片机的室内环境监控系统设计毕业设计（论文）的内容真实、可靠，系本人在 指导教师的指导下，独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担全部责任。学生签名：年 月 日本科毕业设计（论文）指导教师诚信承诺保证书本人郑重承诺：我已按学

2、校相关规定对 同学的毕业设计（论文）的选题与内容进行了指导和审核，确认由该生独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担指导教师相关责任。指导教师签名：年 月 日专心-专注-专业摘要随着社会的发展，生活质量的提高，越来越多的人意识到房屋装修后所残留的气体对人体的伤害，而房屋装修后所残留的有害气体主要为甲醛。而甲醛的挥发又与温度和湿度有关，对此研究并设计一种检测室内温湿度和甲醛浓度的监控系统就很有必要。该系统的设计方案是基于单片机来实现的，选择温湿度传感器和有机气体传感器，传感器将采集到的数据经A/D转换送至单片机，单片机对数据进行处理后将温湿度和甲醛浓度显示，同时分析数据是否超标。当温湿度

3、超标时，单片机通过蜂鸣器报警提醒人们来调整温湿度；当甲醛浓度超标时，单片机通过启动风机来降低甲醛浓度。此外，还能通过红外遥控器对系统进行控制。综上所述，本设计具有实时检测室内温湿度以及甲醛浓度、实时显示、温湿度超标报警、甲醛自动净化和红外遥控等功能，这些功能的实现可有效减少室内甲醛，为人们的生活环境提供有效的防护，并为人们提供了一个更加舒适、健康的环境，关键词：甲醛；单片机；液晶显示；报警；红外遥控AbstractWith the development of the society and the improvement of life quality, more and more peop

4、le realize that the residual gas after the building is decorated, the harm of human body and the harmful gas of the residue after the building is decorated mainly for formaldehyde. And the volatilization of formaldehyde is related to temperature and humidity, and it is necessary to study and design

5、a monitoring system for indoor temperature humidity and formaldehyde concentration. Design scheme of the system is based on single chip microcomputer to realize, choose organic gas sensor, the temperature and humidity sensors and sensor data will be collected by A/D conversion sent to the single-chi

6、p microcomputer, single chip microcomputer to deal with the data after the temperature and humidity and formaldehyde concentration showed that excessive analysis data at the same time. When the temperature and humidity is above the standard, the single chip is called by the buzzer to alert people to

7、 adjust the temperature and humidity. When the concentration of formaldehyde is excessive, the single chip can reduce the concentration of formaldehyde by starting the fan. In addition, the system can be controlled by an infrared remote control. To sum up, this design has the real-time detection of

8、indoor formaldehyde concentration, temperature and humidity, and real-time display, temperature and humidity levels, automatic alarm, formaldehyde purification and infrared remote control, and other functions. The implementation can reduce indoor formaldehyde effectively, provide effective protectio

9、n for people's living environment, provide a more comfortable, healthy environment for people.Key words: formaldehyde; MCU; Liquid crystal display; Alarm; Infrared remote control目录0 前言甲醛是室内挥发性有机物中最主要也是最具危害的污染源，它广泛存在于家具、地板、油漆等室内装修材料中。它主要对人体的神经系统及呼吸系统症状造成损害，空气中含有少量甲醛就会引起人体的不适，轻者导致皮肤过敏、呼吸道发炎，重者可能导致

10、基因突变，引起鼻咽肿瘤。我国规定居室空气中甲醛的最高允许浓度为0.6ppm，即0.08 mg/m3。研究表明，甲醛的挥发和温湿度有着密切的联系，同时考虑到温湿度还和人体的舒适感密切相关，因此很有必要开发一套集温湿度和甲醛浓度为一体的室内环境监控系统。室内环境监控系统的理论非常简单，即通过传感器采集环境数据传送至处理器，然后处理器对数据进行分析后作出相应的处理。室内环境监测系统出现较早，最早可追溯至二战之后，美国在进行放射性物质研究时为了保护科学家的安全，对室内环境的各项指标都进行了严密的监测。传统的室内环境监测系统只是检测室内温湿度和有害气体的浓度，并没有后续的控制措施，存在人性化差、实用性不

11、高的缺点，同时受限于当时的科技水平，传感器和处理器的性能较差，造成了传统室内环境监测系统还存在着采样次数少、实时性差、精度低、体积大等缺点。随着现代微电子技术的发展，传感器和处理器的性能在不断提高的同时，体积也越来越小，这使得基于微处理器的室内环境监控系统功能更多、体积更小、精度更高，不仅能够实时监测室内温湿度和有害气体浓度，还具有液晶显示、自动净化空气的功能，真正实现了室内环境的监测和控制。随着互联网和智能控制技术的发展，室内环境监控系统的发展趋势也越来越趋向于智能家居系统，即通过互联网将传感器和家用电器连接在一起，传感器将数据上传，家用电器（比如空调、电动窗帘等）根据上传的数据自动进行相应

12、的操作，并且可以通过智能手机终端远程监控，虽然该系统更加的自动化和智能化，但是系统庞大、成本过高阻碍了其在市场上的推广，目前只有很少一部分用户使用，大部分家庭对于其过高的成本望而却步。针对上述情况，基于微处理器的室内环境监控系统仍然符合市场需求，本设计的原理框图如图0-1所示，整个系统以单片机为控制核心，采用一体化温湿度传感器和有机气体传感器，传感器将采集到的环境数据经过A/D转换为数字量传送至单片机，单片机对数据处理后将温湿度和甲醛浓度显示在液晶显示器上，同时单片机将数据与提前设定的预警值进行比较，若温湿度超过设定的预警值，单片机使蜂鸣器发出间歇性的蜂鸣声，提醒人们打开空调或采取其他措施来调

13、整温湿度，若甲醛浓度超过设定的预警值，单片机则启动风机来净化甲醛，当甲醛浓度回到预警值范围之内时，单片机关闭风机。此外，本设计还加入了红外遥控器，通过红外遥控器可以控制系统的开/关、设置温湿度及甲醛浓度预警值、控制风机的开/关。综上所述，本设计除了能够实时监测室内温湿度和甲醛浓度、液晶显示和自动净化甲醛，还具有温湿度超标报警和红外遥控的功能，使得系统更加人性化。图0-1 原理框图Fig.0-1 The principle diagram本系统针对广大市场而设计，价格低廉、性能优异，不仅能为人们提供一个舒适、健康的生活环境，而且能在最大程度上节约电能，在大力提倡节能环保的今天，本设计有着重要的经

14、济价值和现实意义。1 方案论证本次设计的基于单片机的室内环境监控系统所适用的场所为1525m2的居家卧室，具有预警值设置、温湿度和甲醛浓度检测、液晶显示、超标报警、自动净化甲醛等有害气体、红外遥控的功能。根据以上功能，本系统的硬件电路包括单片机、温湿度采集电路、甲醛采集电路、A/D转换电路、液晶显示电路、报警电路、红外接收电路、红外发射电路、执行电路以及电源电路。单片机采用STC89C52，数据采集电路采用一片温湿度传感器SHT11和一片有机气体传感器MQ138进行数据采集；A/D转换电路采用一片ADC0804；液晶显示电路采用一块LCD12864；报警电路采用一个蜂鸣器；红外接收电路采用一个

15、一体化红外接收头RPM6938；红外发射电路采用一片红外编码芯片PD6121G；执行电路采用一个BTN7970B电机驱动芯片和一个12V离心风机，风机后面安装一片家用有害气体过滤网。下面详细介绍本系统的具体工作流程。本系统在首次使用时，可通过红外遥控器分别设置温度和湿度的预警值，系统默认温度设置为2025，湿度设置为40%70%RH。甲醛浓度的预警值根据国家标准已提前设置为0.6ppm，设置好温湿度传感器和甲醛传感器的预警值后整个系统开始后续的工作。1）温湿度传感器SHT11将检测到的温湿度模拟量经过其内部A/D转换变为数字量并传送给单片机，然后单片机将数据进行处理之后进行显示，同时单片机将检

16、测到的温湿度与设置的预警值进行比较，若超过预警值，单片机使蜂鸣器报警，提醒人们打开空调或采取其他措施对室内温度及时调整。2）有机气体传感器MQ138将检测到的甲醛模拟量通过外部A/D转换器ADC0804转换为8位数字量并传送给单片机，然后单片机对数字量分析与处理，并将检测到的甲醛浓度与设置的预警值进行比较。若甲醛浓度超过预警值，则在液晶显示屏上显示“甲醛超标”字样，同时单片机通过执行电路启动风机对甲醛进行净化；当甲醛浓度回到预警值之下时，关闭风机，并在液晶显示屏上显示“甲醛正常”字样。3）红外遥控器除了具有开/关机、静音、设置温湿度上下限的功能外，人们还能根据的实际嗅觉感受随时开启风机对室内空

17、气进行净化。因为本系统采用的有害气体滤网由活性炭以及高效吸附材料构成，不仅可以有效净化甲醛，而且还可以有效过滤掉PM2.5、粉尘，花粉，去除房间异味。2 硬件电路设计2.1 单片机2.1.1 单片机选型方案对比方案一：AVR单片机属于精简指令系统计算机。AVR单片机具有很多51系列单片机没有的优点：它的时钟源可以直接提供给CPU使用，而不用经过内部分频；它的 I/O口全部是真正的双向I/O口；内部具有丰富的中断及寄存器资源；AVR使用的是超功能精简指令集，这使得其运行速度和数据处理能力大大提高。方案二：STC89C52属于51系列单片机中的一种，相比于AVR单片机，它使用的是复杂指令系统，因此

18、它的运行速度远不及AVR单片机；STC89C52中的所有通用寄存器均可直接与立即数打交道，而AVR单片机的32个通用寄存器中前16个寄存器都不能直接与立即数打交道，这使得STC89C52的通用性更好。此外，相比于AVR单片机高昂的价格，STC89C52还具有价格上的优势。 综上所述，由于STC89C52具有更好的通用性和价格上的优势，因此本设计最终选择了STC89C52单片机。2.1.2 STC89C52简介STC89C52的外部引脚如图2-1所示。图2-1 STC89C52外部引脚图Fig.2-1 STC89C52 external pinsSTC89C52共有40个外部引脚，各个引脚的功能

19、及说明如表2-1所示。表2-1 STC89C52引脚功能说明表Tab.2-1 Pins function specification table of STC89C52功能说明VCC接+5V电源GND接数字地XTAL1片内振荡反相放大器和时钟发生器电路输入端XTAL2片内振荡反相放大器和时钟发生器电路输出端RST复位信号输入端，高电平有效PSEN片外程序存储器的读选通信号，低电平有效ALE/PROG访问外部存储器地址锁存信号/编程脉冲输入端EA/VPP外部程序存储器访问允许控制端/编程电源输入端P0口双向I/O口，内部无上拉电阻，可驱动8个LS型TTL门电路。扩展外部存储器及I/O口时，可作为

20、低8位地址总线及数据总线的分时复用端口。P1口准双向I/O口，内部有上拉电阻，可驱动4个LS型TTL门电路。P2口准双向I/O口，内部有上拉电阻，可驱动4个LS型TTL门电路。扩展外部存储器及I/O口时，可作为高8位地址总线。P3口准双向I/O口，内部有上拉电阻。P3口还可提供第二功能。P3口作为第二功能使用时，每一位都有特定用途，P3口的每一个端口都可单独定义为普通输入/输出口或者第二功能口，其特殊用途如表2-2所示。表2-2 P3口第二功能表Tab.2-2 second function table of P3端口引脚第二功能注释P3.0RXD串行口数据接收端P3.1TXD串行口数据发送端

21、P3.2INT0外部中断请求0P3.3INT1外部中断请求1P3.4T0定时/计数器0外部计数输入P3.5T1定时/计数器1外部计数输入P3.6WR外部RAM写选通信号输出P3.7RD外部RAM读选通信号输出2.1.3 单片机最小系统单片机最小系统是指能够使单片机正常工作的最简单的电路系统，除单片机之外，单片机最小系统还包括时钟电路、复位电路和电源电路，下面介绍时钟电路和复位电路，因为本设计的温湿度传感器、有机气体传感器、液晶显示器、风机等器件都需要用到电源，因此电源电路在后面的章节介绍。1）时钟电路图2-2是STC89C52采用内部时钟方式的连接电路，单片机芯片引脚XTAL1（19脚）、XT

22、AL2（18脚）外接石英晶体和电容。因为单片机的运行速度和晶体的振荡频率成正相关，所以本设计中时钟电路的石英晶体选择振荡频率较高的12MHz，电容C1和C2选择典型值30pF。 图2-2 内部时钟方式的连接电路Fig.2-2 The wiring circuit of the internal clock mode2）复位电路对于本设计中的STC89C52来说，只需要给它的复位引脚RST加上大于两个机器周期（也就是24个时钟振荡周期）的高电平就可使其完成复位。总的来说，单片机有三种复位方式，即上电自动复位、按键手动复位和看门狗复位。上电自动复位是通过系统接通电源时RST引脚通过电容与电源VCC

23、接通实现的；按键手动复位有按键脉冲复位和按键电平复位两种，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来实现的，按键电平复位是通过RST引脚通过按键按下后经电阻与电源VCC接通来实现；看门狗复位是通过内部看门狗芯片和程序来实现。本设计采用结构简单性能稳定的按键电平复位电路。按键电平复位电路如图2-3所示，当系统上电时，电源通过电阻R6对电容C3进行充电，充电过程中电容C3相当于短路，因此RST端就得到了一段时间的高电平，电容C3充电完成后相当于开路，RST端变为低电平，完成上电复位；当程序运行出错（比如程序“跑飞”）或操作错误使系统处于“死锁”状态时，可按下复位键S1使单片机复位。当按下S1时，R

24、ST端直接与电源相连而变为高电平，同时电容C3被短路放电，当按键松开时，电源对电容C3再次充电，RST端还是高电平，电容充电结束后，RST端变为低电平，复位完成。图2-3 按键电平复位电路Fig.2-3 Key level reset circuit综上所述，可以得到本设计的单片机最小系统如图2-4所示。图2-4单片机最小系统Fig.2-4 The minimum system of MCU2.2 温湿度采集电路设计 由于本设计要检测室内温度和湿度，所以要用到温度和湿度传感器，传统的设计方案分别使用了温度和湿度两个独立的传感器，需要另加校正和A/D转换，在硬件和软件设计上都比较复杂。通过查阅资

25、料得知，集成式温湿度传感器的使用已经非常普遍，而且其技术和性能都已经成熟，能够同时检测温度和湿度，传感器内部还有A/D转换和校准寄存器，输出的温湿度精确度更高，SHT11是这类传感器中的佼佼者，而且性能好价格便宜，所以选择SHT11来实现本设计。2.2.1 温湿度传感器简介本设计采用的温湿度传感器SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款集温湿度传感器于一体的数字化集成式贴片型传感器，体积小且安装方便。SHT11的湿度测量范围为0100%RH，温度测量范围为-40+123.8，湿度测量精度为±3%RH ，温度测量精度为±0.4，而且它的功耗非常低，仅为 80W。SHT

26、11的性能特点如下：1）集成度高，该芯片同时具有温湿度检测、信号变换、A/D转换和加热器等功能。2）采用二线串行数字接口，传输可靠性非常高。3）内置分辨率为814位的A/D转换器。4）测量精确度高，可对测量结果进行校正和补偿。因为SHT11这些优异的性能所以它被广泛应用于室内、汽车等领域。SHT11芯片引脚如图2-5所示。图2-5 SHT11引脚图Fig.2-5 SHT11 pinsSHT11引脚说明：1）DATA：双向数据线接口。2）SCK：输入时钟线接口。3）VDD：接+5V电源。4）GND：电源地。5）NC：空脚。2.2.2 SHT11的工作原理SHT11芯片内部包括一个电容性聚合体湿度

27、敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，它们的介电常数都与温湿度成正相关，这两个敏感元件分别夹在两个独立电容的上下级板之间，当温度或者湿度发生变化时，敏感元件的介电常数也会随之发生变化，进而导致电容变化，之后输出电压随电容变化。该传感器具体的工作原理如图2-6所示，两个测量元件分别将温度和湿度物理量转换为电压信号，但是这个电压信号太微弱，需要经过一个放大器放大之后送入芯片内部的一个A/D转换器将电压信号转换成数字信号，最后由二线串行数字接口传送至单片机。SHT11在出厂之前，都会先在恒温恒湿的环境中进行校准，然后将校准系数存储在校准寄存器中；使用过程中芯片会根据校准系数自动校准温湿度；此外

28、，通过SHT11内部加热元件的加热作用，能防止传感器在高湿环境中结露，但是加热后的测量结果相比于加热前会有所偏差。图2-6 温湿度传感器工作原理图Fig.2-6 Temperature and humidity sensor working principle diagram因为STC89C52使用的是通用I2C总线协议，而SHT11的通信协议由生产厂家制定，这导致两者的通信协议不兼容，所以需要通过单片机的I/O口来模拟SHT11的通信时序。SHT11的通信协议为5个5位命令代码，单片机就是通过这5个命令代码来实现对SHT11的控制。5个命令代码的含义如表2-3所示。表2-3 温湿度传感器指令

29、代码表Tab.2-3 Table of temperature humidity sensor instruction code 命令代码含义X00011测量温度X00101测量湿度X00111读内部状态寄存器X00110写内部状态寄存器X11110复位其他保留2.2.3 温度和湿度值的计算由SHT11输出的温湿度值并不是真实的数值，还需要利用相应的公式对他们进行校正和补偿，其中温度值不需要进行补偿，只需利用校正公式就能得到其真实值，而湿度值要经过补偿后才能得到其真实值。1）温度值的计算SHT11输出的温度值具有良好的线性，因此所测得的真实的温度值可由式（2-1）得到。T=d1+d2×

30、;SOT (2-1)在上式中，T为SHT11所测得的真实温度值，SOT为SHT11直接输出的温度值，d1和d2为常数，由表2-4、2-5可得到它们的具体数值。表2-4 d1的取值表Tab.2-4 Value table of d1VDD/Vd1/d1/5-40.00-40.004-39.75-39.553.5-39.66-39.393-39.60-39.282.5-39.55-39.19表2-5 d2的取值表Tab.2-5 Value table of d2SOTd2/d2/14位0.010.01812位0.040.0722）湿度线性补偿和温度补偿SHT11直接输出的湿度值为相对湿度，与实际湿

31、度有所偏差，主要表现在湿度输出特性呈非线性和温度对湿度的影响，因此可以通过线性补偿和温度补偿对其进行修正。对湿度的线性补偿可由式（2-2）实现：RHlinear=c1+c2SORH+c3SORH2 （2-2）在上式中，RHlinear为线性补偿过的湿度值，SORH为SHT11直接输出的湿度值，c1、c2和c3为补偿系数，可由表2-6得到它们的具体数值。表2-6 湿度线性补偿系数表Tab.2-6 Humidity linear compensation tableSORHc1c2c312位-40.0405-2.8×10-68位-40.648-7.2×10-4如果SHT11所在

32、的环境温度与测试参考温度25相差较大的话，还需要对输出湿度按式（2-3）进行温度补偿。RHTRUE=T-25×t1+t2×SORH+RHlinear （2-3）在上式中，RHTRUE为最终得到的室内湿度真实值，T为SHT11所测得的温度值，SORH为SHT11直接输出的湿度值，RHlinear为线性补偿过的湿度值，t1和t2为补偿系数，它们的具体数值可通过表2-7查询得到。表2-7 温度补偿系数表Tab.2-7 Table of temperature compensation factorSORHt1t212位0.010.000088位0.010.001282.2.4 S

33、HT11的安装与连接考虑到本系统所使用的场所为卧室，温湿度传感器SHT11的安装位置为比床略高的床头以方便及时检测人体周围的温湿度。SHT11与单片机的连接如图2-7所示，图2-7 温湿度传感器电路Fig.2-7 Temperature and humidity sensor circuitSHT11通过数据线（DATA）和时钟线（SCK）跟单片机进行通信，其中数据线（DATA）外加上拉电阻接5V电源后接单片机的P2.4口，时钟线（SCK）接P2.3口用于和单片机通信同步。2.3 气体传感器模块设计2.3.1 气体传感器MQ138简介本设计要检测室内甲醛等有害气体的浓度，因此采用了室内最常用的

34、有机气体传感器MQ138，它不仅能检测室内甲醛，还能检测甲苯、丙酮、乙醇、氢气等有机气体，具有体积小、灵敏度高、检测范围宽、工作稳定且寿命长、驱动简单、价格便宜等优点，广泛应用家庭、工厂有机气体的检测和报警。工作原理：MQ138内部的测量元件为气体敏感材料二氧化锡，在清洁的空气中二氧化锡的导电率较低；当空气中存在甲醛等有机蒸汽时，二氧化锡的导电率就会升高，而且有机蒸汽的浓度越高，二氧化锡的导电率越高。因此MQ138在工作时其输出电流就随有机蒸汽的浓度而变化。MQ138传感器芯片由微型陶瓷管、敏感元件、测量电极、加热元件四部分组成，其中微型陶瓷管起保护作用，测量电极用于输出测量数据，加热元件为芯

35、片提供合适的工作温度。MQ138芯片引脚如图2-8所示。图2-8 有机气体传感器MQ138引脚图Fig.2-8 Organic gas sensor MQ138 pins diagramMQ138的引脚功能说明：1）A（引脚1、3）：测量极一端。A管脚短接后接5V电源正极。2）B（引脚4、6）：测量极另一端。B管脚短接后接输出测量电流。3）H（引脚2、5）：加热极。本设计采用的有机气体传感器MQ138的敏感元件在洁净空气中的测量电阻为10K，甲醛浓度探测范围010ppm，其标准工作条件和工作环境条件如表2-8、2-9所示：表2-8 标准工作条件表Tab.2-8 Table of standar

36、d working conditions符号参数名称技术条件备注VC/V回路电压5±0.1DCVH/V加热电压5±0.1DCRH加热电阻31±3PH加热功耗小于900mw表2-9 环境条件表Tab.2-9 Table of environmental conditions符号参数名称技术条件标准环境条件Tao/使用温度-20+5020±2Tas/存储温度-20+70RH/RH相对湿度小于95%65%±5%2.3.2 MQ138预警值的计算本设计使用的MQ138采用5V电压供电，甲醛预警值设置为国家标准0.6ppm。MQ138的内部电路连接如图2

37、-9所示，在洁净的空气中测得其内部二氧化锡的电阻为10K，所以输出电流为0.5mA；当甲醛浓度为0.6ppm时，由于二氧化锡导电率升高其电阻降低为8 K，此时输出电流增大到0.625mA。因为MQ138输出的模拟信号要经过A/D转换转化为数字信号才能被单片机识别，而A/D转换器输入的模拟量为电压信号，所以MQ138的输出电流要转换为电压，本设计在输出极和地之间加一个2 K的精确电阻，那么当MQ138在洁净的空气中时输出电压为1V，当甲醛浓度超过0.6ppm时输出电压就会超过1.25V，所以当单片机从A/D转换器接收到的电压超过1.25V时就认为甲醛超标。图2-9 MQ138内部电路连接Fig.

38、2-9 MQ138 internal circuit connections2.3.3 MQ138的安装与连接考虑到本系统所使用的场所为卧室，有机气体传感器MQ138的安装位置为比床略高的床头，随时检测人体周围的甲醛浓度，以便系统及时处理。MQ138的电路连接如图2-10所示。图2-10 MQ138工作电路Fig.2-10 MQ138 working circuitMQ138传感器4号和6号引脚短接后输出的模拟电流经电阻放大后连接到ADC0804芯片的6号引脚，即模拟电压输入端。2.4 A/D转换电路设计上节说道，气体数据采集电路输出的电压信号必须经A/D转换后才能传送给单片机，而A/D转换芯

39、片的种类也非常多，考虑到本设计所适用的场合为室内，对转换速度和精度要求不是很高，因此最终选择ADC0804作为本设计的A/D转换芯片。2.4.1 ADC0804简介本设计选用的ADC0804集成式A/D转换器采用CMOS工艺制造，外部有20个引脚，其主要参数如下：1）8位分辨率；2）单通道A/D转换；3）输入输出电平与TTL/CMOS兼容；4）5V电源供电时输入电压在05V之间；5）工作频率为650KHZ，转换时间为100S。ADC0804芯片引脚如图2-11所示：图2-11 ADC0804引脚图Fig.2-11 ADC0804 pinsADC0804芯片引脚功能说明如表所示：表2-10 AD

40、C0804引脚功能说明表Tab.2-10 Pins function specification table of ADC0804功能说明CS片选端，低电平有效。当CS=0时，表明该芯片被单片机选中，可启动工作WR写信号输入端，当WR由高电平变为低电平时，启动一次A/D转换RD读信号输入端，低电平有效。当RD=0时，单片机可以通过DB0DB7读出本次A/D转换的结果VIN(+)模拟电压输入端VIN(-)模拟电压接地端VREF/2参考电压接入引脚，决定量化单位CLK时钟信号输入端CLKR内部时钟发生器的外接电阻端AGND模拟信号地DGND数字信号地INTRA/D转换结束信号输出端，低电平有效。当

41、INTR=0时，表示本次A/D转换已经完成DB0DB7A/D转换结果数字信号输出口VCC芯片电源5V输入2.4.2 A/D转换电路本设计的A/D转换电路如图2-12所示，其中气体传感器模块输出的模拟电压输入到ADC0804的6号引脚VIN+，转换结果由DB0DB7输送给单片机。图2-12 A/D转换电路Fig.2-12 A/D conversion circuit2.5 显示电路设计本设计要实时显示温湿度、甲醛浓度和报警状态以供人们查看，所以显示电路的设计就需要液晶显示器，而液晶显示器的种类也非常多，其中最常用的为LCD1602和LCD12864。2.5.1 方案对比方案一：LCD1602由5

42、×7点阵组成，5V电源供电，可显示2行字符，每行可显示16个字符，内部含有128个字符的ASC字符集字库。此外，1602只有并行接口，没有串行接口，而且其最大的缺点是不能显示汉字。方案二：LCD12864采用5V直流电源供电，内置8192个16×16点阵、128个字符（8×16点阵），还具有64×256点阵显示RAM，可显示4行字符，不仅能显示数字和字符，还能显示汉字。由于LCD1602不能显示汉字，若用拼音代替汉字，则查看起来不直观，而且本系统在正常工作时要显示温度、湿度、甲醛浓度和报警状态四行数据，相比之下，LCD12864可以显示四行字符或汉字，能

43、够满足本设计的要求，因此最终选择LCD12864来实现本设计。2.5.2 LCD12864简介 LCD12864芯片引脚如图2-13所示。图2-13 LCD2864引脚图Fig.2-13 LCD2864 pinsLCD12864引脚功能：1）VSS：电源地。2）VDD：电源正极。3）VO：液晶显示对比度调节。4）RS（CS）：数据/命令选择端，高电平数据选择端，低电平命令选择端（串行方式片选口）。5）R/W（SID）：读/写选择端（H/L）。6）E（SCLK）：使能信号。7）D0D7：数据口。8）PSB：并/串选择端，高电平为并行方式，低电平为串行方式。9）RST：复位端，低电平有效。10）B

44、LA和BLB：背光电源正极和负极。11）NC：空脚。LCD12864与单片机的接口有并行和串行两种控制方式。其中，串行控制方式是将LCD12864通过数据总线与单片机进行连接，这种方式占用单片机的I/O口较少；而在并行控制方式下，单片机通过8个I/O口与LCD12864的8个数据口连接进行数据传送，这种控制方式虽然占用单片机较多的I/O口，但是不占用单片机内存，而且接口电路与时序无关，因此大部分电子设备在接口充裕的情况下都采用并行控制方式，本设计同样选择了并行控制方式。2.5.3 显示电路连接图2-14为LCD12864以并行控制方式与单片机的接线图。图2-14 LCD显示电路Fig.2-14

45、 LCD display circuit其中，LCD12864的3号引脚V0外接滑动变阻器来调节对比度，数据/命令选择端RS、读/写选择端R/W、使能信号E、并/串选择端PSB分别与单片机的P2.7、P3.6、P2.6、P3.7相连，数据口DB0DB7通过上拉电阻与单片机的P0口相连。LCD12864工作时，第一行显示甲醛浓度状态，甲醛浓度没有超过预警值时显示“甲醛正常”字样，甲醛超标时显示“甲醛超标”字样；第二行显示温度值，当温度超标时该行闪烁；第三行显示湿度，当湿度超标时该行闪烁。在生活中人们可能会忘记报警是否启动，所以第四行显示蜂鸣器的状态，蜂鸣器正常工作时显示“开启报警”字样，静音模式

46、下显示“关闭报警”字样。2.6 报警电路设计在本设计中，当温湿度超出预警值时，需要通过报警电路提醒人们注意，并及时采取措施对温湿度进行调整。常用的报警方式有语音报警、灯光闪烁报警和蜂鸣器报警。语音报警电路内含语音合成芯片和放大电路，不仅能提醒人们出现报警还能让人们知道报警的对象；灯光闪烁报警通过报警指示灯的闪烁来提醒人们，这种报警方式只有当指示灯的灯光在人们的视野范围内时才有效果；蜂鸣器报警则通过蜂鸣器发出蜂鸣声来提醒人们。由于在本设计的报警电路只需提醒人们温湿度超标，因此选择了蜂鸣器报警的方式。蜂鸣器报警电路如图2-15所示，单片机只需通过一个电阻和一个三极管来驱动蜂鸣器。报警电路的具体工作

47、情况如下：监控系统正常工作时，当室内温湿度超过系统设置预警值时，单片机使P2.5口输出5s间断性的高电平，蜂鸣器通电发出间歇性的报警音，若温湿度一直超过预警值，则每间隔10分钟发出一次报警；当温湿度回到预警值之内时，单片机使P2.5口输出低电平，蜂鸣器不发音。图2-15 蜂鸣器报警电路Fig.2-15 Buzzer alarm circuit2.7红外遥控系统设计红外线遥控因其具有功能强大、价格低廉、体积小、使用方便等优点而广泛应用于家用电器、娱乐设备和电动玩具等电子设备中。本设计通过红外遥控系统可实现在一定距离范围内对整个系统的控制，红外遥控的功能有开/关系统、静音、设置温湿度、开启/关闭风

48、机，特别是当室内的甲醛等有害气体超标时，可通过红外遥控器启动风机净化室内空气。2.7.1红外遥控发射器设计原理红外遥控发射器主要有红外编码芯片、键盘、红外二极管发射电路等组成，它的工作原理为：当有按键按下时，红外编码芯片检测按键位置，然后将按键数据编码，最后将包含按键数据的遥控码发射出去；当没有按键按下时，芯片处于低电流维持状态。红外发射原理如图2-16所示：图2-16 红外发射原理图Fig.2-16 Infrared emission principle diagram2.7.2 红外编码芯片及其工作原理本设计的红外编码芯片采用的是日本NEC公司的PD6121G，该芯片的编码方式采用技术成熟

49、且运用较多的脉宽调制方式。PD6121G红外编码芯片适用于TV、VCR、音响、空调、风扇等遥控设备，通过其键盘电路的设计和内部ROM可设置16位用户识别码用以区别不同的设备。PD6121G具有以下特点。1）工作电压低。正常工作电压范围2.0V3.3V。2）功耗低。没有按键按下时芯片处于低耗电维持状态，维持电流一般小于1A。3）32条单键，3条双键按键指令。利用SEL端可使单/双键指令扩大一倍。PD6121G芯片引脚如图2-17所示：图2-17 PD6121G引脚图Fig.2-17 PD6121G pinsPD6121G芯片各引脚功能：1）KI0KI3：按键输入端，每端内部都具有下拉电阻。2）K

50、I/O07：按键扫描I/O端。3）REM：遥控码发送端，用以驱动红外发射二极管。4）OSCI/OSCO：电路振荡器输入/输出端，外接400500KHz陶瓷谐振器，实现固定频率振荡，且无须频率调整。本设计采用455KHz陶瓷谐振器。5）VDD：外接电源正极接入端，电压范围2.03.3V，本设计采用3V电压供电。6）VSS：电源接地端。7）SEL：遥控数据码扩展端，通过此端控制数据码的D7位，当SEL接VDD时，D7=0,；当SEL接VSS时，D7=1。因为SEL为高阻抗输入端，工作时必须接VDD或VSS。因为本设计只用到8个按键，不需要扩展数据码，所以本设计中PD6121G的SEL端接VDD。8

51、）CCS：用户码设定端，KI/O与CCS连接可设定用户码。9）LMP：当REM发送红外遥控码时，输出低电平，是与之相连的发光二极管亮，表示遥控器处于红外发送状态。 PD6121G基本工作原理：PD6121G内含振荡、时钟分频、定时、按键扫描、数据寄存、用户ROM控制电路以及遥控码输出驱动电路等，按键输入KI03，按键扫描KI/O07接至键盘组成按键阵列，电源接通时，振荡电路不工作，此时红外电路处于低电流（小于1A）维持状态；当有按键按下时，振荡器启动、产生按键扫描信号和内部定时，然后检测按键位置和用户码外部设置状态，从数据寄存器取出相应按键的数据码，根据用户码的外部设定与内部用户码ROM产生相

52、应用户码，最后从REM发送出带引导码的完整遥控码。红外发射管发出的遥控码为采用脉宽调制的二进制码，其中二进制的“0”用高电平为0.56ms、低电平为0.56ms、周期为1.125ms的矩形脉冲表示；二进制的“1”用高电平为0.56ms、低电平为1.69ms、周期为2.25ms的矩形脉冲表示，其波形如图2-18所示。图2-18 位“0”和位“1”波形图Fig.2-18 "0" and "1" waveform diagramsPD6121G外接455KHz的晶振，经过芯片内部分频电路，信号频率被调制在38KHz（445KHz/1238KHz），占空比约占三

53、分之一。PD6121G产生的遥控码是32位二进制码，其中前16位为用户识别码，由芯片内部ROM和按键电路的连接确定，用于区别不同的电器设备，防止不同的遥控器发出的遥控码互相干扰；后16位是8位数据码及其反码。遥控器在按键按下后，就会发出带有按键数据的32位二进制遥控码，遥控码的波形如图2-19所示，一组遥控码持续的时间约为108ms，其中包括9ms高电平加4.5ms低电平组成的引导码、818ms的低8位用户码、818ms的高8位用户码、918ms的8位数据码和918ms的8位数据反码，还有一个2.5ms的停止码。如果按键按下的时间超过108ms，则认为是误操作，那么就只发送引导码和停止码。图2

54、-19 遥控编码波形图Fig.2-19 Remote coding waveform diagrams2.7.3 红外发射电路设计本设计的红外发射电路如图2-20所示。图2-20 红外发射电路Fig.2-20 Infrared emission circuit用户码高八位C0C7由CCS和按键之间的二极管决定，有二极管的为“1”，没有二极管的为“0”，由图2-19可知本设计的用户码高八位C0C7依次为；用户码低八位C'0C'7先由KI/O0KI/O7上拉电阻确定，有上拉电阻的为“1”，没有上拉电阻的为“0”， 由图2-19可知C'0C'7先确定为；之后由高八位的

55、反码决定输出的低八位用户码，若高八位反码中有“1”则低八位中的对应位反相，对应位有“0”则不反相。由此可知用户码为A8F7H。查阅按键数据表可知8个按键S2S9所对应的数据码如下表2-12所示，它们所对应的功能分别为开/关、静音、上移、下移、左移、右移、设置、净化。表2-12 按键数据码表Tab.2-12 Table of keys data codes按键数据码S200000000S300100000S400010000S500110000S600001000S700101000S800011000S900111000按键功能描述：1）开/关（S2）：由开/关键控制整个系统的启动和关闭。2）静音（S3）：使单片机的P2.5口始终保持低电平，蜂鸣器不发声。当人们感觉被蜂鸣器报警的声音打扰到的话，就可以按下此按键关闭报警。3）上/下/左/右移（S4S7）：控制LCD12864光标移动。在设置状态下，当光标停留在数据上时，可修改预警值。4）设置（S8）：修改预警值入口。5）净化（S9）：控制风机的启动和关闭。2.7.4 红外接收电路设计单片机的红外接收电路主要由红外接收头组成。当红外接收电路接收到遥控码时，首先对遥控码进行放大和解调，然后再传送给单片机，单片机对其解码后判定键值，最后根据键值执行相应的操作。本设计的红外接收电路采用了一体化红外接收头RPM6938，RPM6938有