基于单片机的环境安全系统的设计论文

1、 编号毕业设计（论文）题目 基于单片机的环境安全 检测系统的设计 53 / 60毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文

2、）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：目 录摘要Abstract1 绪论11.1 本课题要实现的目标与研究的主要容11.1.1 研究的目标11.1.2 研究的主要容与简要分析12系统总体设计22.1系统设计原则22.2 系统总方案的选定22.2.1 主控制器方案的选型22.3 系统组成框图93 系统的工作原理113.1 传感器的基本特性113.1.1 传感器的静态特性113.1.2 传感器的动态特性113.2

3、温度传感器113.3 湿度传感器153.3.1 特点153.3.2湿度的计算方法163.4 气体传感器MQ-2183.4.1特点183.4.2结构、外形183.5 气体传感器MQ-5193.6 单片机AT89S52213.7 AD转换器TLC2543244 系统的硬件设计和连接274.1温度检测电路设计274.2 湿度检测电路设计274.31602液晶与单片机的连接284.4 声光报警电路设计294.5 时钟电路294.6复位模块314.7 烟雾、可燃气体、有毒气体检测电路设计325 系统软件设计与调试335.1系统软件总体设计335.2 软件设计流程图335.3 系统硬件调试365.3.1硬

4、件静态的调试365.3.2联机仿真调试366 总结与展望38致 39参考文献40附录1 环境安全检测系统原理总图42附录2 环境安全检测系统设计源程序43摘要环境安全检测系统是对环境中的温度、湿度、烟雾、可燃气体和有毒气体进行检测的装置，该系统能显示当前环境中的温度和湿度值，并当环境中的温度超过设定限值和环境中有烟雾、有毒气体或可燃气体出现时，系统将进行声光报警。本系统能使人们与时的得知环境中情况，并判断出环境中有对人们的人身财产造成威胁的因素，提早做出预防。本文首先介绍了环境安全检测系统要实现的目标与研究的主要容，分析系统的总体方案和系统框图，对系统所需的主要器件和传感器做了具体详细的阐述，

5、接着介绍了各个模块硬件电路的设计，最后介绍了系统的软件设计和调试。本文从环境安全检测系统功能要求出发，采用模块化设计方法，通过模块方案的论证，使系统的设计更加合理。本设计以单片机（AT89S52）为核心，配合温度传感器（DS18B20）、湿度传感器(HS1101)和两个气体传感器（MQ-2和MQ-5），以与相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度、湿度、烟雾、可燃气体和有毒气体信号，检测人员可以通过液晶显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现，温度传感器得到的测量信号，直接送到单片机进行数据处理，经软件分析处理后送显示装置。而湿度传感器要

6、置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，才可直接被计算机所采集。两个气体传感器得到的测量信号要经过AD转换器TLC2543后才能送到单片机进行数据处理。整个检测系统是在程序控制下工作的，本系统在KEIL公司研发的keil µVision4下用C语言编写了所有的程序。在本文最后，对本次设计做了总结，提出了本次设计的一些不足，并给出了一些改进措施。关键词：环境安全；单片机；温度传感器；湿度传感器；气体传感器AbstractEnvironmental safety detection system is the devices which can detect i

7、n theenvironment oftemperature,humidity,smoke, flammable gas and toxicgas, the system can displaythecurrentenvironment of thetemperature and humidity values, and whentheenvironmenttemperature exceeds thesetlimitsand smoke,toxic gasesorcombustible gas are discovered in the environment, the system wil

8、l be sound and light alarm. Thissystem can make people know timelysituation of the environmentand determinefactors in theenvironmental that canpose a threat topeople'spersonal and propertyand to prevent early.This paper first introduces the environmental safety detection system to achieve the ob

9、jectives and the main content of the examination, analysis the system of the overall program and system block diagram, elaborates the system requirements for the major devices and sensors specifically and in detail, then the design of the various modules of hardware circuit, the final introduced the

10、 system of software design and debugging.This paper, from requirements of environmental safety testing system functionality, adopted approach of modular design, demonstration by module program, and make the design of the system more reasonable. The design of the core is the microcontroller (AT89S52)

11、 with temperature sensor (DS18B20), humidity sensor (HS1101), two gas sensors (MQ-2 and MQ-5) and related peripheral circuits constituted the detection systems. That can receive measured signal of environmental temperature, humidity, smoke, combustible gases and toxic gases. Inspectors through the L

12、CD data real-time monitoring temperature and humidity of the environment. All the measurement operation achieved by the host control software, the measurement signal of the temperature sensor can directly send to the microcontroller for data processing. The data adopts analysis and handle by softwar

13、e, and then sends to evacuations display device. But humidity sensors must be placed in a 555 oscillator circuit, transform the capacitance changes into the voltage-frequency signals in order to signals can be directly acquired by the microcontroller. Two gas sensors measured the signal that must go

14、 through AD converter TLC2543 to send to the microcontroller for data processing. The whole detection system is in process control, this system wrote all the procedures by C language under the keil Vision4 which developed by KEIL company.At theend of this article, it makes a summary for thedesign, p

15、roposed a number of shortcomingsinthedesignand proposedsome improvements.Key words: Environmental safety; Microcontroller; Temperature Sensor; Humidity Sensor; Gas Sensors1 绪论环境安全是关系到地球上一切生物的生存与可持续发展、一个国家的稳定与发展与世界和平与安定的根本问题，是当前环境科学与人文社会科学研究的热点。环境安全检测系统作为现代重要的环境安全设施，受到日益推广与普与，致使相关的生产厂也如雨后春笋般涌现，境外产品也大

16、量进入，但是此类产品无法兼容与互换，施工单位如不能形成一套行之有效的工法，这样不仅加大工程投入，同时会因为忽视了有关要点使工程留下或多或少的缺点、进而导致维护工作量的增加，甚至缩短了系统使用寿命。因此对环境安全检测系统的设计要求很高。1.1 本课题要实现的目标与研究的主要容1.1.1 研究的目标根据课题要求，本文研究的环境安全检测系统主要实现以下功能：能够检测室的温湿度、烟雾浓度、有毒气体、可燃气体等参数，当温度超过指标或者检测到有有毒气体、可燃气体和烟雾时能够声光报警。1.1.2 研究的主要容与简要分析本课题研究的主要容是基于图1.1的所示的完整的系统主要模块结构图，下面简要说明各个模块的功

17、能。报警模块数据处理模块数据采集模块块液晶显示模块数据存储模块数据数据图1.1环境安全检测系统主要模块结构图数据采集模块：采集环境中的温度、湿度、烟雾浓度、有毒气体、可燃气体等参数的数据。数据处理模块：对采集到数据进行分析处理，是该系统的核心部分。数据存储模块：按照规定的格式准确地存储相应的数据，需要达到相应的数据安全的要求。液晶显示模块：将采集来的数据处理后按要求显示。报警模块：当采集来的数据经处理和存储后发现超出限定值时，就会报警。2 系统总体设计2.1 系统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

18、节，都应该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；进行软硬件滤波；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。2.2 系统总方案的选定2.2.1 主控制器方案的选型1、单片机的选择单片机是系统的控制核心，所以单片机的

19、性能关系到整个系统的好坏。因此单片机的选择，对所设计系统的实现以与功能的扩展有着很大的影响。单片机种类很多，在众多51系列单片机中，较为常用的是ATMEL公司的AT89C51和AT89S52单片机，AT89C51片4K，ROM是Flash工艺的，使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进行电擦除和改写，片有128字节的RAM。而AT89S52含有在系统可编程的Flash存储器，片有8K闪存，RAM的容量也较AT89C51大，为256字节。显然这种单片机优点更多，开发时间也大为缩短。因此，在本次设计中选用了ATMEL公司的AT89S52单片机。2、 温度传感器选用随着温度传感器智能化、集成化技术的

20、进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用MCU的I/O引脚数情况如何，因为MCU的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。目前在数字温度传感器

21、中采用的串行总线主要有Philips公司的I2C总线、Motorola公司的SPI总线、National Semiconductor公司的Microwireplus总线、Dallas Semiconductor 公司的1-Wire总线和Siemens公司的Profibus总线等。常用的数字温度传感器主要有：（1）AD7418是美国模拟器件公司（ADI）推出的单片温度测量与控制用集成电其部包含有带隙温度传感器和10位A/D转换器。测温围为-55+125，具有10位数字输出温度值，分辨率为0.25，精度为±2，转换时间为1530ms。具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受

22、环境干扰等优点。AD7418可以级联至多8片在同一个I2C总线上。（2）LM74是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、A/D数转换器，并具有 SPI/Microwire 兼容总线接口的数字温度传感器。具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。LM74具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10A,适用于对功率消耗有严格限制的系统。LM74的模数转换器为12位外加符号位，因此在其有效工作围可达0.0625的分辨率，转换时间为425ms。（3）MAX6575L/H

23、是美国MAXIM公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温围为-40+125，其误差围：在25时优于±3在 85时优于±4.5，在125时优于±5。但是 MAX6575L/H在其测温围非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。它最多允许在一根MCU的I/O总线上同时挂接8个MAX6575L/H进行多点温度测量。为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象MAX6575提供了“L”和“H”两种型号的传感器,它们的使用方法一样,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。但是，MAX

24、6575L的远距离传输特性并不理想，传输围只能在5m以，超过此围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。（4）DS18B20是美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器与其它复杂外围电路的缺点，而且可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。DS18B20的测温围-55+125，最高分辨率可达0.0625，由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其RO

25、M中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。Dallas公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：（1）适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；（2）性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；（3）具有CRC校验功能，可靠性高；（4）软件设计规，系统简明直观，易于掌握。由于DS18B20独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占MCU的I/O引脚资源少，MCU的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用DS18B20作为温度测量的传感器。3、湿度传感器的选用近年来，国外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。湿敏传感器正从简单的湿

26、敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。选择集成湿度传感器应考虑以下几点：感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量围宽，要有较好的一致性、可重复性，线性度要好、湿滞小，较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家与典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610 型），Humirel公司HS1101、HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。这些产品可分成以下三种类型：（1）线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有HIH3605/

27、3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。（2）线性频率输出集成湿度传感器典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。（3）频率/温度输出式集成湿度传感器典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NT

28、C）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从 NTC 端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。常用的集成湿度传感器主要有：（1）HIH-3610是美国Honeywell 公司生产的具有信号处理功能的热固聚酯电容式相对湿度传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、油、与一些化学品。工作围：温度-40+85，相对湿度 0100%RH，精度达到±2%RH，激光修正互换性至5%RH，低功耗驱动电流设计为 200A，反应时间为15s，稳定性好、较低的漂移、抗化学腐蚀性能强。（2）HF3223湿度传感器是法国 Humirel公

29、司生产的专利的固态聚合物结构相对湿度传感器，具有线性的频率输出，湿度测量围 1095%RH，精度±5%RH，湿度迟±1.5%RH，温度工作围-30+80，温度特性好，高可靠性与长时间稳定性，在长时间处于饱和状态后快速脱湿，反应时间10s，对化学品有较高的抵抗性，浸水没有影响。（3）HS1101湿度传感器是法国Humirel公司制造的电容式相对湿度传感器。带防护棒式封装，5VDC恒压供电，14VDC 放大线性电压输出，便于用户使用。湿度测试量程为0100%RH，精度达±3%RH（1095%RH 围），防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质，非常低的温度依赖性，长期稳定

30、性好，反映时间5s，广泛应用于机房监控，智能楼宇，仓库监控等控制场合，价格实惠，是一款性价比极高的湿度传感器。电容式温度传感器HS1101，采用创新技术、稳定性好、精度高、外带防护罩，抗静电、防灰尘、并可抵抗氯气、氨水等，基于独特的电容元件，专利的固态聚合物结构。故选用HS1101。4、气体传感器的选用气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分 。气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置！气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这

31、种归类不一定科学。目前流行于市场气体传感器大约有如下一些种类：(1) 催化燃烧式气体传感器 这种传感器是白金电阻表面制备耐高温催化剂层，一定温度下，可燃性气体其表面催化燃烧，燃烧是白金电阻温度升高，电阻变化，变化值是可燃性气体浓度函数。催化燃烧式气体传感器选择性检测可燃性气体：凡是可以燃烧，都能够检测；凡是不能燃烧，传感器都没有任何响应。催化燃烧式气体传感器计量准确，响应快速，寿命较长。传感器输出与环境爆炸危险直接相关，安全检测领域是一类主导位传感器。但是可燃性气体围，无选择性。暗火工作，有引燃爆炸危险。大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用。(2) 半导体式气体传感器 它是利用一些金属氧化物

32、半导体材料，一定温度下，电导率环境气体成份变化而变化原理制造。比如，酒精传感器，就是利用二氧化锡高温下遇到酒精气体时，电阻会急剧减小原理制备。半导体式气体传感器可以有效用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体检测。尤其是，这种传感器成本低廉，适宜于民用气体检测需求。下列几种半导体式气体传感器是成功：甲烷（天然气、沼气）、酒精、一氧化碳（城市煤气）、硫化氢、氨气（包括胺类，肼类）。高质量传感器可以满足工业检测需要。缺点：稳定性较差，受环境影响较大；尤其，每一种传感器选择性都唯一，输出参数能确定，不宜应用于计量准确要求场所。(3)

33、电化学式气体传感器 相当一部分可燃性、有毒有害气体都有电化学活性，可以被电化学氧化还原。利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学气体传感器分很多子类：1、原电池型气体传感器（也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器），他们原理行同我们用干电池，电池碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧阴极被还原，电子电流表流到阳极，那里铅金属被氧化。电流大小与氧气浓度直接相关。这种传感器可以有效检测氧气、二氧化硫、氯气等。 2、恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它原理与原电池型传感器不一样，它电化学反应是电流强制下

34、发生，是一种真正库仑分析传感器。这种传感器已经成功用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体检测之中，是目前有毒有害气体检测主流传感器。 3、浓差电池型气体传感器，具有电化学活性气体电化学电池两侧，会自发形成浓差电动势，电动势大小与气体浓度有关，这种传感器成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。 4、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度传感器利用电化池中极限电流与载流子浓度相关原理制备氧（气）浓度传感器，用于汽车氧气检测，和钢水中氧浓度检测。(4) 热导池式气体传感器 每一种气体，都有自己特定热导率，当两个和多个气体热导率差别较大时，可以利用热导元件，分辨其中一个组分

35、含量。这种传感器已经传感器用于氢气检测、二氧化碳检测、高浓度甲烷检测。这种气体传感器可应用围较窄，限制因素较多。(5) 磁性氧气传感器 这是磁性氧气分析仪核心，目前也已经实现了“传感器化”进程。它是利用空气中氧气可以被强磁场吸引原理制备。这种传感器只能用于氧气检测，选择性极好。大气环境中氮氧化物能够产生微小影响，这些干扰气体含量往往很少，磁氧分析技术选择性几乎是唯一！(6)红外线气体传感器 大部分气体中红外区都有特征吸收峰，检测特征吸收峰位置吸收情况，就可以确定某气体浓度。这种传感器过去都是大型分析仪器，近些年，以MEMS技术为基础传感器工业发展，这种传感器体积已经由10升，45公斤巨无霸，减

36、小到2毫升（拇指大小）左右。使用无需调制光源红外探测器使仪器完全没有机械运动部件，完全实现免维护化。红外线气体传感器可以有效分辨气体种类，准确测定气体浓度。这种传感器成功用于：二氧化碳、甲烷检测。综上所述，由于本课题需要检测气体种类较多，既适合民用又要应用在工业中；因此选用半导体式气体传感器，而且半导体式气体传感器成本低廉。半导体传感器包括电阻式气体传感器和非电阻式气体传感器，电阻式气体传感器是是利用其阻值变化来检测气体浓度；非电阻式气体传感器是利用一些物理效应也器件特性来检测气体。电阻式半导体气体传感器敏感材料主要分为金属氧化物、复合材料和高分子材料三种，种类不同，其检测的气体不同。一般常用

37、的半导体式气体传感器有MQ-2、MQ-4、MQ-5、MQ-6、MQ-8等，它们一般检测目的与检测围为：MQ-2：可燃气体、烟雾；300 to 10000ppmMQ-4：天然气、甲烷；300 to 10000ppmMQ-5：液化气、甲烷、煤制气；300 to 5000ppmMQ-6：液化气、异丁烷、丙烷；100 to 10000ppmMQ-8：氢气、煤制气；50 to 10000ppm本课题主要检测烟雾、可燃气体、有毒气体，所以选用MQ-2检测烟雾，MQ-5检测可燃气体和有毒气体。5、AD转换器的选用实验和工程实际中我们要进行大量的数据处理。运用单片机采集系统能很好的解决这些问题。基本的采集系统

38、一般由MCU,A/D,PC构成, MCU 是整个系统的核心,A/D是数据的源头,PC是数据的归宿地。A/D转换器的选择直接关系到采集精度是否理想。现在TLC2543这款A/D转换器运用很广泛。TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器,使用开关电容逐次 逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构,能够节省51系列单片机I/O资源;且价格适中,分辨率较高。因此选用TLC2543.6、显示模块的选用显示有串行和并行两种方式。并行显示方式占用硬件资源多，八个笔划段和几个显示驱动控制端都要接到单片机的I/O引脚，但显示刷新速度快；串行显示方式占用硬件资源少，仅数据锁存控制端、时钟端、数据端三个

39、端口要接到单片机的I/O引脚上，显示刷新速度较并行显示方式慢。显示单元是人机交互的窗口，是传递仪表工作状态和检测数据的关键性设备，通常的显示器件有液晶显示器（LCD）和数码管显示器（LED）。液晶显示器在使用中有许多注意事项：不能对它长期施加直流电，否则易造成显示器的老化；必须注意防潮；防止施加过大的压力；对于使用的环境温度要特别注意，温度不能太高也不能太低；防止紫外线的直接照射；要特别注意防静电，焊接显示器时烙铁要接地。可见液晶显示器在使用中有众多的限制条件，但它同时也有一定的优势，其中最明显的就是低功耗，消耗电流一般是PA级的。数码管显示器不同与液晶显示器，它对电源没有特殊要求，受环境温度

40、的影响不大，不怕的照射，也没有严格的防静电要求，而且它的显示亮度要比液晶显示器亮许多，适于安装在室、室外、黑暗和光线强的各种环境中，但它的耗电量明显高于液晶显示器。本设计选用液晶显示器。2.3 系统组成框图以单片机为控制核心，采用温度、湿度、烟雾、可燃气体和有毒气体测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器和气体传感器作为测量元件，构成智能环境安全检测系统。该系统，可分为温度测量电路，湿度测量电路，烟雾测量电路，可燃气体和有毒气体测量电路，数据存储与显示电路，声光报警电路，见图2-1。选用的主要器件有：温度传感器DS18B20，湿度传感器HS1101，气体传感器MQ-2和MQ-5，NE

41、555，AD转换器TLC2543，单片机AT89S52等。单片机89S52AD转换器TLC2543MQ-2气体传感器MQ-5气体传感器液晶显示报警电路DS18B20温度传感器HS1101湿度传感器NE555图2-1 系统框图3 系统的工作原理3.1 传感器的基本特性在监控系统中有各种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器能感受被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。传感器所测量的非电量是处在不断的变化之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量，取决于传感器的输入输出特性。传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述。3.1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性

42、是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有:线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。3.1.2 传感器的动态特性传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。而实际量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以与试验分析的方法确定，其动态特性参数如:最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应围、临界频率等。3.

43、2 温度传感器美国DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器，可以直接将被测温度转化为串行数字信号供微机处理，通过简单的编程实现9位的温度读数。并且多个DS18B20可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下特性:（1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，

44、实现多点测温。（3）DS18B20在使用中不需要任何外围元件。（4）温围-55+125，固有测温分辨率0.5。（5）测量结果以9位数字量方式串行传送。DS1820采用3脚TO-92封装或8脚50封装，管脚排列如图3-1所示：图3-1 DS18B20的引脚对图3-1中DS18B20的引脚功能说明如下：NC：空引脚，不连接外部信号。VDD：接电源引脚，电源供电3.05.0V。GND：接地。DQ：数据的输入和输出引脚。DQ：引脚的I/O为数据输入/输出端(即单线总线)，该引脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。DS18B20的部框图如图3.2所示，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口

45、、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7部分。图3-2 DS18B20的部框图测温原理见图3-3。低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。初始时，温度寄存器被预置成-55，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1，这个过重复进行直到计数器2计数到0时便停止。初始时，计数器1预置的是与-55像对应的一个预置值。以后计数器l每一个循环的预置数都由斜率累加器

46、提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器1的预置数也就是在给定温度外使温度寄存器存值增加1计数器所需的计数个数。图中比较器的作用是以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与025进行比较，若低于0.25，温度寄存器的最低位就置0，若高于0.25，就置1，若高于0.75，温度寄存器的最低位就进位后置0。这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最末位代表0.5，四舍五入最大量化误差为士l/ZLSB，即0.25。图3-3 DS18B20测温原理图温度寄存器中的

47、温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位其余8位以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这9位数据转存到暂存寄存器的前两个字节中，符号位占用第1字节，8位温度数据占用第2字节。DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。DS18B20部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号:同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位(包含一位符号)，但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，温度和数字量的关系如表

48、3-1所示。表 3-1 温度和数字量的关系变量输出的二进制码对应的十六进制码+125101000FAH+2500100032H+1/200010001H000000000H-1/21111FFFFH-251110FFCEH-550010FF92H单线总线，即1-wire技术是DS18B20的一个特点。该技术采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设

49、备时，系统可按单节点系统操作;当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。DS18B20 有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，完成温度转换的时间较长。为了保证在有效的时钟周期，提供足够的电流，这种情况下，用一个MOSFET管和单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V)，完成温度测量的时间较短。当使用数据总线寄生供电时，供电端必须接地，同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以便对传感器充电。但当所测温度超过100时，DS18B20的漏电流增大，传感器从I/O线上获取的电流不足

50、以维持DS18B20通讯所需的电流，此时只能选用外部供电方式。比较而言，寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度则要快些。3.3 湿度传感器测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量与周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面 介绍HS1101湿度传感器与其应用。3.3.1 特点不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，适用于线性电压输出和频率输出

51、两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。图3-4a、湿敏电容工作的温、湿度围 图3-4b、湿度-电容响应曲线。相对湿度在1%-100%RH围；电容量由160pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。3.3.2湿度的计算方法本设计将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，从而得出湿度。频率输出的555测量振荡电路如图3-5所示。集成定时器555芯片外接电阻R4、R6与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。7端通过芯片部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6

52、端相连引入到片比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。电源电压工作围是+3.5V-+12V，本监测系统采用+5V。R4是作为部温度补偿，引入温度效应，使它与HS1101的温度效应相匹配。R4必须是1%精度,最大温度效应小于100ppm的电阻。由于不同型号的555的温度效应不同，所以R4必须与相应型号的555芯片相匹配。为了保证在55%RH的典型湿度值为6660Hz(25)，R6也必须做修正。对于NE555，R4取909k,R6取576k。为了使输出方波占空比接近50%，应使R6>>R5，本系统R5取49.9k。图3-5 频率输出的555振荡电路该振荡电路两个暂稳态的交替过

53、程如下：首先电源Vs通过R4、R6 向C充电，经t充电时间后，Uc达到芯片比较器的高触发电平，约0.67Vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R6放电，经t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33Vs此时输出，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为 t充电=C（R4+R6）Ln2 t放电=CR6 Ln2因而，输出的方波频率为f=1/(t放电+t充电)=1/ C（R4+R6）Ln2可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3-2给出了其中的一组典型测试值。表3-2空气湿度与电压频率的典型值%RH010

54、2030405060708090100Hz73517224710069766853672866006468633061866033该振荡电路输出的方波的频率fout：fout=1/ C（R4+R6）Ln2根据HS1101使用手册，该振荡电路输出的方波频率围是60337351Hz,所对应的相对湿度为1000%R。表3-2给出了一组相对湿度与电压频率的对应值。输出电压频率与湿度关系为：其中，fout(55)是指在55%RH的典型湿度值时的电压输出频率值，在25下,该值为6660Hz。本系统要求湿度精度为3%RH，可以用下式计算fout与RH的关系：输出方波的占空比D为：由上式可计算出振荡电路输出的

55、方波的占空比为52%。3.4 气体传感器MQ-23.4.1特点可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气丙烷、丁烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测，长寿命、低成本，简单的驱动电路即可。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。图3-8是传感器的基本测

56、试电路。该传感器需要施加2 个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。VcVHGNDRLVRL图3-6 传感器的基本测试电路图3-6 传感器的基本测试电路3.4.2结构、外形MQ-2气敏元件的结构和外形如图3-9所示(结构 A或B), 由微型Al2O3瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。图3-7 MQ-2气敏元件的