《气候环境智能监测系统设计与实现》7400字

气候环境智能监测系统设计与实现第1章前言 51.1课题研究的背景现状及意义 51.2环境监测系统的发展现状及应用 51.3课题研究的内容 61.4课题完成可行性分析 7第2章系统方案的选择 82.1MCU的选择 82.2温湿度检测芯片的选择 92.3按键的选择 102.4LCD显示的选择 102.5ADC检测电路方案的选择 112.6PM2.5检测电路方案的选择 12第3章环境监测系统硬件设计 143.1STC89C5 143.2温湿度传感器 173.3键盘功能部分 193.4LCD1602液晶显示屏 193.5LED指示电路设计 203.6蜂鸣器驱动电路设计 213.7ADC电路模块设计 213.8PM2.5检测电路设计 23第4章KEIL软件及环境监测系统软件设计 244.1主要流程设计 254.2LCD1602显示程序 274.3温湿度传感器程序设计 284.4按键检测程序设计 294.5ADC检测程序设计 30总结 37附录： 38第1章前言1.1课题研究的背景及意义老一辈的前辈用眼睛，笔，纸三样东西就开始了气象监测的道路，再之后雷达卫星气象站的出现让我们能更好的监测环境，但是常规的观察手段毕竟存在的一定的不足。传统的环境检测控制方法是人工仪表控制，存在的弊端很多，它们采集的电路十分复杂，重复性很差，工艺要求难以达到理想设计要求，而且需要经过温度采集、信号放大、滤波等多道程序才能得到较精准的温度数据，工作强度十分大，而且得出的数据其线性度和准确度都很不理想，抗干扰能力弱。因此，传统的环境检测控制系统淘汰成为必然，更加智能化的精确的环境检测系统成为其替代品。而现在环境检测系统最常用就是单片机芯片，它们的优点显而易见，控制精准，有效功率高、重复性好，自动性程度高，使用起来也是十分的方便。1.2环境监测系统的发展现状和发展趋势环在网络的作用下，智能化的环保监控体系是物联网络的具体表现。智能环保监控是利用互联网技术，将家居内的各类环保装置串联起来，为用户在个人电脑、智能电话等智能终端上实现对周围的监控。与常规的环境监控系统相比较，它既具备了常规的监控系统，又具备了网络通信和自动化设备的自动化，从而为用户提供集系统、结构和服务；高效、舒适、安全的经营为一体；方便，环保的居住。有助于维持家人和外界的沟通，使人们的日常行为得到最好的改善。智能环保监控是一个新的行业，也是一个蓝海，吸引了国内外许多企业的目光，比如通过

HomeKit的平台进入了智能家庭，比如谷歌，比如Nest，比如国内的很多企业，比如围绕着智能环境的测试。但目前的智能环保监控行业尚未出现三足并进的局面，所以各厂家都面临着机会。尽管智能环保监控还未广泛应用，但随着科学技术的发展，智能化的环保监控体系的诞生和发展已成为一种必然。随着各种技术的不断发展和推广，为环保监控的智能化提供了有力的技术支撑。智能化环保监控系统以其高效、便捷、智能化等特点，在我国有着广泛的应用前景。.1.3课题研究的内容所研制的智能环境监控系统，可以对室内温度、湿度、气压、光线、尤其是PM2.5等进行实时监控，所收集到的数据可以被实时地保存下来，然后传输到计算机中，在计算机中可以看到目前的和以前的各种环境的参数。(1)能够对温度、湿度、光线强度、

PM2.5等重要的环境状况进行监控；(2)将键盘与液晶面板模组放大，选择所需要的显示参数；(3)扩充记忆、告警、存贮、告警等。这篇文章由四个主要部分组成第一章：项目设计，阐述了智能环保监控系统的总体设计，并对其进行对比，从中选择最合适的方案。第二章是系统的软体设计，对软体的软体进行了详细的介绍，并给出了各组件的具体实现方式。第三章：系统的软件设计，对每个功能的具体的软件实施进行了详细的阐述。第四节是对本论文的系统进行了测试，并对软件和软件的具体实施及调试经验进行了说明。1.4课题完成可行性分析(1)在芯片方面，MCU的结构更加成熟，稳定性和可靠性得到了极大的提高，再加上外部的安全线路，可以适应各种复杂的工作条件；(2)在晶片的功能方面，微处理器自身能够通过程序来完成各种复杂的功能及控制逻辑，能够满足该项目的要求；(3)在资料传送方面，使用更为平稳、快速的传送模式，以保证资讯的快速与安全；(4)在硬件方面，已不存在无法克服的可靠性和稳定性问题。同时，单片机自身的稳定、可靠程度也得到了改善；(5)在系统的作用方面，由于网络技术的发展，将来的发展必然是智能化的环境监控，因此，对控制装置的要求是要有一个稳定的通讯界面；例如：以太网、

USB、无线等，它们在PLC中难以完成，但均能与MCU相结合。第2章系统方案的选择在此基础上，对与智能化环保监控系统有关的产品进行了参数特性的研究，并对该领域的应用进行了深入的研究。同时，对MCU的功能与资源进行了详细的分析，对周边设备的选用进行了科学的评价，最后给出了整个项目的总体设计框架，然后依据该框架对每个单元进行了评价和选取。如下图：本课题实现的基本思路是，使用单片机作为系统的主控制器。单片机通过外部电路实现对温湿度、光线强度以及PM2.5的检测。这些检测的结果通过显示系统显示出来。方便与用户进行交互。下面就将讨论这几个模块的方案选择。2.1MCU的选择使用8比特的微处理器。8位的微处理器主要是51核心，这种类型的微处理器发展的很快，很多人都知道。所以在运用中累积了大量的运用和问题的经验。因为是51核心，因此，它自身的寄存器数量和命令集合都很小，易于掌握。难度低、开发容易是它的一个重要特征，在这以后它的价钱也是相对的。虽然一开始很贵，但在这个时代，它的价值，却下降了不少。不过因为它的廉价，所以它的数量并不多。比如

ADC、

DAC之类的，都是需要的。2.2温湿度检测芯片的选择温湿度的采集也是本次多信道的重要组成部分，只要合理地对线路进行分析，就能使其充分利用。下面是一些具体的方案：该多通道多通道的多通道数据收集，采用温、湿度一体化的DHT11、S等传感器，对多通道数据的采集进行了详细的设计，并根据需求对系统的需求进行了综合考虑；本文采用DHT11型感测器进行温度、湿度的测量。2.3按键方案的选择该系统具有独立的键控回路，各输入输出与MCU接口均有单独的接口，具有操作简单、快速发展的优点；这种方法既消耗了大量的系统资源，又可以根据具体的设计来进行优化，由于每个设计所需要的资源都是不一样的，所以还要视具体的情况而定。尽管该方案由阵列式的键盘和单独的按钮来实现，但由于采用了简单的操作和简单的触发器，所以该方案采用了单独的按键设计方法，在设计中采用了主控功能的查询模式；尽管反应比较缓慢，但已经足够满足设计要求。2.4LCD显示的选择该项目要求对各种不同的环境指标进行即时的显示。并且，要找出有关的信息.用LCD屏幕来进行显示。LCD屏幕上有LCD1602,LCD屏幕可以用文字和数码来进行显示。它能展示的数据为16X2个字符。它不仅可以进行文字的显示，还可以调节背景光线，调节屏幕的亮度，从而保证在各种光线的情况下都有很好的表现。LCD1620的显示器具有丰富的显示和易于操作的特点。其不足之处在于无法显现汉字。2.5ADC检测电路方案ADC的选择是对项目要求的关注。一是信道数量和

ADC的转换准确率，二是使用方便。ADC0832，两路，8比特，ADC变换晶片。采用DIP8结构，仅需3个

IO端口与MCU进行通讯。ADC0832采用两条以I2C为主的数据线路与MCU进行通信。2.6PM2.5检测电路方案PM2.5是空气中的一种颗粒，其直径在2.5μm以下，又被称作吸入肺部的颗粒。科学家们将

PM2.5作为一立方米大气中含有的微粒，它的浓度是指空气中的浓度。这是一种利用光线的折射，在设备内安装一个红外线发射管，并以一个特定的角度来安装一个红外线接收。若大气为洁净，光线将沿着一条直线行进，而红外线将不会接触到红外线，因此没有任何的电压。在大气中加入了一些不纯物质，就会产生漫反射，从而使一些光被折射到接收端。在接受到光的时候，可以将一个电压值作为输出，使用者可以根据电压值来判定净化过程。当然，在选择红外线的频段和设备的工艺时，也要根据PM2.5规定的颗粒尺寸来确定，从而使计算的精度得到提高。虽然准确率不高，但也很容易被测量。得到的资料速度更快，实时性更好。例如GP2Y1010AU0F日本的尘埃感应器。第3章环境监测系统硬件设计3.1STC89C52介绍STC89C52是一款低功耗，高性能8比特CMOS8位单片机，采用8K的可编程

Flash内存。STC89C52采用灵活的8比特

CPU和可编程

Flash，为多种嵌入式应用提供了高灵活、高效的解决方法。STC89C52与MCS-51系列微处理器在命令和插针方面具有良好的相容性；芯片中有4K位的可反复编程的快速擦写内存；工作频率：0-24兆赫；3级程序存储密码；128x8比特内存；32比特的双向输入量；2个16比特定时/计数器，5个中断电源，2个中断优先权，一个全双工的非同步串行端口；断续模式和断续模式。STC89C52能够实现一个小型微型计算机的应用，使其体积减小、可靠性提高、成本下降。四个输入/输出端口均可用于所有的用户，前提是该软件的编程长度不超过4K。使用5V的伏特程序，只需要10ms的擦写，只需要10ms，只需要8751/87C51的1个小时，和8751/87C51的12

V的电压擦写比较，设备不容易受到损伤，没有对两种电源的需求，在重写过程中无需拔掉晶片；适用于多种嵌入式系统的应用。工作电压在2.7-6V，完全静止工作，工作频率在0-24兆赫，较51型51类6兆赫到12兆赫更为灵活，且可快速可调。STC89C52芯片可实现三层编程内存的安全，为硬件的安全和安全的安全保障。P0端口是三种状态的双向端口，也就是所谓的数据总线端口，它可以用来对外存进行读取和写入。MCU最少部分包括晶振和重置两部分。晶振回路用于为该系统供电，而重置回路则用于提供有效的重置，而这两种功能都满足了单片微处理器的最低要求，因此也被称为MCU最少。3.2温湿度传感器介绍DHT11型数码温度湿度感测器，包含经标定的数码讯号，采用特殊的数码模组技术及温度感应技术，保证了其高可靠、长久之稳定。该传感器由电阻感应和NTC温度测量组成，并与8比特的高性能微处理器相连。从而使其品质优良，响应速度超快，抗干扰能力好，价格低廉。DHT11的每一个感应器都是在非常精密的测湿间进行标定。在OTP记忆体中，标定因子是以程式的方式存在，而在对探测讯号进行加工时，则会被感测器内所呼叫。采用单线制串行界面，简化了系统的整合。极小的体积和极低的功率消耗使得它是这类产品在严格的使用环境中的理想之选。本品采用四线单行插头包装，便于联接。DHT11的电路板，包括一个向上拉伸的电阻器，从左边到右边，是GND，数据，NC,VCC。DHT11具有更广的供电能力，能与3.3V和5V的系统兼容。此处可以与单片机的供电线路相连接。如图4-4所示：图4-4DHT11电路3.3键盘功能部分键盘是一种与单片机进行交流的方法，而在此项目中，只需少量的键，所以其设计非常的简洁；与微处理器管脚连接。由于在单芯片管针中有一个向上拉伸的电阻器，所以在此处可以忽略上拉电阻器。该键是直接接地的，在被按下的键后，管针变成了低级。由此，由微处理器根据高、低的水平来判定按钮是否被按下。按键如图4-5所示：图4-5按键电路3.4LCD1602液晶显示屏LCD1602是目前市场上最常用的LCD显示器。1602意味着这个模块可以同时展示两条线，每个线可以同时展示16个字。而且，它的体积很小，非常适用于微型的嵌入式系统。在硬件上，其电源为5V，不需额外的外部设备，只需使用一个可调整的可调式电阻。在控制上，采用平行、串行等控制方法，通过控制、读、写控制等信号实现液晶显示器的控制，使能输出待用的资料。该设计采用了8比特的P0接口进行8比特的数据传送，按照控制引脚4的状况将其分成指令和资料两种，其中引线6是启动引线，引针5是读/写控制引线；由于

LCD

1602的内部不需要被读出，所以5引线在低位写入，引线1和2是LCD电源引线，引线15和16是

LCD的背光源引线，LCD理论上指出，为了调整

LCD

1602的反差，必须要有一个偏置；利用滑块进行此项设计。LCD的原理图为图4-7所示：图4-7LCD原理图3.5蜂鸣器驱动电路这一方面的工作是利用三极管来完成，三极管是一种具有很强的功率放大器，它更适用于对蜂鸣器进行控制。由于蜂鸣器是一种电力装置，它只需大约20毫安的电压，便能使蜂鸣器工作。这里选用

PNP三极管，使其在MCU处于低电位状态下工作。其理由是：在低频状态下，单芯片IO的功率要大于高功率状态下的功率。由于在充电时，插针的预设处于高电平时，因此可以防止继电操作。。电路图如4-8所示：图4-8蜂鸣器连接图本设计中，当各个模块的检测数据达到报警线时蜂鸣器工作。3.6ADC电路采集模块ADC是用来对信号进行转换的设备。利用ADC芯片实现了对外界模拟信号的实时获取。有一些重要的衡量标准可以用于ADC晶片。一种是解析度，它代表ADC变换晶片在采集到的数据后，所产生的二值二元数值。该参数可以部分地反应ADC的测量最少的电压。ADC的另一项指标是测量电压的幅度，在实际应用中需要特别的考虑，因为ADC的输出功率较低，会造成ADC信号的损伤。此款

ADC芯片由美国

NationalSolutionalInc.开发，具有8比特的解析度，最大5V的ADC晶片ADC0832。ADC0832是一种性价比高、性能可靠、性价比高的ADC晶体管。另外，该芯片的尺寸很小巧，能够同时进行两个ADC信号的采集，而且单片的运行也相对简单，取样精度高。所以在很多情况下都有使用。ADC0832与

MCU之间的连接非常简便，仅需三条线路，

DI和

DO因为工作时间的顺序不一样，可以使用一条。另外，有

CLK和

CS。类似于

SPI总线。不过，时间顺序有很大差别。如图4-9所示：图4-9ADC0832连接图3.7PM2.5采集电路模块日本灰尘感应器GP2Y1010AU0F是一款在室内对角处安装红外LED和光敏晶体管的光敏元件，它可以侦测到灰尘在空中的反射光线，甚至可以侦测到很微小的烟尘微粒；一般用于空气清洁。它能测定0.8微米或更高的含笑颗粒，并能感应到香烟的鼻腔、鼻腔、花粉、建筑灰尘等。小巧、轻巧、安装方便，适用于空气清新设备；通风、通风器及其它制品。能检测到0.8微米以下的细小颗粒，并能感应到香烟烟雾、花粉、建筑灰尘等.本设计PM2.5连接图如图4-11所示：图4-11PM2.5连接图 第4章KEIL软件及环境监测系统软件设计Keil是美国

KEIL公司研发的一款常用的嵌入式开发平台，与ARM公司紧密协作。现在，市场上几乎所有的MCU都能被提供，而且它可以从网上自由的下载。这是一个32K的自由软件，对于那些不需要为版权和专利权发愁的学生来说是很好的。该程序提供C代码的编译器和连接。在Keil中，使用者仅需将所要用的程式码写入C，然后再利用

Keil自己的编译与连结程式来产生程式；即普通的HEX档案，BIN档案。而且Keil的编辑器也十分的方便，可以根据功能名称来查找功能的具体位置，还可以自己设定TAB的缩进值；在目前的档案和目前的路线中，可以快速地查找关键字。有许多方便快捷的快捷方式，在此不再一一罗列以下是KEIL的基本操作。首先，在

KEIL中，你会看到一个没有任何内容的工程接口，所以你必须要建立一个新的项目。在【项目】功能表中选取【新建可视项目】，然后将项目名称和保存到对应的档案中。然后再选择相应的

MCU，如未发生所用的机型，则要适时进行

KEI软件的升级。选定了MCU模式，Keil就会显示预设开机档，此处推荐选项为，这样可以避免后期手工加入开机档。于是，新的计划就开始了。不过还有一些工程文档没有完成，接下来要做的就是将有关的代码文档添加到KEIL中，比如.C和H。在您完成了这些操作以后，您可以通过

KEIL来编写您自己的程序。4.1主要流程设计该系统采用

KEIL语言编写，并将其分成若干个大的部分。系统的初始化，LCD1602显示子程序的启动，按键扫描子程序的启动；温、湿度检测子程序、

ADC检测光强子程序、

PM2.5子程序、相应的报警子程序。应用模块化设计的思路，能有效地减少错误发生，并能有效地提升软件的开发速度。在此开发的软件开发完成后，首先进行了LCD1602LCD的初始化。这时，会有一个按钮被点击。若有按钮按下，会自动调节所需的按钮。对个别的环境参数进行了最大的调节。然后，系统会一次对周围的情况进行分析。光强和

PM2.5的测量，都是通过ADC来完成的。当环境信息被探测完毕，会自动判定是否超出了正常的数值，或者超出了正常的数值。该系统将自动发出警报。4.2LCD1602显示程序LCD首先执行显示方式的初始化，例如，如果采用游标闪动函数，则将指针的位置输出；判断是否在显示方式下，鼠标指针的显示，将显示的内容清除，写指令，写资料；如果要在特定的地方写一个特定的资料，只需将一个地址指令写在一个地方，然后写一个资料指令，以判定是否已完成，如果没有，就会一直执行该显示的操作，直至执行完毕为止。4.3温湿度传感器程序流程该系统采用DHT11型温敏元件，采用单总线通讯方式，初始化了温度传感器，在转变启动时，DHT11的温度传感器在低功率消耗方式下传输启动变换指令，并由总线将其叫醒。将其置于工作状态，以此方式收集温度和水分。过了一会儿。然后由单根总线上由单片机读出温度和湿度。4.4按键检测程序流程开机后，系统处于待命模式，在有键时按下后主控功能，在键盘上进行扫频，再利用延迟时间解除按钮，在打开按钮后根据函数的参数进行返工。4.5ADC检测程序流程ADC的读写法，就是把ADC的寄存器用串行总线进行设置，等ADC的读出结束，再从ADC中读出ADC的数据。该系统的光强和

PM2.5均由ADC0832进行测量。将ADC的数据转化为真实的亮度和

PM2.5。如下图5-7所示：图5-7ADC流程图第5章总结在这次的毕业设计中，我收获了很多书本所没有的东西，同时也让我的实践技能得到了极大的提升，把之前所知道的零碎的东西串联起来。通过长期的试验和测试，该仪器已基本完成了测频的各项工作。存在以下问题：1。需要改进的是软硬件的稳定性；2.系统的人机接口还很不完善。这一项目分为两个部分，通过这个项目，我对KEIL等MCU系统的开发环境有了一定的了解。同时也学习到了C语言的编程方法，以及如何写出用于控制IO插针和对某些外部组件进行控制的方法。在硬件方面，本人对该系统的原理图进行了较为熟练的绘制，并成功地完成了该项目的开发。对

LCD的界面、DHT11的界面、感光电阻、PM2.5等方面有了较为深入的了解。当然，在解决问题的时候，他的分析和解决问题的能力，也会有很大的提升。这一项目的规划不顺利，