基于单片机的智能环境监测系统.docx
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基于单片机的智能环境监测系统
摘要
本设计主要由温湿度检测、烟雾检测电路、报警电路、显示电路和人体检测等模块组成。
温湿度检测部分使用的是DHT11这种型号的温湿度传感器。
DHT11是一种单总线型数字式温湿度传感器,它具有误差小、分辨率高、抗干扰能力强等特点。
在烟雾检测电路模块当中,利用气体传感器MQ-2与ADC0832模数转换器实现基本功能。
通过这些传感器和芯片,当环境中可燃气体浓度或有毒气体等发生变化时系统会发出相应的灯光报警信号和声音报警信号,以此来实现火灾报警,智能化提示。
人体检测部分,是通过HC-SR501模块实现,其主要工作原理就是将感应到的红外热辐射信号转换成电信号,再将其放大输出。
如果检测到危险信号,就会将信号传送给单片机,再经单片机处理,然后控制蜂鸣器和LED点亮发出警告。
本设计还可以在各种防盗场合下得到应用,比如家居防盗、仓库防盗等。
温湿度、烟雾和人体防盗检测是三种最基本的环境参数,其测量方法和装置对现在的生活、生产具有重要的意义。
关键词:
温湿度检测;MQ-2传感器;烟雾报警;热释电红外传感器;防盗报警器
ABSTRACT
hedesignismainlycomposedoftemperatureandhumiditydetection,smokedetectioncircuit,alarmcircuit,displaycircuitandhumandetectionmodule.ThetemperatureandhumiditytestsectionusestheDHT11temperatureandhumiditysensor.DHT11isasinglebusdigitaltemperatureandhumiditysensor.Ithastheadvantagesofsmallerror,highresolution,stronganti-interferenceabilityandsoon.Inthesmokedetectioncircuitmodule,thegassensorMQ-2andtheADC0832analogtodigitalconverterareusedtorealizethebasicfunctions.Throughthesesensorsandchips,whenthecombustiblegasconcentrationintheenvironmentortoxicgaschangesthesystemsendsoutthecorrespondinglightalarmsignalandsoundalarmsignal,inordertorealizetheintelligentfirealarmprompt.ThehumandetectionpartisrealizedbytheHC-SR501module.Themainprincipleistoconverttheinfraredradiationsignalsintoelectricalsignals,thenamplifyandoutputthem.Ifadangeroussignalisdetected,thesignalistransmittedtothemicrocontroller,processedbyamicrocontroller,andthencontrolledbyabuzzerandLEDtolightawarning.
Thedesigncanalsobeappliedinavarietyofanti-theftoccasions,suchashomesecurity,warehouseanti-theft,etc..Temperature,humidity,smokeandhumanburglardetectionarethethreebasicenvironmentalparameters,andtheirmeasurementmethodsanddevicesareimportanttothepresentlifeandproduction.
Keywords:
Temperatureandhumiditydetection;MQ-2sensor;Smokealarm;Pyroelectricinfraredsensor;Burglaralarm
1.2.2主要功能介绍…………………………………………………………………………………..6
4.3子程序流程图…………………………………………………………………………………….24
1绪论
1.1课题背景
智能家居的概念在很早之前就已经被提出来了,但是一直以来也没有具体的设计实例出现。
在现在这个时代,伴随着科技的不断发展和进步,越来越多的高科技产品开始出现在市面上,它们不仅体现了人类在科技上的创新,也为我们的日常生产和生活提供了很大的便利,在众多的智能产品中,智能家居作为一个新生代的产品开始在市场上崭露头角,智能家居环境监测这类的产品开始越来越多的吸引着人们的视线。
在智能家居产品出现的同时,也伴随着物联网技术在其中的应用,主要是将家中的各种设备通过物联网技术(如火灾检测系统、门窗控制系统、安全防护系统、报警控制系统等)连接到一起,是一种可以用来对室内外遥控、防盗报警、照明、家电、智能温湿度调节以及对居住环境条件检测等多种多样的设备作用进行控制的手段。
与普通家居进行比较,智能家居不单单具备普通家居的全套性能,而且在普通家居的基础上又做出了一些改进。
它增加了全方位的信息交互功能,主要体现在保障家庭与外部的交流有一个通畅的信息交流渠道,对人们的生活方式进行优化。
改善人们的生活方式,提高人们的生活质量,能够更加有效快捷的安排人们的时间,对家居生活的安全性有了很显著的提高,甚至可以在很大程度上节省各种能源上耗费的资金,为我们更加优质便捷的生活提供了保障。
1.2概述及功能介绍
1.2.1功能概述
在设计之前要先要对设计出来的产品性能有几个简单的要求,如实用性、便利性、可靠性等方面。
通过这些性能要求再去做出最符合需求的设计。
所以本次设计主要分为五个功能模块,分别为测温湿度模块、烟雾及红外感应模块、报警电路模块、显示信息模块和人体检测模块。
将这几个模块的功能巧妙的与智能家居环境监测相结合,在此之前我们已经通过所学习的知识知道五个单独的功能应该如何去实现,那么现在所要进行的是将五个单独的功能模块通过单片机系统化反馈,可以将它们组合到一起,形成一个能够实现综合这五种功能的智能家居环境监测系统。
1.2.2主要功能介绍
(1)对于环境中的温度和湿度的测量,我们可以使用温湿度传感器来进行。
我们先使用温湿度传感器来采集当前环境中的温度和湿度的数据,然后将采集到的温湿度值的信息在液晶显示器上面显示出来,并且将信号发送给单片机进行数据处理。
如果所采集的温湿度的值超出已经设定的预警值的范围,那么报警系统会被触发,相应的声音和灯光报警电路都会被启动。
在这种情况下,只有等到我们对当前环境的温湿度进行处理,使得所采集的环境温湿度值降到我们设定的温湿度正常的范围之内的时候,相应的报警电路才会关闭。
(2)对周围环境中存在的烟雾可采用烟雾探头传感器来检测,烟雾探头传感器可对环境中的气体浓度进行采集检测。
比如生活中经常用到的煤气,以及发生意外着火时所产生的烟雾等气体的浓度进行实时采集监测,将传感器监测到的数据传到单片机中,进行统一的处理,如果所测得的当前环境的烟雾浓度超过了预先设定的浓度值,则相应的报警电路将会启动,蜂鸣器报警,且相对应的灯光报警也会开启。
等解决环境中存在的问题之后,蜂鸣器报警以及指示灯的指示动作就会自动关闭,所以在这样的环境问题下报警系统能够给你带来更多的安全感,为生活提供更好的保障。
(3)人体红外检测电路能够根据传感器所检测到的红外信号,对外界移动的人体进行判断。
当检测电路处于工作状态时,在传感器所能监测的范围之内检测到有人出现的信号,然后单片机会接收到传感器发送的信号并进行处理,报警系统将会开启。
比如指示灯会出现提示并且会带动蜂鸣器报警电路进行报警,用来警告外面的入侵者,并且报警系统会持续报警直至手动撤防才可以解除报警。
1.3本课题的研究思路
1.3.1研究意义
21世纪已经进入了一个全新的信息化的时代,各种各样的电子产品如雨后春笋般迅速出现并且快速的占领了市场,并且获得了越来越多的人的认可,在这种整体发展的大环境下,电子测量设备的种类和功能也在逐渐丰富起来。
尽管现在出现了很多环境测试仪,然而有针对性的满足人们需要的环境测试仪却很少。
有的环境测试仪功能很多,但是在人们日常生活中用到的却很少,因此设计出一个简单实用并且能满足人们日常需求的环境测试仪是很有必要的。
1.3.2研究思路
(1)研究温湿度传感器的特性与A/D转换电路的应用。
(2)设计一个环境监测报警装置,则要根据对温湿度传感器和A/D转换电路的特性及应用方式的理解,把它们各自的功能综合起来才能达到预期目的。
(3)为了设计出一套完整、高效、简洁的程序,需要选择适合整个设计系统的微处理器。
(4)通过对比找出最合适的一个方案,前提是要分别对各个部分的可行性进行论证。
(5)我们需要将各个部分的功能模块进行单独的设计,分别再加以实现。
并且各个功能模块的调试必须单独进行,以免发生某个模块的功能不能够完全实现的情况。
(6)完成了分部调试工作之后,我们需要先将各个独立的模块组合在一起,进行整机系统测试,以确保整体系统能够正常运行。
1.3.3研究难点
(1)温湿度读取程序思路比较复杂。
(2)在整个程序设计中,是否开启报警电路的判断程序的逻辑结构比较困难。
(3)报警的范围值也要在之前进行多次试验,以免取值过高或过低都会影响整个设计最后的实际实现情况。
1.4主要工作
主要完成工作如下:
(1)首先绘制电路原理图;
(2)其次设计电路并进行硬件调试;
(3)然后就需要根据所要实现的功能要求编写控制程序;
(4)之后就要对所编写的程序是否符合设计要求、各模块功能能否正常运行进行软件调试;
(5)最后就是进行单片机监测系统整机测试,确保在各模块组合完成之后,对各模块的功能使用不会产生影响。
2系统方案设计
2.1系统构成
本次设计所使用的主要硬件器件为:
单片机、温湿度传感器、人体红外感应器、烟雾传感器、按键设置与液晶显示模块、蜂鸣器报警电路模块、以及灯光指示显示模块组成。
本研究设计框图如图1所示。
图2-1系统方框图
2.2方案设计
2.2.1单片机的方案选择
方案一:
AT89C52是一种低电压、高性能CMOS型8位单片机,是由美国ATMEL公司生产的。
器件所采用的技术是ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术。
AT89C52的指令系统与标准MCS-51指令系统兼容,片内置性能非常强大的8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。
其片内还有FLASH工艺的的8K程序存储器。
这种单片机不但可以大大缩短整个系统的开发时间,而且对开发设备的要求很低,为整个设计的进行提供了便利,大大降低了实现难度。
从另一方面来看,为了能够使我们的劳动成果得到更好的保护,我们还可以对写入单片机内的程序进行加密处理。
AT89C51芯片使用三级程序存储器加密方式进行加密,提供了更为方便灵活而可靠的硬加密手段,在这样的加密手段下能够完全保证程序或系统不被仿制。
在它的四个I/O中,三态双向口是P0口,可直接用于对外部存储器的读/写操作,也只有P0口能够使用这个操作,所以P0口也被称为数据总线口。
方案二:
STC89C52是由STC公司生产的一种低损耗、高性能的8位CMOS微控制器。
其中系统可编程Flash存储器具有8K字节。
STC89C52的内核在传统的51单片机上做了很多的改进,增加了许多新的功能。
在单芯片上,拥有在系统可编程Flash和灵巧的8位CPU,虽然它的指令系统与AT89C52系列的是完全兼容的,但是除此之外它们之间还是有很大的不同:
(1)AT89C52对下载器有严格的要求,只有专用的下载器才可以使用。
而STC89C52可以使用用户自带的USB串口,到STC89C52厂家的网站上去直接进行下载。
(2)与AT89C52相比,STC89C52单片机执行指令的速度较快,大约是AT89C52的3-30倍,虽然这样可以大大提高程序执行的效率,但是它同时也有一个弊端,就是你在AT89C52上好使的程序在STC89C52上不一定好用,所以这就需要我们对当时的使用环境进行判断。
(3)STC89C52单片机对工作环境的要求相对较低,甚至在电压处于3伏到4伏之间(正常情况下为5V)时都还可以进行正常的工作。
对这两种设计方案的优缺点进行比较,由于我们在学校学习期间,对单片机原理、等专业课程有了一个初步的掌握和学习,在专业知识方面有了一定量的储备。
我们设计一个产品,必须要经过多方面的考虑,不仅要考虑产品的功能,还要考虑产品的实用性和易操作性。
因为我们的设计的东西要让别人能够很快的理解以及会进行一些简单的操作,同时我们还要兼顾当前所处的实际的环境来进行我们的设计论证。
通过对上述这两种单片机性能的了解和掌握,从实用性的角度和作为学生能够获得的资源等方面进行综合考虑,同时还要兼顾到此次作品的设计要求,而且它的实际操作相对而言要比较方便,所以本系统的主控芯片选择使用STC89C52单片机。
2.2.2 传感器模块的选择
方案一:
温度传感器和湿度传感器分别进行选择,然后再进行功能组合。
DS18B20是一种温度传感器,在温度检测模块中可以使用它来进行检测。
同样的,我们可以在湿度检测模块中使用HS1101湿度传感器来对当前环境中的湿度进行检测。
DS18B20是一线式数字温度传感器。
它的工作电压为3V到5.5V,温度测量范围在-55℃到125℃,误差范围在-\+0.5℃。
HS1101是电容式湿度传感器。
它的工作电压低于5.5V,可测量相对湿度范围在0%到100%RH,误差为-\+2%RH。
方案二:
选用可以在一个器件中同时可以测量温度和湿度的传感器,DHT11就满足这个要求,它是一款集成型的数字温湿度一体传感器。
它的稳定性和可靠性都比较好,而且在技术手段上也有很大的提高。
数字模块采集技术和温湿度传感技术,可以进一步提高采集数据的效率和准确度,让我们可以更高效的获得环境当中的一些参数。
DHT11是温湿度一体的传感器,所以它的测量范围有两个,一个就是我们的湿度测量,其范围值在20%到90%RH,精度为-\+5%RH;另一个就是温度测量,其范围值为0℃~50℃,精度为-\+2℃。
通过对上述两个方案进行分析,方案一精度高却稍显复杂,相比较之下方案二尽管不能实现方案一那样的高精度测量,但是却也能够满足本次设计的要求。
而且系统相对而言简单方便更容易实现。
且可靠性高稳定性好,还具有超高的性价比。
综合各种情况进行考虑,最终选择了方案二中的DHT11作为本次设计中的温湿度检测模块。
2.2.3 显示器模块的选择
方案一:
采用12864液晶显示屏,并且提供8位并行及串行这两种连接方式来对微处理机进行连接。
12864液晶显示屏具有光标显示、画面移位、睡眠模式等多种功能。
方案二:
采用LCD1602液晶显示屏,它是一种工业字符型液晶。
与12864的复杂显示功能不同,LCD1602液晶显示屏只能将字母、数字和符号等一些比较简单的东西显示出来。
而且它的显示长度是有限制的,只能显示16*2个字符,但是它其中的寄存器却不止32个。
因为它的这些特性,所以决定了它只能有一些简单的显示效果。
总结:
对12864液晶显示屏和LCD1602液晶显示屏进行比较后可知:
两者在编程使用方面的原理都差不多。
但是在显示功能方面,显然12864液晶屏显示更加全面、显示的字符更多。
不过对于实现设计要求来说,1602液晶屏也是可以的。
而且在价格方面1602显示屏要占居很大的优势,因为它在市场上的价格比较低廉。
从设计成本方面考虑,当然是价低者优先。
而在这种情况下LCD1602就是最好的选择。
2.2.4 防盗检测的选择
方案一:
被动式红外传感技术。
被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器,它的工作原理是通过红外光敏器件,将红外信号转换成相对应的电信号的一种技术。
它的报警原理就是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动,这种红外能量变化是如何产生的呢?
这是因为人体的温度和外界环境温度之间有差异,人体一般是恒定温度37度左右,而环境温度则是不固定的。
所以人体会发出一种特定波长的红外线,它所产生的红外能量也是恒定的,由于环境温度的不稳定性,它的能量就在时刻变化着,所以这就产生了一个能量差异,而被动红外传感器的工作原理就是对这种红外能量变化进行探测。
它还有一项很特别的功能,就是能够精准的区分出所接收到的红外线信号是由运动着的生物体(人)还是飘落的物体所释放出来的。
这样可以为整个系统增加可靠性和安全保障。
方案二:
除了被动式红外入侵报警器外,还有一种与它功能相似但是特性却很不相同的报警器,那就是主动式红外探测器。
红外发射机、红外接收机和报警控制器这三样基本的器件就组成了我们所说的主动式红外探测器。
正是因为这样的组成才导致了这种探测器的探测范围是点到点,而不是一个面的范围。
由于其探测覆盖面较小,所以它的探测可靠性非常高。
但同时这也使它在应用中有很大的局限性,因为若对一个空间进行布防,则需有多个主动式探测器同时配合共同工作,这样才可能使探测范围覆盖到整个空间,这样就导致其价格昂贵成本过高。
所以一般情况下对小范围的空间或单个物品进行监测的时候,才会用到主动式红外探测器。
经上述两种方案的对比分析可得,方案一更适合家居使用。
因为它相对来说成本低,覆盖范围广,且能满足家居环境监测的使用性能,安全性高。
3系统硬件设计
3.1主控电路
在本次设计中,主控电路选择的是STC89C52,STC89C52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,这就使得STC89C52能为众多嵌入式控制应用系统提供灵活度高、简单有效的解决方案。
STC89C52具有以下的这些标准功能模块:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口。
最高运作频率35Mhz,6T/12T可选。
STC89C52主要功能如表1所示:
表3-1:
STC89C52主要功能
在STC89C52单片机中共有40个引脚,其中有32位I/O口。
因为这些I/O口都能用做输入和输出,所以称它们为双向I/O口,这些I/O口又分为4个通道,分别为P0口、P1口、P2口和P3口,但是这4个通道的功能不完全相同,所以它们的结构也设计的不同。
对于整个单片机来说,它的每一个引脚的使用功能都不同,在整体使用中发挥的作用也不同,有的引脚甚至还有多种功能,这就导致在使用时需要连接的设备也不同。
在使用的时候我们需要根据外接设备的类型选择具有相应功能的引脚,并与其进行连接。
所以在使用前我们要对每一个引脚的功能进行了解和掌握,以便在使用的时候可以正确的选择所要连接的引脚,从而减少在使用过程中发生一些设备无法运行的问题,可以减少我们的工作量和设计过程中的一些原件损耗,下表为其引脚和对应功能:
表3-2STC89C52单片机的引脚及其对应的功能
STC89C52单片机的最小系统如图2所示
图3-1最小系统原理图
最小系统顾名思义就是最小运行系统,它的特点就是能使单片机所用电路模块最少,还能使单片机处于正常的工作状态。
其中包含所需要的电源、时钟、复位等电路,这是使单片机所能运行的必备条件。
所以我们可以在应用系统的核心部分运用最小系统。
STC89C52这一型号的单片机,它的片内有ROM/EPROM。
正因为这样,只要将STC89C52单片机接上时钟电路和复位电路,以此来构成最小应用系统,它构成的最小系统简单﹑可靠。
(1)时钟电路
对于STC89C52单片机来说,有内部时钟和外部时钟两种方式来产生时钟信号。
而在STC89C5单片机中,要实现一个自激振荡器这样的设计其实并不难,只要将石英晶体(简称晶振)在单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)引脚外接就可以了。
(2)复位电路
在STC89C52单片机中,要想使单片机执行复位操作,则要将高电平引入RST引脚,此时单片机内部就执行复位操作(若在该引脚持续保持高电平,单片机就处于循环复位状态)。
复位电路有上电复位和手动复位两种,在本次设计中使用的就是按键手动复位。
其中按键复位方式有电平方式和脉冲方式两种。
其中通过RST(9)端与电源Vcc接通而实现的方式是电平复位方式。
3.2温湿度检测电路
DHT11是一款温湿度复合传感器。
它将专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术在其中得到很大程度的运用,在很大程度上提高了产品的稳定性与可靠性。
在DHT11温湿度复合传感器中,主要包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。
它可以实时的监测我们周围环境的温湿度并且进行反馈,而且每个DHT11传感器都存在校准系数,校准系数以程序的形式储存在OTP内存中。
我们有时候在使用过程中需要调用这些校准系数,尤其是传感器内部在检测信号的处理过程中,就需要经常调用这些校准系数。
同时它所拥有的小体积、低功耗,也成功的使信号的传输距离达到了20米以上,使其成为各类应用场合的最佳选择。
DHT11传感器实物图如下图所示:
图3-2 DHT11传感器实物图及引脚图
(1)引脚介绍,DHT11的各引脚及其功能如下表所示:
表3-3DHT11的引脚介绍
(2)接口说明:
因为对本器件来说,它的信号传输距离是有限制的,所以连接线长度的不同决定了使用的上拉电阻的阻值不同。
一般情况下,当连接线长度比20米小的情况下,上拉电阻选择5K的就可以了;当连接线的长度大于20米时,则需要根据器件使用的实际情况来选择可用阻值的上拉电阻。
对于DHT11传感器来说,与STC89C52系列单片机连接相对比较简单。
单片机的P2.0口连接传感器的Pin2,用来发收串行数据。
由之前的接口说明可知,由于测量距离的连接线长度小于20米,所以在传感器的Pin2口与电源之间连接一个5K的上拉电阻。
而传感器的电源端口Pin1和Pin4分别接单片机的VDD和GND端。
传感器的第三脚悬浮放置。
DHT11传感器电路原理图如图9所示:
图3-3DHT11电路原理图
3.3烟雾检测电路
烟雾检测电路是由一个AD转换电路和一个MQ-2气体传感器组成的,下图为烟雾检测电路的原理图:
图3-4烟雾检测电路原理图
1)A/D转换电路选用的是ADC0832这种芯片。
它的作用是将烟雾传感器采集到的模拟信号转换为数字信号,然后再传送给单片机进行数据处理,所以它的部分引脚是与单片机直接相连的。
如它的1号引脚(CS口)接单片机的P1.2口,它的5号引脚和6号引脚(DI口和DO口)接单片机的P1.1口,它的7号引脚(CLK口)接单片机的P1.0口。
它的特点是具有8位分辨率和双通道A
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