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基于单片机空气质量检测仪设计

摘 要

随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人们对环境问题及健康问题日益重视，室内空气品质（IAQ）状况受到越来越多的关注。人的一生中有三分之二的时间是在居室内度过的。本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，是以STC工公司的一款8位超低功耗单片机STC90C51为控制核心，能够实现对室内温度，湿度，VOC气体的实时采集处理、显示、报警等功能。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD1602点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。

关 键 词：STC90C51，室内空气品质，LCD显示，温湿度，VOC气体

BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER AIR QUALITY TESTER DESIGN

ABSTRACT

We paid more attention to the environment and health problems especially, indoor air quality (IAQ) conditions with the development of the national economy and the improvement of people's living standard. In that, about two-thirds of people's life spent in the house. In this paper, Indoor Air Quality Portable Intelligent Monitor which will be studied in this paper, is on the background of toxic and harmful gases, and based on an STC 8-bit working ultra-low power MCU STC90C51 as control core. It can process, display, and alarm the real-time acquisition indoor temperature, humidity, VOC gas and so on.
The instrument is powered by lithium batteries with a good portability and versatility. What’s more, it uses the LCD1602 dot matrix LCD screen to display menu, and has a good interactive interface. At the same time sound and light alarm system is designed to achieve a timely manner when the parameter level exceeds the limit. With the features of small size, low power consumption, operating easily, Indoor Air Quality Portable Intelligent Monitor is suitable for family and community health care for its real-time acquisition of indoor air quality.

KEY WORDS：STC90C51, IAQ, LCD display, Temperature and humidity, VOC gas

目 录

前 言 1
第1章 本课题的主要研究内容、方法及总体设计 3
§1.1 课题设计的内容 3
§1.2课题设计的方法 3
第2章 空气质量检测仪的硬件设计 5
§2.1 空气质量检测仪系统简介 5
§2.1.1 系统硬件结构及原理 5
§2.2 STC90C51单片机简介 5
§2.2.1STC90C51主要性能参数： 6
§2.2.2时钟电路模块 7
§2.2.3复位电路模块 7
§2.3传感器的选用 8
§2.3.1气体传感器 8
§2.3.2温湿度传感器 10
§2.4模数转换电路设计 16
§2.5声光报警电路设计 18
§2.6液晶显示电路设计 18
§2.6.1LCD1602的基本参数及引脚功能 19
§2.6.2LCD1602的指令说明及时序 20
§2.6.31602LCD的RAM地址映射及标准字库表 23
§2.6.4LCD1602的一般初始化过程 24
§2.7按键电路设计 25
§2.8电路电源设计 25
§2.9本章小结 26
第3章 空气质量检测仪的软件设计 27
§3.1 系统软件设计思路 27
§3.1.1 编程语言的选择 27
§3.1.2 软件功能需求 27
§3.2软件模块设计 28
§3.2.1主程序模块 28
§3.2.2AD转换模块 30
§3.2.3液晶显示模块 30
§3.2.4声光报警模块 30
§3.2.5按键模块 30
§3.3本章小结 31
第4章 仿真调试 32
§4.1系统硬件调试 32
§4.1.1 常见的硬件故障 32
§4.1.2硬件调试方法 32
§4.2 系统软件调试 33
§4.3本章小结 34
结 论 35
§1主要结论 35
§2展望 35
参考文献 37
致　谢 38
附　录 39
附录一 39
附录二 40

前 言

一、课题研究的目的及意义
空气质量的好坏反映了空气污染程度，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的。来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一。空气质量检测种类包括装修污染、办公室内空气检测、作业场所有害物质检测、食堂油烟检测、锅炉大气及工业窑炉检测及工厂排放工业废气检测。
当今，人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后，又出现了“室内空气污染”为主的第三次环境污染。美国专家检测发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20多种，致病病毒200多种。危害较大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量触目惊心的事实证实，室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”，也成为全世界各国共同关注的问题。据统计，全球近一半的人处于室内空气污染中，室内环境污染已经引起35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎和肺癌。
本课题主要研究设计基于量化检测的空气质量检测仪系统，此系统旨在实现室内空气温度、湿度、有害气体的预警监测，有利于进行全方位的评价室内空气质量，为人类营造一个健康的室内生存空间。空气质量检测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。
二、国内外的研究状况
气体传感器测定甲醛成为近年来甲醛检测研究的新热点。早在1983年，压电类甲醛传感器就已问世。这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测定，但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移，故基本无实用性。为适应室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前已开发出不少甲醛快速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，操作方便，适用于室内和公共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量。但这些仪器的工作原理、响应性能、适应范围等都不同。
在测试甲醛、苯等害气体方面，国外比较出名的有:美国ESC公司生产的Z一300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400甲醛检测仪;国内的有:江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪抑一308等。
这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研究机构。准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵(如英国PPM公司生产的PPM400甲醛仪约两万多元)，测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定；目前国内外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用，操作方面国外的产品操作界面方便，功能加完备。

第1章 本课题的主要研究内容、方法及总体设计

§1.1 课题设计的内容

以单片机为核心，选择合适的传感器，实现对空气质量的检测。

§1.2课题设计的方法

查阅相关资料，应用电脑软件进行仿真、调试，制作硬件设备，在实际环境中测试并进行修改、调试，直至达到课题要求。

§1.3总体方案设计

本设计集VOC气体及温湿度监测，显示与报警于一体，利用MCU进行数据采集保证了前台数据的及时、准确，有利于进行全方位的评价。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。
§1.3.1系统框图
主控制器
气体传感器
电源
数字式温湿度传感器
AD转换
输入键盘
声光报警
显示模块

图1-1 系统总框图
§1.3.2功能设定
（1） 显示部分采用LCD1602显示屏，循环显示各项测量值的上下限及实际浓度、实际温度、湿度。并在按键选择情况下连续显示一个测量值的变化。
（2） 当有害气体浓度超出安全范围时进行声光报警。
（3） 按键操作可进行测量值范围的调整，及手动和自动测量的转换。

第2章 空气质量检测仪的硬件设计

§2.1 空气质量检测仪系统简介

基于STC90C51的室内便携式智能空气质量监测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，能够实现对室内温度，湿度，VOC气体的实时采集处理、显示、报警等功能。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。
§2.1.1 系统硬件结构及原理
本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以STC工公司的一款8位超低功耗单片机STC90C51为控制核心。室内空气中有害气体通过传感器输出一个与气体浓度相对应的电压信号,该信号经过A/D转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理，温湿传感器直接与单片机相连。单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测室内空气中的VOC气体浓度值及温湿度。若被测室内空气中VOC气体的浓度有超过国家标准或设定的危险值或温湿度超出设定范围时报警电路对应的发出声光报警信号。

§2.2 STC90C51单片机简介

随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。根据上述几方面及本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:
一是要有较强的抗干扰能力。由于一般室内电子电器产品比较多，这对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。
二是要有较高的性价比。由于高度的通用性和出色的稳定性，本系统采用宏晶公司产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机的STC90C51作为控制器。片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
§2.2.1STC90C51主要性能参数：
1、 与MCS.51产品指令系统完全兼容
2、 4k字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器
3、 1000次擦写周期
4、 4.0-5.5V的工作电压范围
5、 全境态工作模式：0Hz-33MHz
6、 三级程序加密锁
7、 128×8字节内部RAM
8、 32个可编程I／O口线
9、 2个16位定时器／计数器
10、6个中断源
11、全双工串行UART通道
12、低功耗空闲和掉电模式
13、中断可从空闲模唤醒系统
14、看门狗(wDT)及双数据指针
15、掉电标识和快速编程特性
16、灵活的在线系统编程
STC90C51芯片管脚如图2-1。

图2-1 STC90C51引脚布置
§2.2.2时钟电路模块
时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个30pF的瓷片电容组成。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。其电路如图2-2所示：

图2-2 时钟电路模块
§2.2.3复位电路模块
复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位电路以重新启动。本设计采用的是按键复位电路。其电路如图2-3所示：

图2-3 复位电路模块

§2.3传感器的选用

§2.3.1气体传感器
1．气体传感器基础知识
按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。
(1)半导体型气体传感器的优缺点
半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。
(2)半导体传感器需要加热的原因
半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。
(3)电化学气体传感器的工作原理
电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以监测许多有毒气体和氧气，后者还能监测血液中的氧浓度。电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。不足之处是有寿命的限制一般为两年。
(4)半导体传感器和电化学传感器的区别
半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用。而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合。
(5)固态电解质气体传感器
顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化学之间。选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。
(6)接触燃烧式气体传感器
接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。
(7)光学式气体传感器
光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来监测气体。目前因为它的结构关系一般造价颇高。基于本文的实时要求和性价比等方面的原因，本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器。
本设计针对VOC气体选用能够侦测0.1ppm以上的气体的空气质量VOC气体浓度传感器MS1100用于检测空气中的甲醛、苯、二甲苯等检测空气中的甲醛、苯、二甲苯等多种有机挥发成分，具有极高的灵敏度和稳定性，体积小巧。实物如图2-4，使用时的连接电路如图2-5。

图2-4 VOC传感器实物图 图2-5 VOC传感器接线图
§2.3.2温湿度传感器
温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。

图2-6 DHT11实物图
具有的特性：相对湿度和温度测量、全部校准，数字输出、卓越的长期稳定性、无需额外部件、超长的信号传输距离、超低能耗、4引脚安装、完全互换。
DHT11产品概述

型号
测量范围
测湿精度
测温精度
分辨力
封装
DHT11
20－90％RH 0－50
±5％RH
±2
1
4针单排直插

参数
条件
Min
Typ
Max
单位
湿度
分辨率

1
1
1
%RH

16

Bit
重复性

±1

%RH
精度
25℃

±4

%RH
0－50℃

5
%RH
互换性
可完全互换
量程范围
0℃
30

90
%RH
25℃
20

90
%RH
50℃
20

80
%RH
响应时间
1/e(63%)25℃，1m/s 空气
6
10
15
S
迟滞

±1

%RH
长期稳定性
典型值

±1

%RH/yr
温度
分辨率

1
1
1
℃
16
16
16
Bit
重复性

±1

℃
精度

±1

±2
℃
量程范围

0

50
℃
响应时间
1/e(63%)
6

30
S

图2-7 典型接线电路

操作时序如图2-9，总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。
总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。格式见下面图示，如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
5、测量分辨率
测量分辨率分别为 8bit（温度）、8bit（湿度）。
6、电气特性如表2-3
表2-3 电气特性
参数
条件

供电

供电电流

采样周期

注:采样周期间隔不得低于1秒钟。
7、应用信息
7.1工作与贮存条件
超出建议的工作范围可能导致高达3%RH的临时性漂移信号。返回正常工作条后，传感器会缓慢地向校准状态恢复。要加速恢复进程/可参阅7.3小节的“恢复处理”。在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。
7.2暴露在化学物质中
电阻式湿度传感器的感应层会受到化学蒸汽的干扰，化学物质在感应层中的扩散可能导致测量值漂移和灵敏度下降。在一个纯净的环境中，污染物质会缓慢地释放出去。下文所述的恢复处理将加速实现这一过程。高浓度的化学污染会导致传感器感应层的彻底损坏。
7.3恢复处理
置于极限工作条件下或化学蒸汽中的传感器，通过如下处理程序，可使其恢复到校准时的状态。在50-60℃和< 10%RH的湿度条件下保持2小时（烘干）；随后在20-30℃和>70%RH的湿度条件下保持5小时以上。
7.4温度影响
气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将DHT11远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。为降低热传导，DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。
7.5光线
长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。
7.6配线注意事项
DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量,推荐使用高质量屏蔽线。
8、封装信息如图2-12，

DHT11引脚说明

§2.4模数转换电路设计

气体传感器出来的信号是模拟信号，而微处理器STC90C51只能处理数字信号，故需要对模拟信号信号进行转换，将其转换为处理器能识别的数字信号，由于测试电路出来的模拟电压变化范围在0~5V，故选择性价比比较合适的ADC0809进行模数转换。其管脚定义如图2-14所示。

ADC0809各脚功能如表2-5：
表2-5 ADC0809各脚功能
引脚
功能介绍
D7-D0
IN0-IN7
8位数字量输出引脚
8位模拟量输入引脚
VCC
+5V工作电压
REF（+）
参考电压正端
REF（-）
参考电压负端
START
A/D转换启动信号输入端
ALE
地址锁存允许信号输入端
EOC
转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平
OE
输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
CLK
时钟信号输入端（一般为500KHz）。
A、B、C
地址输入线
ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。ADC0809的时序接口为51系列单片机的标准总线接口，操作方便，如同对存储器或I/O操作一样，A/D转换精度为8比特，满足本课题要求。输入的模拟电压为0~5V，一次A/D转换时间为100μS。
ADC0809与单片机及VOC传感器的接线方式如图2-15：

图2-15 ADC0809接线原理图
§2.5声光报警电路设计

为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观，采用了如图2-16由2个发光二极管和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。其中VOC气体含量超标时双灯闪烁蜂鸣器报警，温度超标时D1灯亮蜂鸣器报警，湿度超标时D2灯亮蜂鸣器报警。

§2.6液晶显示电路设计

本课题所要显示的数据一共有6个，分别是有毒气体的浓度和室内的温度、湿度的范围和测量值，故选用2行16个字符的LCD1602作为显示模块，满足显示要求。液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
§2.6.1LCD1602的基本参数及引脚功能

§2.6.2LCD1602的指令说明及时序

序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容

§2.6.31602LCD的RAM地址映射及标准字库表
§2.6.4LCD1602的一般初始化过程
LCD1602的具体接线路图如图2-22所示。

§2.7按键电路设计

考虑到整个测量系统中不同环境对气体浓度及温湿度范围要求不同，故设置了按键功能，用于实现测量范围的调整，参考单片机引脚使用情况，共设置五个独立按键如图2-23，实现功能为设定键可进行设定的进入与退出，同时可实现三种范围的切换，另设左右移位键、上下调值键各两个，与此同时考虑到用户可能需要在一定时间内连续测量一种量，故设计了上调键的第二功能：当只有上调键按下时完成显示的自动与手动的切换以实现良好的人机对话。

§2.8电路电源设计

本设计采用集成稳压器7805，C29、C30分别为输入端和输出端滤波电容，D1为续流二极管。当输出电流较大时，7805应配上散热板。电源电路如图2-24所示：

§2.9本章小结

本章首先介绍了便携式室内空气质量监测仪的硬件结构以及系统功能，该仪器以8位单片机STC90C51作为控制核心，设计并构建了系统的硬件平台，完成了有毒气体浓度信号的采集转换电路、液晶显示电路、声光报警电路等的设计。该仪器能够实现有毒气体浓度信号和温湿度信号采集与显示及超标声光报警等功能。本章重点介绍了信号采集模拟电路和以主控制器为中心的数字电路的设计与工作原理。首先讨论了有毒气体采集模块中传感器选择问题，最后讨论了系统的外围接口电路模块，包括液晶显示,声光报警等，实现了各外围接口电路模块与STC90C51的硬件接口设计。
这一章比较具体的说明了系统硬件设计的内容，通过模块化的设计思想，把一个复杂的单片机系统按照功能划分成一个个单独的电路模型，分别进行设计，最后在集成到一起。这种方法对于设计复杂的单片机系统很有效。大大提高系统设计的效率与质量。（说明：系统硬件设计的电路原理图附在论文的附录里面。）

第3章 空气质量检测仪的软件设计

§3.1 系统软件设计思路

§3.1.1 编程语言的选择
在系统硬件电路确定以后，其主要功能的实现将依赖于软件来实现。对同一硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，其设计软件基本要求：
1.可靠性。可靠性是软件设计的重要指标，具有较强的抗干扰能力。
2.易理解性、易维护性。编制的软件要求易阅读，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。
3.实时性。系统能够及时响应外部事件的发生并能及时做出处理结果。
4.准确性。保证系统进行计算数据的精度。
目前存在有4种编程语言支持单片机，即汇编语言、PL/M51语言、C语言和BASI语言。其中汇编语言和C语言应用的较多，结合本系统的特点，这里选用了功能强、效率高的C语言。C语言主要有以下特点：用C语言编制的程序效率高，占用存储空间小，运行速度快。C语言能写出最优化程序，且能反映出计算机的实际运行情况。C语言能直接与存储器、接口电路打交道，也能申请中断。§3.1.2 软件功能需求
室内空气质量检测仪系统软件主要由温湿传感器采集模块、AD转换模块、人机接口模块、声光报警模块、核心控制器模块构成，各模块功能概述如表3-1所示。

表3-1 各功能模块功能描述
功能模块
功能描述
温湿传感器采集模块
对室内温湿度测点进行实时监测
AD转换模块
1.完成信号采样
2.完成与核心处理器间的数据传输
核心控制器模块
1.系统时基分配
2.人机接口控制
3.各模块协调工作
人机接口模块
1.按键控制
2.动态信息显示
根据软件设计的基本要求,采取了如下的措施:
1.程序模块化。软件设计中包含有：主程序模块、显示模块、DHT11传感器检测函数、A/D数据转换子模块、声光报警模块、数据转换模块、按键函数。
2.软件设计采用C语言编程。
3.中断响应外部事件，提高了系统的实时处理事件能力。
以下就对一些主要模块进行详细的阐述。

§3.2软件模块设计

§3.2.1主程序模块
主程序运行流程图如图3-1所示。由主程序流程图可以看出，软件要实现的主要功能是实现对传感器信号的数据采集，然后进行数据的计算、分析、送液晶进行显示及报警功能。程序开始时，对系统进行初始化，包括单片机的各寄存器、RAM、定时器装载初值、中断设置及各模块初始化等。完成初始化后，CPU等待传感器传入信号及AD转换结束，从而完成当前监测参数的正确显示。

Y
N
Y
N
N
Y
N
Y
进入设定功能
按键调整函数
手自动切换函数
设置完成
进入切换功能
自动显示
开始
初始化
DHT11传感器数据采集
延时、报警函数
VOC浓度显示
湿度显示
温度显示
VOC传感器数据采集
延时、报警函数
延时、报警函数

图3-1 主程序流程图
§3.2.2AD转换模块
AD完成转换需要一定的时间，AD应用中我们可以有两种方法来：
1.中断查询法，AD完成模数转换后会向中断输出端输出一个中断请求信号，告诉CPU转换已经完成，CPU可以读取数据。
2.延时等待法，设定一定的时间让CPU处于等待状态，此时间足够AD完成转换，过了等待时间CPU再去读取数据。
综合考虑各方面的因素，本研究采用第一种方法：延时等待法。所用的芯片为AD0809，根据所需的要求。
§3.2.3液晶显示模块
本设计所用的显示器件为1602液晶面板，该液晶能显示32个字符，满足显示要求。1602液晶与CPU是并口通信，由单片机的P2.5、P2.6、P2.7引脚来控制1602的读写数据命令功能，单片机P0口传输数据到1602进行显示。
系统上电LCD初始化，液晶显示首先需要要按照时序给定显示地址，然后传送数据。上电后液晶显示开始循环显示三个被测量的范围和测量结果。
§3.2.4声光报警模块
声音报警采用的是蜂鸣器，光报警是通过6个发光二极管来显示，3个绿色和三个红色的，当毒气含量没超标时显示绿色，超标时显示红色并启动蜂鸣器，报警子程序执行之前，设定的报警阈值存放在两个变量中，传感器输入AD转换值后，调用比较程序，小于阈值则执行显示程序，若大于阈值进行声光报警。。
§3.2.5按键模块
本设计设定按键功能为调整测量数据的安全范围并可进行手动和自动的切换考虑到实现按键功能所用按键数目不多及单片机引脚数量决定选用五个独立式按键，其中设定键用于进入和退出上下限的调整，上下左右四个键在设定键被按下的情况下可以对数值进行调整；同时，当设定键未按下且上调键被按下时进入上调键的第二功能，实现用户手动控制和自动控制的切换。已满足用户对环境条件检测要求的不同，实现良好的人机交流。

§3.3本章小结

在这一章里对室内便携式只能空气品质监测仪的软件设计进行了较详细的介绍。软件采用了模块化设计的思路，以单片机高级语言C51编程。在本章开始给出了主程序结构流程图，然后分别对各个子模块的软件流程进行介绍。（说明：程序见附录二）

第4章 仿真调试

§4.1系统硬件调试

§4.1.1 常见的硬件故障
(1)逻辑错误：硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的，主要包括：错线、开路、短路等，其中短路最为常见，在印刷电路板布线密度高的情况下，极易因工艺原因造成短路。
(2)器件失效：元器件失效主要是因为器件本身已损坏或性能不符合要求，或者是由于组装错误造成的元器件失效，如电解电容、二极管的极性错误，集成块安装方向错误等。
(3)可靠性差：系统不可靠可能受多种因素影响，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏；内部和外部的干扰、器件负载过大等造成逻辑电平不稳定；另外，走线和布局的不合理等也是系统可靠性差的重要因素之一。
(4)电源故障：若系统中存在电源故障，则加电后将造成器件损坏。
§4.1.2硬件调试方法
拿到印刷电路板后，用万用表直接检查线路板各处是否有明显短路、断路的地方，尤其是电源是否短路。接着，焊接各元器件及插座，在焊接过程中要对各元件做逐一检查，比如二极管极性、电容容量及耐压、电阻值大小等。在插座、元件焊接完毕后，仔细检查元件面各元件之间裸露部分有无相互接触现象，焊接面的各焊点间、焊点和近邻线有无连接。最后，再给电路板空载上电(未插芯片)，检查线路板各管脚及插件上的电位是否正确，特别是单片机管脚上的各点电压。若上述的一切都正常，则硬件调试的准备工作完成。
硬件实物如图4-1。

图4-1 硬件实物图

§4.2 系统软件调试

对系统软件编写完成之后，可以利用Keil C51仿真软件进行仿真运行调试，其调试界面如图4-2所示。

在具体的调试过程中，采取以下方法进行调试：在Keil C51编译环境中编写、编译软件模块，进行软件仿真调试，对功能模块的软件仿真。通过Keil C51的调试窗口观察各个寄存器、变量以及并行口输出的结果，监测软件模块运行的状态，在调试过程中不断地调整修改系统的软件程序，使系统实现预定功能。
调试过程中单步运行和断点运行调试只能验证程序正确与否，而不能确定定时精度、CPU的实时响应等问题，故在单步和断点调试之后，又进行了连续调试。待全部完成后，应反复运行调试多次，对系统的稳定性和操作是否符合原始设计要求、安排的操作是否合理等都要进行详细的观察，必要时作适当的修正。
调试完成后将程序导入protues中进行仿真，观察系统运行结果如图4-3。通过调试，确定基本可行后，将程序烧写单片机进行实物调整，通过不断烧写、试验，最终完成整个软件，准确实现要求的功能如图4-4。