家庭环境监测系统的设计与制作.doc
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1、传感器设计试验论文题 目:家庭环境检测系统设计和制作专业名称: 电子信息工程 姓 名: 学 号: 班 级: 13级电信二班 指导老师: 陆清茹 10月 25日目录一、绪论31.1序言31.2 选题背景31.3 中国外发展状态41.3.1 粉尘测量方法41.3.2 粉尘检测仪性能和优点51.3.3 研究意义51.4 本文关键工作5二、 PM2.5粉尘浓度测试仪系统设计方案62.1 系统功效和技术指标62.2 工作原理72.2.1 粉尘检测原理72.2.2 系统工作原理82.3程序框图和步骤图82.3.1 程序框图设计82.3.2 粉尘检测仪程序主步骤图设计9三 PM2.5粉尘测试仪系统硬件设计1
2、13.1单片机部分113.1.1 系统CPU 器件选择113.2 信号采集电路133.3 LED1602液晶显示设计电路143.4 声光报警提醒电路及LED灯电路153.5换风系统电路173.6按键电路17四 PM2.5粉尘测试仪系统软件设计184.1系统程序步骤194.2 浓度参考值键盘设定程序设计194.2.1 键盘扫描设计204.3 信号采集部分程序设计214.3.1 数据采集步骤图设计214.4 蜂鸣器报警部分程序设计224.5 LED1602液晶显示部分程序设计234.5.1显示步骤图设计23五 DHT11产品概述24六 HC-SR501人体感应模块功效特点25七 PM2.5粉尘检测
3、仪测试结果及结论257.1 调试25参 考 文 献27结论28附录一:系统程序28致 谢34一 绪论1.1序言伴随社会进步,工业化水平提升,大家生活和工作有了很多便利。然而大家在享受方便生活和工作同时,不得不面对生活环境越来越差现实。进入21 世纪以来,生活环境问题越来越严重,而这和大家对生活质量要求提升形成了矛盾,所以重视生活环境监测已经慢慢步入了产业化。粉尘是空气质量关键指标,所以粉尘检测就很关键。温度和湿度则能影响人类生活舒适度。 本文所设计家庭环境监测系统含有监测粉尘浓度,室内温度和湿度功效,并含有些人体感应功效,可在人靠近时点亮屏幕显示数值,人离开后进入待机状态。本设计还含有报警功效
4、,可设计粉尘浓度报警值,当高于报警值则会灯光和声音报警。1.2 选题背景粉尘又称可吸入颗粒物(inhalable particular matter),它是指能进入呼吸道,直径为10m颗粒物,对人眼睛、鼻腔、上呼吸道全部十分有害。同时这种可吸入粉尘能长驱进入肺泡且沉积时间长,可造成心肺病、心血管疾病。粉尘作为病菌载体,一同散入空气中,极易传输疾病。所以,粉尘浓度测试意义重大。目前各行业越来越重视产品生产、物品管理和仓库存放步骤,很多仓库存放很关键物质,如:烟叶、纺丝、药材、食品等。为了维护仓储商品质量完好,发明适宜于商品储存环境,当库内温湿度适宜商品储存时,就要设法预防库外气候对库内不利影响;
5、当监控到库内温湿度不宜商品储存时,就要立即采取有效方法调整库内温湿度。所以,建立实时温湿度监控系统,保留完整历史温度数据全部已经进入了行业规范。1.3 测量方法1.3.1 粉尘测量方法 根据粉尘测量方法不一样,粉尘测量方法关键有光学法、采样称重法和静电法三种。(1) 采样称重法不适合于在线测量。(2) 静电法易受干扰,中国技术并不成熟。(3) 光学法又深入分为浊度法和散射法, 而浊度法是现在国外普遍采取用来测量烟尘( 粉尘) 浓度方法, 这种国外仪器在中国很多单位也全部得到了成功应用。光学法测量缺点是需要保持光学镜头相对清洁。对于烟道中烟尘测量,实践证实, 经过微正压清洁保护风, 就可实现对光
6、学镜头可靠保护。1.3.2温湿度测量方法DATA 用于微处理器和 DHT11之间通讯和同时,采取单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,目前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作步骤以下:一次完整数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果末8位。用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等候主机开始信号
7、结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,假如没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。1.3.3人体感应测量方法感应模块采取双元探头,探头窗口为长方形, 双元 (A 元 B 元) 在较长方向两端,当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱抵达双元时间、距离有差值,差值越大,感应越灵敏,当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时,双元检测不到红外光谱距离改变,无差值,所以感应不灵敏或不工作;所以安装感应器时应使探头双元方向和人体活动最多
8、方向尽可能相平行,确保人体经过时前后被探头双元所感应。1.3.4 研究意义该系统关键用于检测环境中粉尘浓度及温湿度,适适用于家庭环境监测。二 家庭环境监测系统设计方案2.1 粉尘系统功效和技术指标(1) 系统功效: 单片机PM2.5粉尘检测仪采取51单片机+按键+LCD1602+蜂鸣器+粉尘传感器设计而成。1.主控芯片采取增强型51单片机STC89C52。2.使用夏普GP2Y1010AUOF粉尘传感器,每间隔10S更换一次采集浓度值检测愈加正确。3.有3个按键能够调整报警值,可操作性增强。6.当粉尘浓度高于设定值,会自动开启声光报警。7.LCD1602实时显示粉尘浓度和设定报警浓度,清楚直观。
9、(2) 关键技术指标:1、电源电压:5-7V2、工作温度:-10-65摄氏度3、消耗电流:20mA最大4、最小粒子检出值:0.8微米5、灵敏度:0.5V/(0.1mg/m3)6、清洁空气中电压:0.9V 经典值7、工作温度:-10658、存放温度:-20802.2 工作原理2.2.1 粉尘检测原理测尘原理是用粉尘采样器或呼吸性粉尘采样器抽取采集一定体积含尘空气,含尘空气经过滤膜时,粉尘被捕集在滤膜上,再利用光学原理测得粒径。光学测粉尘用到两个原理,朗伯特-比尔(Lambert-Beer)定律和米(Mie)理论。本设计检测原理用基于光学检测法中浊度法。基于朗伯特-比尔定律测量光透过被测物质后,因
10、为散射吸收而使光强减弱,经过测定光束经过被测介质前后光强比之来定量粉尘浓度。其原理以下:一束强度为I0单色平行光照射在含有粉尘检测区,因为粉尘对光吸收和散射,出射光强便会衰减。依据朗伯特-比尔定律,对均匀分布粉尘,入射光强和出射光强相关: 式中:Q为消光系数,它和入射光波长、粉尘粒子直径d、粉尘物质折射率m相关,可按Mie理论和专用算法程序计算。N为粉尘密度,A是直径为d粉尘粒子截面积,W为粉尘质量浓度;为粉尘质量密度。若设某种分布粉尘尘粒直径为d1浓度为w1,则:式中:,对于某种粉尘测量系统而言,C是一常数;M为测量时粉尘粒子按粒径分档数。由公式1-2得:式(1-3)是在单色入射光情况下得到
11、。采取多波长入射时,对每一波长i,全部有对应一个式(1-3),故得方程: 式中:为消光列向量,能够经过实测各波长对应及测得:其中:T称为消光系数矩阵。T中个元素,可由计算机预先算出。为粉尘总质量浓度分布列向量。求解式1-4便可求得W及粉尘总质量浓度。不难看出,多波长消光测尘中,是经过测得多种粒径粉尘质量浓度得到总粉尘浓度,所以能实时地反应粉尘分布影响,为粉尘浓度高精度测量提供了可能。再者,测量粉尘浓度同时,还能测粉尘粒度分布(分散度)。依据粉尘离子散射特征,确定最小粒径前置输出端信号幅值U,然后每个0.1m定义直径档,并预先设定好各档甄别电平,用其中一个标准粒子输入粉尘测试仪。2.2.2温湿度
12、原理1.通讯过程图1所表示图一 通讯过程总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等候DHT11响应,主机把总线拉低必需大于18毫秒,确保DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机开始信号后,等候主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等候20-40us后, 读取DHT11响应信号,主机发送开始信号后,能够切换到输入模式,或输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。图二总线为低电平,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数据全部以50us低电平时隙开始,高电平长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示
13、.假如读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检验线路是否连接正常.当最终一bit数据传送完成后,DHT11拉低总线50us,随即总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。图三 数字0信号表示方法图四 数字1信号表示方法2.2.3人体感应原理两种触发方法:(可跳线选择)a、不可反复触发方法:即感应输出高电平后,延时时间段一结束,输出将自动从高电平变成低电平;b、可反复触发方法:即感应输出高电平后,在延时时间段内,假如有些人体在其感应范围活动,其输出将一直保持高电平,直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检测到人体每一次活动后会自动顺延一个延时时间段, 而且以最终一次活动时间为延时时间起始点
14、)。2.2.4 系统工作原理本系统工作原理是:将电源开关打开,当给一个由测尘原理将粉尘浓度转换得来05V电压信号时,信号经过ADC0809转换为八位二进制数进入单片机,经过处理后转变为三位十进制数经过I/O口在LED1602液晶显示上显示出正确数值。数值量随输入电压扰动而改变。同时键盘设定参考值送入单片机,当采集目前粉尘浓度大于参考值时,单片机驱蜂鸣器报警。2.3粉尘检测程序框图和步骤图 因为软件和硬件是密不可分,所以由系统硬件结构图能够得出软件设计程序框图和步骤图。2.3.1 程序框图设计依据系统结构图所得出各模块图2-1所表示。AT89C52 单 片 机复位电路声光报警电源电路按键电路 信
15、号电路1602显示LED灯 图2-1 系统结构图图 2-1所表示系统所设计程序分为以下五个部分。(1) 信号采集程序:该程序设计关键是将模数转换得来数字信号输入到单片机内部。(2) LED 显示程序:本程序设计关键完成粉尘浓度及温湿度数字显示。 (4) 键盘输入部分:该部分关键完成浓度参考值设定和显示切换。2.3.2 粉尘检测仪程序主步骤图设计依据硬件系统结构图所设计程序主步骤图以下图2-2所表示。图2-2程序主步骤图三 家庭环境监测系统硬件设计3.1单片机部分3.1.1 系统CPU 器件选择CPU是粉尘检测器关键,完成数据采集、处理、输出、显示等功效,是整个仪器正常工作基础,它选择直接关系到
16、整个系统工作。选择高速/低功耗/超强抗干扰新一代8051单片机-STC89C52,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制,适适用于强干扰场所。STC89C52单片机系统电路图3-1所表示:图3-1 STC89C52单片机系统电路单片机最小系统复位、晶振电路介绍(1)复位电路设计复位电路是使单片机CPU或系统中其它部件处于某一确定初始状态,并从这上状态开始工作。 单片机常见复位电路通常单片机复位电路有两种:上电复位电路,按键复位电路。上电复位电路:上电复位是单片机上电时复位操作,确保单
17、片机上电后立即进入要求复位状态。它利用是电容充电原理来实现。按键复位电路:它不仅含有上电复位电路功效,同时它操作比上电复位电路操作要简单多。假如要实现复位话,只要按下RESET键即可。它关键是利用电阻分压来实现在此设计中,采取上电自动复位电路。按键复位电路图3-2所表示。图3-2按键复位电路 复位电路工作原理上电复位要求接通电源后,单片机自动实现复位操作。上电瞬间RESET引脚取得高电平,伴随电容充电,RERST引脚高电平将逐步下降。RERST引脚高电平只要能保持足够时间(2个机器周期),单片机就能够进行复位操作。上电和按键全部有效复位电路不仅在上电时能够自动复位,而且在单片机运行期间,利用按
18、键也能够完成复位操作(2)晶振电路设计晶振电路用于产生单片机工作所需要时钟信号,而时序所研究是指令实施中各信号之间相互关系。单片机本身就如一个复杂同时时序电路,为了确保同时工作方法实现,电路应在唯一时钟信号控制下严格地工作。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个赔偿电容组成自激振荡器,图4. 4Y1、C1、C2。能够依据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率石英晶体,赔偿电容通常选择30pF左右瓷片电容。晶振电路图3-3所表示。晶振电路图3-3所表示。3.2 信号采集电路图3-4 信号采集电路GP2Y1010AUOF粉尘传感器结构特征以下3-5图所表示。图3-5 GP2Y1
19、010AUOF粉尘传感器结构 P2Y1010AUOF粉尘传感器是用光学方法测量悬浮于气相介质或液相介质中微小微粒特征传感器装置,含有光测技术非接触式测量、不扰动被测对象等特点。GP2Y1010AUOF粉尘传感器能够感知烟草产生烟气和花粉,房屋粉尘等1微米以上微小粒子.体积小,重量轻,便于安装.5V输入电路,便于信号处理.内藏气流发生器,能够自行吸引外部大气.灰尘传感器保养简单,能够长久保持传感器特征.3.3 LCD1602液晶显示设计电路图3-6 液晶显示电路设计LCD1602A 是一个工业字符型液晶,能够同时显示16x02 即32个字符。(16列2行)。在日常生活中,我们对液晶显示器并不陌生
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