家庭环境监测系统的设计与制作.doc

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传感器设计实验论文

题目：

家庭环境检测系统的设计与制作

专业名称：

电子信息工程

姓名：

学号：

班级：

13级电信二班

指导教师：

陆清茹

2016年10月25日

目录

一、绪论 3

1.1前言 3

1.2选题背景 3

1.3国内外发展状态 4

1.3.1粉尘测量方法 4

1.3.2粉尘检测仪的性能与优点 5

1.3.3研究的意义 5

1.4本文主要工作 5

二、PM2.5粉尘浓度测试仪系统设计方案 6

2.1系统的功能和技术指标 6

2.2工作原理 7

2.2.1粉尘检测原理 7

2.2.2系统工作原理 8

2.3程序框图和流程图 8

2.3.1程序框图设计 8

2.3.2粉尘检测仪程序主流程图设计 9

三PM2.5粉尘测试仪系统硬件设计 11

3.1单片机部分 11

3.1.1系统CPU器件选择 11

3.2信号采集电路 13

3.3LED1602液晶显示设计电路 14

3.4声光报警提示电路及LED灯电路 15

3.5换风系统电路 17

3.6按键电路 17

四PM2.5粉尘测试仪系统软件设计 18

4.1系统程序流程 19

4.2浓度参考值的键盘设定程序设计 19

4.2.1键盘扫描的设计 20

4.3信号采集部分的程序设计 21

4.3.1数据采集流程图设计 21

4.4蜂鸣器报警部分程序设计 22

4.5LED1602液晶显示部分的程序设计 23

4.5.1显示流程图设计 23

五DHT11产品概述 24

六HC-SR501人体感应模块功能特点 25

七PM2.5粉尘检测仪的测试结果及结论 25

7.1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前言

随着社会的进步，工业化水平的提高，人们的生活和工作有了很多便利。

然而人们在享有方便生活和工作的同时，不得不面对生活环境越来越差的现实。

进入21世纪以来，生活环境问题越来越严重，而这与人们对生活质量要求的提高形成了矛盾，因此注重生活环境的监测已经慢慢步入了产业化。

粉尘是空气质量的重要指标，所以粉尘的检测就很重要。

温度和湿度则能影响人类的生活舒适度。

本文所设计的家庭环境监测系统具有监测粉尘浓度，室内温度和湿度的功能，并具有人体感应功能，可在人接近时点亮屏幕显示数值，人离开后进入待机状态。

本设计还具有报警功能，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（inhalableparticularmatter），它是指能进入呼吸道的，直径为10μm的颗粒物，对人的眼睛、鼻腔、上呼吸道都十分有害。

同时这种可吸入粉尘能长驱进入肺泡且沉积时间长，可导致心肺病、心血管疾病。

粉尘作为病菌的载体，一同散入空气中，极易传播疾病。

因此，粉尘浓度测试意义重大。

当前各行业越来越重视产品生产、物品管理和仓库存储环节，很多仓库存储非常重要的物质，如:

烟叶、纺丝、药材、食品等。

为了维护仓储商品的质量完好，创造适宜于商品储存的环境，当库内温湿度适宜商品储存时，就要设法防止库外气候对库内的不利影响；当监控到库内温湿度不适宜商品储存时，就要及时采取有效措施调节库内的温湿度。

因此，建立实时的温湿度监控系统，保存完整的历史温度数据都已经进入了行业规范。

1.3测量方法

1.3.1粉尘测量方法

按照粉尘测量方法的不同，粉尘测量方法主要有光学法、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,国内技术并不成熟。

（3）光学法又进一步分为浊度法和散射法,而浊度法是目前国外普遍采用的用来测量烟尘（粉尘）浓度的方法,这种国外仪器在国内许多单位也都得到了成功应用。

光学法测量的缺点是需要保持光学镜头的相对清洁。

对于烟道中烟尘的测量,实践证明,通过微正压的清洁保护风,就可实现对光学镜头的可靠保护。

1.3.2温湿度测量方法

DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,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,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:

一次完整的数据传输为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”所得结果的末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,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,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,如果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

感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、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的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。

1.3.4研究的意义

该系统主要用于检测环境中的粉尘浓度及温湿度，适用于家庭环境监测。

二家庭环境监测系统设计方案

2.1粉尘系统的功能和技术指标

（1）系统功能：

单片机PM2.5粉尘检测仪采用51单片机+按键+LCD1602+蜂鸣器+粉尘传感器设计而成。

1.主控芯片采用增强型51单片机STC89C52。

2.使用夏普的GP2Y1010AUOF粉尘传感器，每间隔10S更换一次采集浓度值检测更加准确。

3.有3个按键可以调整报警值，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，清晰直观。

（2）主要技术指标：

1、电源电压：

5-7V

2、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 典型值

7、工作温度：

-10~65℃

8、存储温度：

-20~80℃

2.2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的含尘空气，含尘空气通过滤膜时，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的浊度法。

基于朗伯特-比尔定律测量光透过被测物质后，由于散射吸收而使光强减弱，通过测定光束通过被测介质前后的光强比之来定量粉尘浓度。

其原理如下：

一束强度为I0的单色平行光照射在含有粉尘的检测区，由于粉尘对光的吸收和散射，出射光强便会衰减。

根据朗伯特-比尔定律，对均匀分布的粉尘，入射光强与出射光强有关：

式中：

Q为消光系数，它与入射光波长λ、粉尘粒子直径d、粉尘物质折射率m有关，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的粉尘粒子的截面积，W为粉尘的质量浓度；ρ为粉尘的质量密度。

若设某种分布的粉尘尘粒直径为d1浓度为w1，则：

式中：

对于某种粉尘的测量系统而言，C是一常数；M为测量时粉尘粒子按粒径的分档数。

由公式1-2得:

式（1-3）是在单色入射光情况下得到的。

采用多波长入射时，对每一波长λi,都有对应的一个式（1-3），故得方程：

式中：

为消光列向量，可以通过实测各波长对应的及测得：

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。

为粉尘总的质量浓度分布列向量。

求解式1-4便可求得W及粉尘的总质量浓度。

不难看出，多波长消光测尘中，是通过测得各种粒径粉尘的质量浓度得到总的粉尘浓度的，因而能实时地反应粉尘分布的影响，为粉尘浓度的高精度测量提供了可能。

再者，测量粉尘浓度的同时，还能测粉尘的粒度分布（分散度）。

根据粉尘离子的散射特性，确定最小粒径前置输出端的信号幅值U，然后每个0.1μm定义直径档，并预先设定好各档甄别电平，用其中一种标准粒子输入粉尘测试仪。

2.2.2温湿度原理

1.通讯过程如图1所示

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。

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。

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

两种触发方式：

（可跳线选择）

a、不可重复触发方式:

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、可重复触发方式：

即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有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的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时

时间的起始点）。

2.2.4系统工作原理

本系统的工作原理是：

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的0～5V的电压信号时，信号经过ADC0809转换为八位的二进制数进入单片机，经过处理后转变为三位十进制数通过I/O口在LED1602液晶显示上显示出精确数值。

数值量随输入电压的扰动而变化。

同时键盘设定参考值送入单片机，当采集的当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流程图

因为软件和硬件是密不可分的，所以由系统的硬件结构图可以得出软件设计的程序框图和流程图。

2.3.1程序框图设计

根据系统结构图所得出的各模块如图2-1所示。

AT89C52

单

片

机

复位电路

声光报警

电源电路

按键电路

信号电路

1602显示

LED灯

图2-1系统结构图

如图2-1所示系统所设计的程序分为以下五个部分。

（1）信号采集的程序：

该程序设计主要是将模数转换得来的数字信号输入到单片机内部。

（2）LED的显示程序：

本程序设计主要完成粉尘浓度及温湿度的数字显示。

（4）键盘输入部分：