家用环境监测系统的设计.doc

第1章 绪论1.1 引言伴随现代社会高速发展，对环境参数测量监控包含到工农业生产、国防建设、科学试验、大家生活等各个方面。所以对标准测量室内环境要求越来越高，尤其在大家日常家庭生活中。大家会需要一个适宜温度，不是太冷也不是太热。同时，大家对室内空气质量要求更显关键。抽烟会使室内烟雾弥漫，使用液化气也难免会有泄露，这些气体全部是对人体有害。所以，把握室内温度、湿度、空气质量度，来进行妥善调整，从而避免因为这些环境原因超标对人体造成伤害就显得尤为关键。为了愈加好对这些环境参数进行有效快速测量，传统人工控制已经不能满足要求。伴随传感器技术不停发展，单片机应用不停地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制单片机应用系统中，单片机往往是作为一个关键部件来使用，仅单片机方面知识是不够，还应依据具体硬件结构，和针对具体应用对象特点软件结合，以作完善。现代家庭环境监测中，对家庭环境温湿度和有害气体浓度会有一定要求，房关键随时能观看到房间里温湿度。当温湿度超出或低于一定范围时候，人会感觉到不舒适，有害气体浓度超出一定值时候，会对大家身体健康造成危害。这就需要对家庭环境进行监测，使家庭环境达成大家要求范围，从享受到到健康舒适生活。采取51单片机来对这些参数进行控制，含有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，从而能大大提升大家生活质量。本课题要求依据家庭要求环境参数，设计一个家用环境监测系统，该系统应以单片机为关键，实现对家庭环境实时监测。1.1.1 家庭环境监测系统中国外发展趋势在过去，室内温湿度关键靠我们身体感知来感受，对温度高低没有确切数值，室内气体关键靠我们嗅觉来感受。但伴随社会发展，我们对这些参数精度要求也在不停提升，我们要知道温湿度确实切值，要知道有害气体是否超标。先是温度计、湿度计和气体检测仪发明，给我们生活带来了很大方便，不过温度计和湿度计在显示上不够明了，精度不够，部分气体检测仪只是仅仅能够检测气体浓度，却不能对有害气体浓度超标进行报警。所以现在市面上有很多以数码管显示，蜂鸣器报警环境监测器材问世。现在，中国外开发出了部分基于单片机计算机环境监测设备，不过价格比较高，其操作系统均为英文，普及性不强。环境监测关键部分是传感器，所以环境监测发展关键表现在传感器发展上，依据传感器在信号输出方法上不一样，能够分为模拟传感器和数字传感器。下面就模拟输出温湿度传感器和数字输出温湿度传感器进行简单介绍。1、模拟输出温湿度传感器模拟输出温湿度传感器信号采取模拟电压输出方法，含有精度高，可靠性高，一致性好，且已带温度赔偿，稳定性好，使用方便及价格低廉等特点，适合对质量，成本要求比较苛刻企业使用。该传感器亮点在于功耗低、体积小、单片机校准线性输出、信号传输距离长，试用于暖通空调，加湿器，除湿机，大气环境监控，测量仪表等应用领域。2、数字输出温湿度传感器对于更紧密控制能力、更高精度和更大分辨率需求带动了数字温度传感器发展。被测温度信号从敏感元件接收非电量到转换为微处理器可处理数字信号，步骤较多，而且模拟信号在长距离传输过程中，受到干扰较多，误差较大。所以，从非电量转换到数字信号，通常将其处理过程集成在单片IC器件体内部，这么就形成了功效强大，正确数字传感器。数字传感器和模拟传感器相比，因为采取高集成度设计和数字化处理，在可靠性、抗干扰能力和器件微小化方面全部有显著优点，但受半导体器件本身限制，数字传感器还存在以下不够理想地方：（1）数字传感器测量是其本身管芯温度，而且管芯温度靠近于引线温度，所以每个传感器必需安置在和被监视环境有良好热耦合位置。实际应用时会出现传感器所测温度值要小于环境温度，需要加修正值。（2）数字传感器对温度转换为数字量时间全部较长。（3）测温范围不宽（均在-40至+120）。（4）数字传感器传输函数存在有一定非线性，可由软件校正。不过，数字传感器最好在常温下应用，超出常温范围它误差较大。所以数字传感器现在还不适适用于对温度改变敏感、环境恶劣行业。（5）眼下，数字传感器价格比模拟传感器高，作大范围推广应用时有一定难度。因为它们各自有其优缺点，又各有自己应用范围和市场，数字传感器和模拟传感器会并存很长一段时间，但伴随材料科学和半导体技术深入发展和合作，数字传感器测温精度深入提升，测温范围拓宽，生产成本和销售价格不停降低，其发展趋势必将替换模拟传感器。1.1.2 设计目标和意义现代家庭环境监测中，对家庭环境温湿度和有害气体浓度会有一定要求，房关键随时能观看到房间里温湿度。当温湿度超出或低于一定范围时候，人会感觉到不舒适，有害气体浓度超出一定值时候，会对大家身体健康造成危害。这就需要对家庭环境进行监测，使家庭环境达成大家要求范围，从享受到健康舒适生活。因为家庭里空间较大，而且每个房间内要求温度不一样，所以就得实现多点采集。因为环境参数对于大家生活关键性，这就要求能有一个有效、低成本仪表来实现监测控制功效，使得房主能方便有效地进行房间监控操作（温湿度设定，实时显示，超标报警）。利用单片机技术对家庭环境进行监控，用户能够方便地结构自己所需要数据采集系统，在任何时候观察家庭环境实时信息，提升了用户生活质量和舒适度，取得了家庭环境实时管理，实现自动化，智能化。微机测量是微机设计第一步，是微机测量技术现场部分，即测量家庭环境中环境参数，并使用单片机对测量数据进行处理。第2章 方案设计在对课题进行了深入了解基础上，形成了最终设计方案，本章内容为了对本设计方案进行较为具体说明。此次设计家用环境监测系统关键由以下几部分组成：温湿度传感器、单片机关键控制电路、键盘、温湿度显示电路和报警电路、有害气体浓度报警电路。2.1 方案概述此次设计目标是设计一个基于单片机控制家用环境监测系统。本系统属于多功效系统，能够设定温湿度和有害气体浓度报警上下限，当温度不在设置范围内时，则报警提醒；当有害气体浓度超出设定值时，则报警提醒。该设计控制器使用单片机。本监测系统由温湿度传感器电路、单片机系统、温湿度显示电路、有害气体浓度监测A/D转换电路、键盘、报警电路组成。其基础工作原理：温湿度传感器内部温度敏感元件和湿度敏感元件分别将温度和湿度转换成电信号，该信号首优异入内部微弱信号放大器进行放大，然后进入一个14位内部A/D转换器，最终经过二线串行数字接口输出数字信号传给单片机系统，单片机系统依据显示需要对数字信号进行处理，再送入液晶显示系统，温湿度值便在液晶屏上显示出来了。同理，有害气体浓度检测电路接收到电信号，经过A/D转换器将其转换成数字信号传给单片机系统，由单片机系统判定是否超出设定值，超出则报警。总体设计方案框图图2.1所表示：温湿度传感器AT89C51单片机气体传感器键盘显示电路报警电路A/D转换复位电路图2.1 总体设计方框图2.2 设计总体思绪此次设计要实现对家庭环境监测，首先选择温湿度采集部分、有害气体浓度采集部分、单片机控制部分和显示部分，同时还要设计按键部分和报警部分，依据设计要求和设计思绪，确定该系统具体设计方案。2.2.1 单片机选择现今社会单片机发展很迅猛，出现很多个类单片机如：STC单片机、PIC单片机、PHLIPIS 51PLC系列单片机(51单片机)等；STC单片机：STC企业单片机关键是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快812倍，带ADC，4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。适适用于精密仪器和加密仪器但相对家用其性价比太低成本高，很多功效全部用不到。 PIC单片机：是MICROCHIP企业产品，其突出特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容FLASH程序存放器芯片。适适用于抗干扰领域，相对于家用其成本也是很高，也没法突出其特征假如用有点暴敛天物。PHLIPIS 51PLC系列单片机(51单片机)：ATMEL企业8位单片机有AT89、AT90两个系列，AT89系列是8位Flash单片机，和8051系列单片机相兼容，静态时钟模式；AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方法、内载在线可编程Flash单片机，也叫AVR单片机。相对AT90来说AT89功效简单但完全能达成家用功效要求，而AT90性价比就有点低。所以选择了AT89系列。AT89C51 有40个引脚，4k 字节Flash 闪速存放器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中止结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器立即钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方法停止CPU工作，但许可RAM，定时/计数器，串行通信口及中止系统继续工作。掉电方法保留RAM中内容，但振荡器停止工作并严禁其它全部部件工作直到下一个硬件复位。AT895C51有PDIP、TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不一样产品需求。其外形及引脚排列图2.2所表示。图2.2 at89c51芯片模型关键功效特征： 1、兼容MCS51指令系统。2、32个双向I/O口。3、2个16位可编程定时刚计数器中止。4、 2个串行中止。 5、 2个外部中止源。6、 2个读写中止口线。7、低功耗空闲和掉电模式。2.2.2 温湿度传感器选择现在传感器很多，考虑了两种传感器：一个是使用铂电阻温度传感器采集温度，湿敏电阻采集湿度，再经由A/D转换器转换成单片机能够处理数字信号，然后送到单片机中进行处理变换后，最终将温湿度值显示在显示器上并判定是否超限。其中铂电阻可测200到850，但其中需要A/D转换，而且连线时占用I/O口过多。另一个是采取SHT11温湿度传感器，它是瑞士Sensirion企业推出数字温湿度传感器，该传感器高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功效集成到一个芯片上，提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高，能够提供温度赔偿湿度测量值和高质量露点计算功效，而且可依据实际要求经过简单编程实现8-12位数字值读数方法。其外形及引脚排列图2.3所表示。图2.3 SHT11芯片模型SHT11性能特点以下： 1、全量程标定，两线数字输出。2、测量范围广；湿度测量范围：0100%RH；温度测量范围：-40+120。3、测量精度高；湿度测量精度：3%RH：温度测量精度：0.4。4、响应时间短；响应时间：4s。5、低功耗，尺寸小，可完全浸没。6、提供温度赔偿湿度测量值和高质量露点计算功效。经过比较，能够看出使用SHT11温室传感器比用铂电阻温度传感器和湿敏电阻方便很多，故选择SHT11作为此次设计温湿度传感器。2.2.3 A/D转换器选择在工业控制和智能化仪表中，常见单片机进行实时控制及实时数据处理。单片机加工信息全部是数字量，而被控制或测量对象相关参量往往是连续改变模拟量，如温度、压力、流量等，经过传感器将这些信号转成模拟信号。单片机要处理这种信号，首先必需将模拟量转换成数字量，这一转换过程就是模/数转换，现实模/数转换设备称为A/D转换器或ADC。A/D转换电路种类很多，现在在实用、教学方面使用较多两种A/D转换器是ADC0809和TLC1543。在选择A/D转换器时，关键考虑以下部分技术指标：转换时间和转换频率、量化误差和分辨率、转换精度、接口形式等。现在，较为流行A/D转换器很多全部采取了串行接口，这使得这类芯片和单片机硬件连接很简单。出于成本考虑，此次设计采取串行接口TLC1543而非并行接口ADC0809。下面将简单介绍一下TLC1543。图2.4是TLC1543引脚示意图。图2.4 TLC1543芯片模型TLC1543是由TI企业开发开关电容式A/D转换器，该芯片含有以下特点：10位精度、11通道、三种内建自测模式、提供EOC（转换完成）信号等。该芯片和单片机接口采取串行接口方法，引线极少，和单片机连接简单。其中AIN0AIN10是11路输入，REF+和REF-分别是参考电源正负引脚，使用时通常将REF-接到系统地，达成一点接地要求，以降低干扰。其它引脚是TLC1543和CPU接口，其中CS为片选端，如不需片选，可直接接地。CLK是芯片时钟端，ADDR是地址选择端，SDO是数据输出端，这三根引脚分别接到CPU三个I/O端即可。EOC用于指示一次A/D转换已完成，CPU能够读取数据，该引脚是低电平有效，依据需要，该引脚可接入CPU中止引脚，一旦数据转换完成，向CPU提出中止请求。另外，也能够将该引脚接入一个一般I/O引脚，CPU经过查询该引脚状态来了解目前状态，甚至该引脚也能够不接，在CPU向TLC1543发出转换命令后，过一段固定时间去读取数据即可。2.2.4 显示方法选择LED是发光二极管Light Emitting Diode英文缩写。LED应用可分为两大类：一是LED单管应用，包含背光源LED，红外线LED等；另外就是LED显示器，现在，中国在LED基础材料制造方面和国际还存在着一定差距，但就LED显示器而言，中国设计和生产技术水平基础和国际同时。LED显示器是由发光二极管排列组成一个显示器件。发光二极管是由半导体发光材料做成PN结，只要在发光二极管两端经过正向电流5-20mA就能达成正常发光，发光颜色通常有红、绿、黄、白等颜色。单个发光二极管通常是经过亮、灭来指示系统运行状态和用快速闪烁来报警。它采取低电压扫描驱动，含有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点。通常所说LED数码管显示器由7个发光二极管组成，所以也称之为七段LED显示器，显示器中还有一个圈点型发光二极管，用于显示小数点。经过七个发光二极管亮暗不一样组合，能够显示多个数字、字母和其它符号。LCD显示器原文是Liquid Crystal Display，取每字第一个字母组成。其工作原理就是利用液晶物理特征：通电时排列变得有序，使光线轻易经过；不通电时排列混乱，阻止光线经过。 LCD优点关键包含零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原正确、字符显示锐利等。 经过比较，LED和LCD有着根本区分，首先是发光光源不一样，其次是显示效果区分，LCD可显示精巧画面，LED却不能。因为本设计应用于家庭环境，所以最好不要有辐射，不改变周围温度而且还要直观多显示信息等。所以选择LCD。图2.5是LCD引脚示意图。图2.5 LCD芯片模型其中D0D7为8位双向数据线，和单片机I/O接口相连；VSS为电源地，VDD接5V正电源；VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”；RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，当RS和RW共同为低电平时能够写入指令或显示地址，当RS为低电平RW为高电平时能够读信号，当RS为高电平RW为低电平时能够写入数据；E为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块实施命令。2.2.5 按键选择此次设计中设置有参数设置部分，此部分由按键输入。常见按键有独立式按键和行列式按键。独立式按键就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，经过检测输入线电平状态能够很轻易地判定哪个按键被按下。在按键数目较多时，独立式按键电路需要较多输入口线且电路结构繁杂，故此种按键适适用于按键较少或操作速度较高场所。独立式按键是直接用I/O口线组成单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键工作不会影响其它I/O口线状态。即一个按键对应着一个端口输入，每一个按键全部有一个按键电路来判定其是否按下。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必需占用一根I/O口线，所以，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采取。行列式按键，也称矩阵式按键，用于按键数目较多场所，它由行线和列线组成，按键在行，列交叉点上。在按键数目较多场所，行列式按键和独立式按键相比，要节省很多I/O口线。因为此次设计需要设置参数上下限，需要输入对应数字，需要一个类似手机键盘输入系统，所以选择行列式4x3按键。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路和CPU相连。CPU能够采取查询或中止方法了解是否有按键输入并检验是哪一个键按下，经过跳转指令转入实施该键功效程序，实施完后再返回主程序。2.2.6 设计语言选择软件设计关键任务就是对单片机控制程序，实现课题所要求各项功效。汇编语言作为单片机课程学习时所强化一门语言，因为时序上很严谨，便于计算运行时间等优点，曾经广泛使用。不过伴随单片机开发技术不停发展，现在越来越多人从使用汇编语言转向使用高级语言进行开发工作，尤以C语言为主，现在市场上常见多个单片机全部有C语言开发环境。下面简单介绍一下汇编语言和C语言。汇编语言是一个以处理器指令系统为基础低级程序设计语言，它采取助记符表示指令操作码，采取表示符号表示指令操作数。利用汇编语言编写程序关键优点是能够直接、有效地控制计算机硬件，所以轻易创建代码序列短小、运行快速可实施程序。汇编语言有以下特点：直接和简捷，可有效地访问、控制计算机多种硬件设备，如磁盘、存放器、CPU、I/O端口等，目标代码简短，占用内存少，实施速度快，是高效程序设计语言。C语言是高级语言。它把高级语言基础结构和语句和低级语言实用性结合起来。C 语言能够像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基础工作单元。C是结构式语言。结构式语言显著特点是代码及数据分隔化，即程序各个部分除了必需信息交流外相互独立。这种结构化方法可使程序层次清楚，便于使用、维护和调试。C 语言是以函数形式提供给用户，这些函数可方便调用，并含有多个循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。C语言适用范围大。适合于多个操作系统，也适适用于多个机型。C语言对编写需要硬件进行操作场所也显著优于其它语言。 综合考虑，C语言对我们以后学习和工作有很大帮助，所以，最终决定用C语言完成此次设计软件工作。第3章 硬件设计依据单片机对家庭环境监测要实现功效，设计了基于ATMEL企业AT89C51芯片室内监测系统。这是一个低成本利用单片机I/O口实现温湿度、有害气体浓度检测电路。整个系统硬件部分包含温湿度检测系统、A/D转换、单片机、I/O设备、按键系统、报警系统等。温湿度控制部分用SHT11温湿度传感器、AT89C51单片机及LCD显示硬件电路完成对家庭环境实时监测及显示。3.1 系统硬件介绍硬件大致组成：关键控制器件AT89C51，温湿度传感器SHT11，A/D转换器TLC1543，显示器LCD1602，键盘，显示及报警电路。3.1.1 硬件设计思想本设计是以AT89C51为单片机作为控制关键，提出了一个基于温湿度传感器SHT11、A/D转换器TLC1543家庭环境测控系统。单片机经过实时监控温湿度和有害气体浓度改变，经过LCD1602字符型液晶显示温湿度数值，当温湿度或有害气体浓度值超出所设定值时，报警器开始报警，从而实现对环境参数管理和控制。这种测量系统含有成本低廉、传感精度高、系统稳定、易于管理等优点。3.2 关键控制器件AT89C51AT89C51 有40个引脚，4k 字节Flash 闪速存放器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中止结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器立即钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方法停止CPU工作，但许可RAM，定时/计数器，串行通信口及中止系统继续工作。掉电方法保留RAM中内容，但振荡器停止工作并严禁其它全部部件工作直到下一个硬件复位。AT895C51有PDIP、TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不一样产品需求。关键功效特征： 1、兼容MCS51指令系统。2、32个双向I/O口。3、2个16位可编程定时刚计数器中止。4、 2个串行中止。 5、 2个外部中止源。6、 2个读写中止口线。7、低功耗空闲和掉电模式。AT89C51引脚图3.1所表示。图3.1 AT89C51引脚图概述：AT89C52为40 脚双列直插封装8 位通用微处理器，关键管脚有：XTAL1（19 脚）为接外部晶体一个引脚，该引脚内部是一个反相放大器输入端，假如采取外接晶体振荡器，该引脚应该接地。XTAL2（18 脚）接外部晶体另一端，该引脚内部接至内部反相放大器输出端，若采取外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟震荡信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器输入端。RESET（9 脚）为复位输入端口，高电平有效，外接电阻电容组成复位电路，当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期高电平时间。ALE（30脚）为地址锁存信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不停输出正脉冲信号。当单片机访问外部存放器时，ALE输出信号负跳沿作用单片机发出低8位地址锁存控制信号。PSEN（29脚）为程序存放器许可输出控制端，在单片机访问外部程序存放器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存放器选通信号。EA（31脚）为程序存放器选择控制端，当EA为高电平时，单片机访问片内程序存放器，当EA为低电平时，单片机则只访问外部程序存放器。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功效用途由软件定义。P0 口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流方法驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存放器或程序存放器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻8 位双向I/O 口，P1输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，经过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，经过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存放器或16 位地址外部数据存放器时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址外部数据存放器（如实施MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器内容。Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和部分控制信号。P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为通常I/O 口线外，更关键用途是它第二功效。具体请参见表3.1。表3.1 P3端口引脚兼用功效表P3引脚兼用功效P3.0串行通讯输入（RXD）P3.1串行通讯输出（TXD）P3.2外部中止0（INT0）P3.3外部中止1（INT1）P3.4定时器0输入（T0）P3.5定时器1输入（T1）P3.6外部数据存放器写选通输出（WR）P3.7外部数据存放器读选通输出（RD）3.2.1 AT89C51单片机最小系统设计单片机最小系统是指能维持单片机运行最简单配置系统。此次设计单片机最小系统以AT89C51为关键，配以一定外围电路和软件，实现单片机最小系统功效。AT89C51单片机内部有一个用于组成振荡器高增益反相放大器，引脚X1和X2分别是该放大器输入端和输出端，这个放大器和作为反馈元件片外石英晶体或陶瓷谐振器一起组成自激振荡器。外接石英晶体及电容接在放大器反馈回路中组成并联振荡电路。对外接电容即使没有严格要求，但电容容量大小会轻微影响振荡频率高低、振荡器工作稳定性、起振难易程序及温度稳定性。CPU振荡器采取了12MHz石英晶体，33pF电容。AT89C51单片机最小系统电路图图3.2所表示。图3.2 AT89C51组成最小系统电路图复位电路采取自动上电复位和按键手动复位相结合复位电路接法，即在Vcc和RST端接一个容量为10F电解电容，其两端并接一个轻触按钮，利用RESET内部复位下拉电阻便组成复位电路。这种接法不仅能够在上电时自动复位，也能够在程序运行时手动进行复位，只需按下复位电路中复位键即可。上电自动复位是经过外部复位电路电容充电来实现，当电源VCC接通时只要电压上升时间不超出1ms，就能够实现自动上电复位。而手动好处于于能避免死机时关机复位。其复位过程为：接通电源瞬间，电容C1上电压很小，RST端上电压靠近电源电压，在电容C1充电过程中，RST端电位逐步下降，当RST端电位小于某一数值后，CPU脱离复位状态；当按钮按下时，电容经过R1放电，当电容放完电后，RST端电位由VCC电压决定。所以RST为高电平，CPU进入复位状态，松手后，电容C1开始充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。3.2.2 SHT11工作原理SHT11是瑞士Sensirion企业推出一款数字温湿度传感器芯片。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。其关键特点以下：高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功效集成到一个芯片上；提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；测量精度可编程调整，内置A/D转换器（分辨率为812位，能够经过对芯片内部寄存器编程米选择）；测量正确度高，因为同时集成温湿度传感器，能够提供温度赔偿湿度测量值和高质量露点计算功效；封装尺寸超小（7.62 mm5.08mm2.5 mm），测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；高可靠性，测量时可将感测头完全浸于水中。SHT11引脚图图3.3所表示。图3.3 SHT11引脚图SHT11引脚功效表如表3.2所表示。表3.2 SHT11引脚功效表序号名称引脚功效描述1GND地信号2DATA串行数据双向接口3SCK串行时钟输入接口4VDD可选择VDD引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必需接地微处理器是经过二线串行数字接口和SHT11进行通信。通信协议和通用I2C总线协议是不兼容，所以需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。微处理器对SHT11控制是经过5个5位命令代码来实现，命令代码含义如表3.3所列。 表3.3 SHT11控制命令代码命令代码含义00011测量温度00101测量湿度00111读内部状态寄存器00110写内部状态寄存器11110复位命令，使内部状态寄存器恢复默认值，下一次命令前最少等候11ms其它保留下面介绍一下SHT11命令次序及命令时序。 （1）传输开始初始化传输时，应发出“传输开始”命令，具体为SCK是高电平，DATA由高电平变为低电平，并在下一个SCK为高时将DATA升高。接着传输开始下一个命令包含三个地址位（现在只支持“000”）和5个命令位，经过DATA脚ACK（确定字符）位处于低电位表示SHT11正确接收到命令。（2）连接复位次序假如和SHT11传感器通讯中止，下列信号次序会使串口复位：当使DATA线处于高电平时，出发SCK9次以上（含9次），并发一个前述“传输开始”命令。（3）温湿度测量时序当发出了温（湿）度测量命令后，控制器就要等到测量完成后才开始动作。使用8/12/14位分辨率测量分别需要大约11/55/210ms。为表明测量完成，SHT11会使DATA为低电平，此时控制器必需重新开启SCK，然后SHT11传送两字节测量数据和1字节CRC校验和到控制器，控制器必需经过使DATA为低来确定每一字节，通讯在确定CRC数据位后停止。假如没有用CRC-8校验和，则控制器就会在测量数据LSB后，保持SCK为高时停止通讯。SHT11在测量和通讯完成以后会自动返回睡眠模式。需要注意是，为使SHT11温升高低于0.1，则此时工作频率不能大于15%（如：12位精度时，每秒最多进行3次测量）。（4）加热控制将传感器芯片中加热开关接通，传感器温度大约增加5，加热用途以下：其一，经过对开启加热器前后温、湿度进行比较，能够正确地域分传感器功效；其二，在相对湿度较高环境下，传感器能够经过加热来避免冷凝。3.2.3 TLC1543工作原理TLC1543是由TI企业开发开关电容式A/D转换器，该芯片含有以下特点：10位精度、11通道、三种内建自测模式、提供EOC（转换完成）信号等。该芯片和单片机接口采取串行接口方法，引线极少，和单片机连接简单。其中AIN0AIN10是11路输入，REF+和REF-分别是参考电源正负引脚，使用时通常将REF-接到系统地，达成一点接地要求，以降低干扰。其它引脚是TLC1543和CPU接口，其中CS为片选端，如不需片选，可直接接地。CLK是芯片时钟端，ADDR是地址选择端，SDO是数据输出端，这三根引脚分别接到CPU三个I/O端即可。EOC用于指示一次A/D转换已完成，CPU能够读取数据，该引脚是低电平有效，依据需要，该引脚可接入CPU中止引脚，一旦数据转换完成，向CPU提出中止请求。另外，也能够将该引脚接入一个一般I/O引脚，CPU经过查询该引脚状态来了解目前状态，甚至该引脚也能够不接，在CPU向TLC1543发出转换命令后，过一段固定时间去读取数据即可。TLC1543引脚图图3.4所表示。图3.4 TLC1543引脚图TLC1543工作时序：其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。工作状态由CS使能或严禁，工作时CS必需置低电平。CS为高电平时，I/O CLOCK、ADDRESS被严禁，同时DATA OUT为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据转换，I/O CLOCK、ADDRESS使能，DATA OUT脱离高阻状态。随即，CPU向ADDRESS端提供4位通道地址，控制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1路送到采样保持电路。同时，CLK端输入时钟时序，CPU从DATA OUT端接收前一次A/D转换结果。I/O CLOCK从CPU接收10个时钟长度时钟序列。前4个时钟用4位地址从ADDRESS端装在地址寄存器，选择所需模拟通道，后6个时钟对模拟输入采样提供控制时序。模拟输入采样起始于第4个I/O CLOCK下降沿，而采样一直连续6个I/O CLOCK周期，并一直保持到第10个I/O CLOCK下降沿。转换过程中，CS下降沿使DATA OUT引脚脱离高阻状态而且开启一次I/O CLOCK工作过程。CS上升沿终止这个过程并在要求延迟时间内使DATA OUT引脚返回高阻状态，经过两个系统时钟周期后严禁I/O CLOCK和ADDRESS端。3.3 温湿度测量电路本系统要求实现对室内温湿度测量，在温湿度测量系统中，二线数字传感器SHT11因体积小、精度高、组成系统结构简单等优点，应用越来越广泛。温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功效集成到一个芯片上。该芯片包含一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首优异入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位A/D转换器；最终经过二线串行数字接口输出数字信号。SHT11在出厂前，全部会在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存放在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器信号。SHT11经过二线数字串行接口来访问，所以硬件接口电路很简单。需要注意地方是：DATA数据线需要外接上拉电阻，时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同时，因为接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求；当工作电压高于4.5V时，SCK频率最高为10 MHz，而当工作电压低于4.5 V时，SCK最高频率则为1 MHz。硬件连接图3.5所表示。图3.5 温湿度测量电路图3.4 LCD1602内部结构及工作原理 LCD内部结构：由CGRAM（自建字型产生器）、DDRAM（数据显示存放器）、CGROM(内含字型产生器)、指令寄存器、数据寄存器、地址计数器、指令译码器等组成。 LCD显示原理：利用旋光效应对光进行偏转，再利用偏振片滤去不需要透过光对应像素，从而实现图像显示。 LCD驱动原理：分成两大步，即写指令，写数据，其中写数据之前要找到显示位置。本试验所采取液晶型号为LCD1602A。它位数多，可显示32位，32个数码管体积相当庞大了，显示内容丰富，可显示全部数字和大、小写字母，程序简单，假如用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而LCD1602A自动完成此功效。1602A采取标准16脚接口图3.6所表示。图3.6 LCD1602引脚图第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时能够经过一个10K电位器调整对比度（提议接地，弄不好有模块会不显示）第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块实施命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第1516脚：空脚（有用来接背光）1602A液晶模块内部字符发生存放器（CGROM）已经存放了不一样点阵字符图形，这些字符有，阿拉伯数字、英文字母大小写、常见符号、和日文假名等，每一个字符全部有一个固定代码，其中数字和字母同ASCII码兼容。其内部还有自定义字符（CGRAM），可用于存放自己定义字符。显示电路电路图图3.7所表示。图3.7 显示电路电路图3.5 按键及报警电路此次设计温度报警上下限能够由开关和按键来设定，当按下S2开关时，LCD屏跳转显示输入温度上下限画面，此时能够经过行列式键盘输入需要设定上下限数值，当设置完温度上下限以后，画面会自动跳转到设定湿度上下限画面，同理设置完湿度上下限后，画面会跳转回到温湿度传感器上显示测量数值。若此时显示温湿度数值不在设定范围之内，LED灯会自动亮起提醒报警。而有害气体浓度上限设定则在程序中完成。TLC1543是一个10位精度A/D转换器，和TLC1543连接气体传感器用一个连接5V电源10K滑动变阻器替换，经过编程使适当加在TLC1543上电压超出1.25V时，LED灯点亮报警。按键及报警电路图3.8所表示。图3.8 按键及报警电路图其中S