毕业论文（设计）基于LabVIEW和单片机的室内环境监测预警系统的设计.pdf

目 录中文摘要.IAbstract.II1引言.11.I 课题研究背景及意义.11.2 课题研究的现状.21.2.1 室内环境监测系统现状.21.2.2 传感器研究现状.21.2.3 嵌入式单片机的研究现状.41.2.4 虚拟仪器研究现状.51.3 课题的研究内容.61.4 研究的创新点.72系统总体设计方案.82.1 系统实现的主要组成.82.2 系统硬件的选型与论证.82.2.1 单片机控制器的选型.82.2.2 温、湿度传感器的选型.92.2.3 光强度传感器的选型.102.2.4 天然气传感器的选型.102.2.5 无线传感器的选型.112.3 本章小结.123系统硬件电路设计.133.1 单片机控制电路设计.133.1.1 STC89C52RC 单片机简介.133.1.2 STC89C52RC单片机最小系统电路设计.143.2 温湿度检测电路的设计.153.2.1 DHT90数字温湿度传感器简介.153.2.2 DHT90 管脚说明.163.2.3 DHT90温湿度数据采集电路.163.3 光强度检测电路的设计.17I3.3.1 BH1750FVI光强传感器简介.173.3.2BH1750FVI结构和管脚说明.173.3.3BH1750FVI传感器光强度采集电路.183.3.4室内照明灯自动控制设计.183.4 天然气检测电路的设计.193.4.1 MQ-5天然气传感器简介.193.4.2 MQ-5天然气传感器结构.193.4.3 ADC0809模数转换模块.203.4.4 MQ-5天然气传感器测试原理电路.213.4.5 排气扇、煤气阀控制电路设计.223.5 无线通信模块电路的设计.223.5.1 无线通信模块UTC-1212简介.223.5.2 无线通信模块UTC-1212管脚说明.243.5.3 无线通信模块UTC-1212工作原理.253.6 串口通信模块电路的设计.253.6.1 RS-232串口通信简介.253.6.2 MAX232 芯片简介.253.7 报警模块电路的设计.263.7.1 蜂鸣器简介.263.7.2 蜂鸣器报警模块电路设计.263.8 系统硬件总体电路设计.273.9 本章小结.284系统软件设计.294.!下位机软件程序设计.294.1.1 软件开发环境及语言.294.1.2 DHT90温湿度测量模块化程序设计.294.1.3 BH1750FVI光强度测量模块化程序设计.314.1.4 MQ-5天然气测量模块化程序设计.324.1.5 串行通信模块程序设计.35II4.1.6 无线通信模块程序设计.374.1.7 报警模块化程序设计.394.2 上位机Lab VIEW 程序设计.394.2.I 上位机编程软件Lab VIEW简介.394.2.2 Lab VIEW 软件开发环境.424.2.3 LabVIEW环境监测系统上位机程序编程.434.3 本章小结.505系统的调试及扩展分析.515.1 系统硬件电路调试.515.2 无线传输调试.525.3 系统上位机软件调试.535.4 本章小结.556总结与展望.56参考文献.58附录.64ill中文摘要随着现代社会经济的飞速发展,人们的生活水平也在不断提高。家庭住宅居室是人 们生活的最主要场所,室内居住环境的舒适度、便利性以及安全性直接关系着人们的生 活质量,影响着人们的身心健康,因此室内环境污染对人体健康的影响已越来越被人们所 关注,人们对室内环境的要求也越来越高。但是如今由于室内装修污染物以及人们各种不 良生活习惯等原因,导致室内环境隐患众多,严重危害人们的身心健康,所以对室内环 境的实时监测是非常必要的。目前虽然市场上的室内环境监测仪种类繁多,但是监测的 主要是有害气体,相对功能比较单化,同时价格也较贵,所以对功能多元化的多参数 综合环境监测系统的设计势在必行。本系统是用来实时监测室内环境中的温度、湿度、光照强度和天然气浓度,并将监 测数据显示在PC机上。同时带有实时声光报警功能,并且在报警之后实现简单的自动 化控制模拟,从而达到使室内环境维持在个安全、舒适状态的目的。(1)利用温度、湿度、光照强度、天然气传感器技术与单片机控制技术相结合做 为下位机系统,用来实现对室内环境参数的实时采集传输功能。(2)利用RS-232串口来实现单片机和PC机之间的通讯,将采集到的数据传输给 PC机。(3)利用图形化编程语言LabVIEW编写的上位机程序接收来自串口的数据,并 在PC机上实时显示。(4)蜂鸣器报警模块。如果监测到的数据超出了设定值,蜂鸣器会进行实时报警,并且单片机会做出相对应的自动控制。(5)采用无线传输模块,解决有线传输时线路对监测模块的限制,使系统更加灵 活。本设计在保证了数据准确性的基础上,充分考虑了系统的成本和再开发性,成本较 低,系统移植方便,通用性能好,不仅能监测室内环境,还能应用于监测其他场所的环 境,有一定的市场价值。关键词:LabVIEW;单片机;传感器;室内环境;自动预警IThe design of the indoor environment monitoring and control system based on Lab VIEW and MCUAbstractWith the rapid development of modern social economy,peoples living standard has been improved,family residential bedroom is the main place of peoples life,the indoor living environment of comfort,convenience and safety directly related with the quality of peoples lives,affecting peoples physical and mental health,the influence of the indoor environment pollution on human health has become more and more attention by people.Therefore,people nowadays have become increasingly demanding indoor environment.But today with the renovation and bad habits of peoples lives for various reasons,many indoor environmental concerns,so the real-time monitoring of the indoor environment is essential.Now although there are many different kinds of the indoor environment monitors on the market,but the main monitoring is harmful gas,relative function is simplified,and the price is relatively more expensive,so the functional diversity of design of multi-parameter comprehensive environmental monitoring system is imperative.This system is used for realtime monitoring of the indoor environment temperature,humidity,light intensity and gas concentration,and the monitoring data is displayed on PC.With real-time alarm function at the same time,and achieve automatic control after the alarm,to keep the indoor environment in a relatively safe,comfortable state.(1)Using the temperature,humidity,light intensity,gas sensor technology and singlechip microcomputer control technology as the hypogyny machine system,to implement the real-time collection and transmission function of the indoor environment parameters.(2)Using the RS-232 serial port to realize the communication between MCU and PC,to transmit collected data to the PC.(3)Use Lab VIEW graphical programming language written in the PC program receives data from the serial port,and real-time display on the PC.(4)Buzzer alarm module.If the detected data exceeds the set value,the alarm buzzer will be conducted in real time and make the corresponding automatic control.(5)The wireless transmission module,effectively solve the wired transmission limits onmonitoring module circuit,making the system more flexible.This design on the basis of ensure the accuracy of the data,give full consideration to the cost of system and development,low cost,convenient system transplantation,generaliiperformance is good,not only can monitor indoor environment,also can be applied to environmental monitoring and other places,have a certain market value.Keywords:Lab VIEW;MCU;Sensor;Indoor Environment;Automatic Warningill!引言1.I 课题研究背景及意义随着当代我国社会经济的高速发展和人们生活水平的不断提高,人们对日常生活的 质量问题也越来越重视。家庭住宅是人们休息、学习、聚会、活动的最主要场所,住宅 环境的好坏直接影响着人们的身心健康（刘栋等,2013）与此同时,人们现在追求的 是集舒适、便利、安全于一体的多元化、高品质的健康生活环境。而如今,人们的家庭 室内环境污染随着装修以及各种不良的生活习惯而日益严重,甚至有些污染是人们用单纯 的白身感知所不能察觉的,这样就会严重影响人们的身心健康（崔秀芹,2013）室内 环境的温湿度,光照环境,或者可能泄漏的天然气等都会对人们的生活健康状况和工作 效率造成严重影响。室内光的强度对人眼的影响很大,长期处在在光强过暗或过强的环 境下工作生活会对人眼造成危害;现在做为高效、节能、环保的天然气主要是由甲烷组 成的气态化石燃料,同时含有高量的乙烷、丙烷等烷烷,还有一些酸性气体,如二氧化 碳和硫化氢。尽管天然气是无色无味的,不像一氧化碳那样具有毒性,它本质上是对人体 无害的,但是如果天然气浓度超过25%时,会损害神经系统导致麻痹、昏迷、甚至死亡;根据研究发现,人体最适宜的温度在1824之间,最适宜的健康湿度在45%RH65%RH之间。当环境湿度低于35%RH时,24小时后流感病毒的存活率仍在 10%以上,当环境湿度高于50%RH时,10小时后病毒全部死亡。流感与湿度有密切关 系,健康的湿度可抑制病毒、病菌的滋生和传播,还可提高人体机体的免疫力。尽管室 内的环境污染是可以通过净化空气而得到有效控制的,但是要真正实现室内环境的舒适安 全,室内环境的监测是必不可少的环。所以为了预防及减少室内环境的污染给人们的身 心健康带来的危害,对室内环境进行实时监测是非常必要的。目前,一方面,市场上的手持式室内环境检测仪器比较单化,只能检测种环境参 数,并且大都是只有检测功能,很少有报警功能,所以有时即使检测到室内环境污染物 超标而人们没有察觉的话是毫无用处的;另一方面,现今市场上的手持式检测仪的显示 模块和传感器模块集中在起,使测量精确度受到了一定影响。同时,无线传输技术在 近年来飞速发展,众多中短距离的无线传输模块已广泛应用于人们的日常生活中,所以,利用无线传输模块可以实现将显示模块和传感器模块分开,并且可以解决布线的距离限 制问题,使系统更加精确、灵活、便利。综上所述,设计一个功能参数多元化、能实现 对多参数进行实时监测并同时具有报警功能和简单自动控制的无线传输室内环境1监测系统是很有必要的。1.2 课题研究的现状1.2.1 室内环境监测系统现状现如今,室内环境污染日益严重,而人们的室内活动也逐渐增多,人们对室内环境 的空气质量越来越关注。所以,为进步预防并逐步减少室内环境污染物对人们带来的 危害,新型的室内环境监测系统的研究显得尤为重要。近几年来,为了治理室内环境污 染,我国相继颁布了一些法律法规,如国家质检总局、卫生部、国家环保总局于2002 年联合发布的室内空气质量标准（GB/T1 8883-2002）等标准和规范。随着传感器电子 技术的发展,传感器技术与单片机技术相结合实现的数据采集系统应用在各个领域,推动 了科学技术的迅速发展。嵌入式系统也已经广泛应用在环境检测系统中并且发展迅速（陈明佳等,2011）在国外,西方的些发达国家里,环境监测系统的应用已经比较广泛,但在国内,这领域的发展起步比较晚,而且没有统的标准,所以大多数是照搬的国外先进技术。但 是直到上世纪末,我国的电子科技技术进入快速发展阶段,以智能家居为最终目标的家 庭环境监测控制系统萌芽,但主要集中在珠三角,长江三角洲及环渤海地区,例如,青 岛海尔公司的“e家庭”,清华同方的“e-home数字家园”等等。1.2.2 传感器研究现状当今信息技术飞速发展,但是永恒不变的是其三大基础功能:信息采集、信息传输、信 息处理。（陆遥,2009）任何种信息技术都离不开这三大基础。三大基础功能之一的 信息采集技术指的就是传感器技术。传感器技术在人们的日常生活中随处可见,在电子技 术领域中扮演着极其重要的角色。传感器是人们获得自然领域中信息的最主要的途径,是 现在科学的中枢神经系统（沈艳等,2011）温湿度传感器研究现状温湿度传感器应用于很多领域,比如工业领域、农业领域、科技领域等等。温湿度 传感器是各种传感器应用数量中最多最常见的。近年来,温湿度传感器技术已经趋于成熟、稳定,从最初的温度湿度分开单独测量控制的分散仪表发展成为可以实现双冋路集成的温 湿度同时测量的传感器,使温湿度的测量更加简单方便。对于温湿度传感器,国外在20世 纪70年代就已经开始研究。一开始,大家广泛使用的是模拟式的组合仪表,通过采集 现场信息,然后进行操作、记录和控制。自80年代末以来人们开始采用分布式温湿度 控制系统技术（姚营营,2010）在我国,从20世纪80年代开始研究温湿2度的测控技术,相对于发达国家起步时间比较晚,暂时处于落后的水平。而发达国家已 经拥有很先进的温湿度控制技术。当前国内应用最多的是数字式温湿度传感器,它是基 于半导体集成的温湿度传感器,能够直接输出温湿度的数字值,并且具有响应速度和动 作快以及精度高的特点,而且数字温湿度传感器输出的是数字值而不是模拟值,不需要 A/D转换过程,使用更加方便。所以数字温湿度传感器在近几年得到了迅速的发展。天然气传感器研究现状天然气是种清洁、高效的能源,现如今天然气已经变成居民最广泛应用的燃料。但是随着天然气应用数量的快速增加,天然气泄漏的事故次数也在不断增加。用气安全 问题日益突出,户内燃气事故屡有发生,所以天然气检测仪应运而生。如今天然气传感器 的应用技术已经非常广泛地应用在煤矿和工程,近年来在家庭里也开始普及,用来监测瓦 斯、液化石油气、氧化碳等有害易燃气体的泄漏,预防气体泄漏引起的可燃性气体爆炸 以及不完全燃烧引起的呼吸中毒。目前这种传感器主要分为半导体气体传感器和接触燃烧式 传感器两种。其中接触燃烧式传感器的原理是有可燃性气体在与催化剂产生接触式燃烧,然 后使白金线圈电阻改变而判断可燃气体的泄漏,而半导体气体传感器主要是在SnO2等氧 化物半导体上添加白金等贵金属制造生产的,这种传感器遇到可燃性气体时其表面的 SnO2电导率发生变化,所以可以根据半导体的电阻变化检测可燃性气体的存在。但是 这种传感器工作时需要在一定的温度下,所以在使用前要用电阻丝对其预热。无线传感器网络研究现状无线传感器网络技术的研究起源于20世纪70年代,最早应用于军事领域,在卡耐 基一梅隆大学成立了新一代分布式传感器网络工作组。此后,DA联合美国自然科学基 金委员会设立了多项有关无线传感器网络的研究项目。我国近两年也以多种形式支持无 线传感器网络的研究。这些研究推动了以网络技术为核心的新军事革命,诞生了网络中 心战的思想和体系。目前,无线通信技术的应用已由军事领域扩展到其他许多领域,如 自然灾害监测、生活环境监测、通信医疗等传统方法几乎不能够实现的任务,成为种 深入到人们日常生活方方面面的传感技术。无线通信所构造的网络是由人们布置安排的 许多具有传输与计算功能的传感器网络节点,安置在人们需要监控的却没有人员在场的 区域,自身具有能够感知自然环境变化从而主动动作完成一系列功能的自动监测控制系统。无线传感器网络技术构造了一个平台,在这个平台上人们可以通过对外界环境的实时监测 和采集数据实现信息的获取,然后对信息进行分析、整理,得出结果,最后通过3结果总结经验（李靖,2008）继因特网之后,无线网络通信综合技术是21世纪又一个极大的影响了人们生活思 维方式的新兴技术,因特网改变的是人们相互之间的交流、沟通、联系方式,而无线传 感器网络这种全新的模式把信息世界与物理世界融合在起,将改变人与自然的交互模 式。无线网络通信技术的广泛应用,为社会带来无比巨大的效益,因此引起了无线传感 器网络技术的研究热潮。（林瑞仲,2005）1.2.3 嵌入式单片机的研究现状单片机自20世纪70年代问世以来,以其极高的性价比,受到人们的重视和关注,应用广泛,发展迅速。单片机体积小,重量轻,抗干扰能力强,环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,开发较为容易。由于具有上述优点,在我国单片机已广泛地应用在 工业自动化控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器、电电子、机电一体化等各个领 域（张毅刚等,2003）单片机就是块半导体硅片上集成了微处理器（CPU）,存储器（RAM,ROM,EPROM）和各种输入、输出接口（定时器/计数器,并行I/O,串行口,A/D转换器 以及脉宽调制器PWM等）,这样块集成电路芯片就具有了一台计算机的属性,因而 被称为单片机微型计算机（张俊谟,2006）单片机主要应用于测控领域,用以实现各种 测试和控制功能。由于单片机在使用时,通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中,所以,通常也把单片机成为嵌入式控制器EMCU（Embendded Microcontroller Unit）单片机的发展历史可分为四个阶段:第一阶段（1974年1976年）:单片机的初级萌芽发展阶段。因工艺限制,单片 机采用双片的形式而且功能比较简单。第二阶段（1976年1978年）：低性能的单片机发展阶段。这种低性能的单片机 是以Intel公司制造的MCS-48型单片机为代表,MCS-48型单片机的问世成为单片机历 史上一个标志,它标志着人类成功实现了把个单晶芯片加工成为个微型计算机,这 项发明给世界的电子业带来了轰动性的影响。这种单片机的片内集成有8位的CPU、多个 并行I/O 口、8位定时器/计数器、小容量的RAM和ROM等,但是由于这个单片机发 展还有一定的局限性,这种型号的单片机并没有串行通信,操作相对来说比较简单。第三阶段（1978年一现在）：高性能的单片机阶段。Intel公司在MCS-48型单片机 的基础上推出的MCS-51单片机,这类单片机就是大名鼎鼎的“51单片机”的始祖,这 种单片机的性能比MCS-48型单片机的性能有明显提高,内部增设了串行口 I/O,并 4且同时具备了多级中断处理系统,定时器/计数器由原先的8位扩展到了 16位,扩大了 ROM、RAM的内存容量。MCS-51单片机因为其强大的功能、可靠的性能、便利的实用 性而深受电子爱好者欢迎,被人们誉为“最经典的跨时代的单片机”(孙育才等,2012)第四阶段(1982年一现在)：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推 出阶段。1.2.4 虚拟仪器研究现状现今嵌入式电子计算机技术飞速发展,在众多计算机控制系统中单纯靠硬件仪器或 者PC软件已经难以满足当前人们的需要,所以将硬件的仪器技术与PC机的软件技术 相结合,从而突破早期单纯依靠硬件传统仪器的概念,诞生了一个全新的仪器概念,即 虚拟仪器。虚拟仪器是基于计算机的,以计算机做为仪器统的平台,它把传统的硬件仪器与 飞速发展的计算机软件技术相结合。简单来说,任何个虚拟仪器系统都是由两部分构 成,那就是硬件和软件。目前来看,有两种方式可以结合硬件仪器与PC机软件:第一 种是以传统的硬件仪器为主,将PC机的软件系统装入传统仪器,第二种就是以PC机 软件系统为主,将传统的硬件仪器装入PC机中,在PC机平台上实现传统的硬件仪器 功能。而本文所介绍的虚拟仪器,它使用的就是第二种结合方式,充分利用了计算机的 数据计算、数据存储、数据查询、数据显示等多种功能,并且虚拟仪器在性价比极高的 同时能够保证测量精度,能够快速构建庞大的测试系统。针对目前所要实现的测量任务来 说,虚拟仪器系统的成本与能够实现相同功能的传统仪器成本几乎没有差别,有些虚拟 仪器价格甚至比传统仪器的价格便宜几倍至几十倍。虚拟仪器把传统仪器的专业化功能 和面板控件统统软件化,使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪 器相同,同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。虚拟仪器与传统的硬件仪器相比具有以下多个特点。(1)虚拟仪器的软硬件的局限性较小,因此与其他仪器设备连接比较容易实现。(2)虚拟仪器将所有的仪器控制信息集中在软件模块中,采用多种方式显示采集的 数据、分析的结果和控制的过程。(3)虚拟仪器利用图像用户界面,用计算机直接读数。(4)虚拟仪器能够对数据直接编辑,并且可以实时显示结果。同时也能够利用与计 算机通过总线相连从面把数据传输给外接设备。5(5)虚拟仪器比传统仪器更加灵活,人们自己可以根据自己不同的需求对虚拟仪器 的功能模块进行修改和扩展。传统仪器只能实现套特定的功能,而虚拟仪器通过软件 就能实现这些功能并且能够简单的对其修改和优化。(6)虚拟仪器可以节约大量的成本。虚拟仪器的诞生使系统的开发维护成本大幅降 低,并且大大提高了系统的精确度和便利性,节约时间。(7)虚拟仪器通过软件能够实现传统硬件仪器所能实现的相同的功能,并且可以方 便的与PC机和单片机的技术相结合,系统移植方便,实现了资源共享。Lab VIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是种利用 图标 来代替文本行创建应用程序的图形化编程语言,是N1公司开发的种行业图形化编程 软件。LabVIEW编程语言与其他的语言编程有着显著的区别:其他的语言都是根据基 于文本的语言编写程序代码,但是LabVIEW使用的是用程序框图的形式产生代码,被 称为G代码(岂兴明等,2007)LabVIEW提供了很多和传统的硬件仪器(如示波器、万用表)功能与外观相似的 模块,可以实现系统界面的快速建立。LabVIEW是一种业界领先的工业图像化编程 具,主要用于开发测试、测量与控制系统,是专门为工程师和科学家设计的直观图像化编 程语言。它将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在起,建立虚拟仪器系统,以形成用户自定义的解决方案。VISA是虚拟仪器软件结构体系的简称。VISA是在所有LabVIEW工作平台上控制 VXL GPIB、RS-232以及其他种类起的单接口程序库。利用VISA就可以通过串口实 现PC机与单片机的实时通讯(董翰川等,2011)1.3 课题的研究内容室内环境监测控制系统由单片机下位机系统和LabVIEW上位机系统两部分组成。而单片机下位机系统由传感器检测模块、报警模块、无线传输模块、自动控制模块四部 分组成。上位机系统分为显示程序模块、声光报警程序模块和数据记录程序模块。传感 器检测模块又分为温湿度传感器模块、光强度传感器模块、天然气传感器模块。它们的 功能是准确无误地检测室内的环境参数:温湿度、光照强度、天然气浓度,然后单片机 将检测到的数据通过串口无线传输给PC机通过PC机上的LabVIEW编写的上位机程 序对数据进行实时显示并且记录。报警模块功能是当检测模块检测到的数据超出设定值 时实现报警功能。自动控制模块功能是在报警模块报警的同时,发送指令给单片机,单6片机接收到指令之后进行相应的自动控制动作使室内环境维持在个良好、安全的状态、本文具体章节及拟解决的问题如下:第一章:介绍了室内环境监测系统的国内外现状以及课题研究的目的及意义,确定 了论文的主要研究内容。第二章：介绍了系统的总体设计方案,详细阐述了系统的各个组成部分,以及各组 成部分硬件芯片的选型。第三章：介绍了系统下位机各个子模块的硬件电路设计,以及系统总体硬件电路设 计。第四章:介绍了系统上位机LabVIEW软件程序设计,并且利用LabVIEW仿真及 单片机LED灯模拟室内环境的自动控制系统,如煤气阀的开关等。第五章:系统整体调试。第六章:总结与展望。1.4 研究的创新点本文的创新点如下:（1）将LabVIEW技术与单片机技术相结合,成功的实现了两者的数据通信,利用 LabVIEW当作显示器,使数据的显示更加人性化。将UTC1212无线传输模块引入环境监测系统,使测试精确度更高,使测试更 加灵活方便。72系统总体设计方案针对上文分析的室内环境污染问题以及环境检测仪的现状,指明了本文的研究方 向,本章将详细叙述针对当前室内环境污染的问题,利用多个传感器模块,实现实时监 测室内环境并进行报警及自动控制的方案。2.I系统实现的主要组成室内环境监测控制系统实现的主要组成部分如下:(1)主控制器单片机最小系统模块,系统采用STC89c52RC单片机为控制器。(2)温湿度检测电路模块,采用数字温湿度传感器DHT90实时采集温湿度数据。(3)光强度检测电路模块,采用光照强度传感器BH1750FVI实时采集光强度数据。(4)天然气检测电路模块,采用天然气传感器MQ-5实时检测天然气浓度。(5)LabVIEW上位机 利用LabVIEW图形化编程语言编写上位机程序。实时接收 显示室内环境数据。(6)实时报警电路模块,包括蜂鸣器报警电路模块和上位机声光报警模块。(7)自动控制模块,当检测到上位机数据异常时,通过单片机进行简单的自动控制 操作。(8)无线传输模块,使单片机控制器与PC机的连接能够摆脱布线的限制。2.2 系统硬件的选型与论证2.2.1 单片机控制器的选型自从1976年,Intel公司推出了能称之为单片机的MCS-48系列单片微型计算机以 来,单片机的发展极为迅速,在MCS-48单片机的刺激下,许多半导体公司和计算机公 司争相研制和发展自己的单片机系列。到目前为止,世界各地的厂商已研制出大约50 个系列、30多个品种的单片机。但是尽管目前单片机的种类很多,但其中最具有典型性 代表的当属Intel公司的MCS-51系列。80C51系列是在MCS-5I的基础上于20世纪80 年代发展起来的,当时Intel公司以专利转让的形式把805I内核技术转让给了许多半导 体芯片生产厂家,虽然它仍然是8位的单片机,但其功能有很大增强。此外它还具有品 种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。很快80c51这一系列的单片机迅速成为我国 电子电路领域使用的最广泛的单片机,其中宏晶科技的STC单片机是中国单片机电子 产品制造的领导品牌(杨竞,2011)所以本文使用了宏晶科技的STC89c52RC单片 机,如图2-1所示。8图 2-1 STC89c52RC 观Fig.2-1 STC89C52RC appearance这款单片机是新一代增强型8位单片机,具有以下优点:(1)兼容性强宏晶科技的STC89C52RC单片机是新一代的低功耗、高性能、抗干扰强的CMOS8 位微控制器。传统的8051单片机的程序指令代码以及引脚,STC89c52RC单片机能够 完全兼容,具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89c52RC使用经典的MCS-51内 核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。(2)性价比高选单片机的原则是在能完全实现目标系统的前提下,把成本压到最低。宏晶科技生 产的STC89c52RC单片机是学校实验室应用最广的单片机,既可以满足本系统所要求 的各项功能,而且这款单片机芯片是单片机电子市场最便宜的单片机芯片。综上所述,本系统采用STC89C52RC单片机。2.2.2 温、湿度传感器的选型市场上现在的测量温度、湿度的传感器种类繁多,本系统选择数字温度、湿度传 感器,共有两种选择:(1)分立式采用温度、湿度各用个传感器分别进行数据采集,温度传感器采用DS18B20进 行数据采集,湿度传感器采用HSH01进行数据采集,然后将两个传感器采集的温度、湿度数据分别存储到单片机中,然后单片机再进行相应的处理。(2)集成式集成式的温湿度传感器DHT90是数字温湿度传感器系列中的插针型传感器,如图 2-2所示,传感器包括个电容性聚合体测湿敏感元件,一个用能隙材料制成的测温元 件,并且在同一个芯片上。9图2-2DHT90外观Fig.2-2 DHT90 appearance分立式的温度、湿度传感器是分开的,因此电路相互独立,而且采集数据之后需要 再将两个数据整合,使用起来比较麻烦;集成式的温湿度传感器将温湿度集成在个传 感器电路上,并且输出的就是整合完成的数据,使用起来更加方便。综上所述,本系统 采用集成式的温湿度传感器DHT90（张丽娜,2006）2.2.3 光强度传感器的选型目前市场上的光照传感器型号多样,种类繁多。传统的光照传感器采用的是光敏电 阻,其中光敏电阻的光照度与电流的关系被称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线 性,所以传统的光照传感器适合被用作开关式光电传感器,而不适合用作检测功能。如 今室内光照检测应用范围最广的是种新型的光强度检测芯片BH1750FVL如图2-3所 示。这种传感器可以有效的解决传统测光仪器的缺点,具有很好的光谱灵敏度特性,可 以将测得的光强度通过!6位的串行口直接以数字的形式输出,使得BH1750FVI的编程 和使用都特别方便,综上所述,本系统采用BH1750FVI型传感器。图2-3 BH1750FVI观Fig.2-3 BH1750FVI appearance2.2.4 天然气传感器的选型 气敏电阻由氧化锡、氧化镒等半导体材料制成,这些材料在吸收了氢、氧化碳、烷、醴、醇、苯以及天然气体的烟雾时,发生还原反应,放出热量,使元件温度相应增高,电阻发生变化。利用这种特性,把气体的成分和浓度转换成电信号,进行监测和报警。市 场上的气敏传感器种类繁多,本系统要对有害气体的浓度进行检测,采用天然气 10传感器MQ-5型电化学气体传感器,如图2-4所示。MQ-5型气体传感器对液化气,天 然气,城市煤气有较好的灵敏度,具有快速的响应恢复特性,使用寿命长并且具有可靠 的稳定性。是非常适用于家庭或工业上对液化气,天然气,煤气的监测装置。具有优良 的抗乙醇,烟雾干扰能力。综上所述,本系统采用MQ-5型电化学气体传感器。图2-4 BH1750FVI观Fig.2-4 BH1750FVI appearance2.2.5 无线传感器的选型、本设计需要单片机控制器与PC机进行无线的实时数据传输,考虑到当前市场上无 线传感器模块众多且功能价格不一,以及本系统对于室内环境监测所要求无线传输的距 离和成本,系统决定采用UTC1212模块作为无线收发模块,如图2-5所示。UTC1212 现在在电子领域应用非常广泛,因为此模块的集成度非常高,体积非常小,易于携带与 装配。它的功耗非常低,驱动方便。同时UTC1212能够实现半双工无线传输,数据传 输速度快,精确度高。UTC1212模块电路内部集成了处理器STM8L101,这种处理器可 以使无线收发模块的处理速度提高几倍。同时采用SX1212射频芯片,提高了模块的抗 干扰能力,增强了灵敏度。UTC1212模块共可以工作在四种模式下,既可以在线修改 自身参数,比如发射功率,串口传输速度等等,也可以直接通过与其连接的单片机来设置 修改参数。UTC1212模块适合使用2.1V3.6V之间的电池电压对其供电,特别适合单 片机小系统的开发利用（魏元焜,2013）图 2-5 UTC1212 外观Fig.2-5 UTC1212 appearance112.3 本章小结本章主要对系统下位机硬件检测模块的选型进行了详细叙述,根据系统所需要检测 的室内环境的各项数据的要求（范围、精确度等）,分析了能符合系统功能的不同的元 器件及传感器模块,然后在符合功能的电子器件中,通过比较各项使用参数（便利性、性价比、精确度、寿命等）,在众多电子器件中选择了使用方便,性价比高的来搭建系 统的硬件系统,系统的总体框图如图2-6所示。图2-6系统的总体框图Fig.2-6 The overall block diagram of the system123系统硬件电路设计3.1 单片机控制电路设计3.1.1 STC89C52RC单片机简介STC89c52RC是STC公司生产的种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器,具 有8K在系统可编程的Flash存储器。STC89c52RC使用的是经典的MCS-51内核,但 做了很多的改进,令该微处理器拥有了传统的51单片机没有的功能。单片机具有ISP（在系统可编程）和ASP（在应用可编程）功能,在没有专用编程器以及仿真器的条件 下就可以实现程序的直接下载,使得STC89c52RC能为嵌入式电子系统提供高灵活、超 有效的解决方案（王严,2013）STC89C52RC具备多项特性:8K字节Flash,512字 节RAM,32位!/O,集成4KB的EEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,看门狗,4个外部中断,个7向量四级中断结构（能够完全兼容传统51单片 机的5向量二级中断结构）,全双工串行口。此外STC89C52RC可降至0Hz静态逻辑 操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时 器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片