基于單片機(jī)的環(huán)境安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)PAGEPAGE54編號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目基于單片機(jī)的環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。作者簽名：日期：

目錄TOC\o"1-3"\u摘要 ⅠAbstract Ⅱ1緒論 11.1本課題要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)及研究的主要內(nèi)容 11.1.1研究的目標(biāo) 11.1.2研究的主要內(nèi)容及簡(jiǎn)要分析 12系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 22.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 22.2系統(tǒng)總方案的選定 22.2.1主控制器方案的選型 22.3系統(tǒng)組成框圖 93系統(tǒng)的工作原理 113.1傳感器的基本特性 113.1.1傳感器的靜態(tài)特性 113.1.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性 113.2溫度傳感器 113.3濕度傳感器 153.3.1特點(diǎn) 153.3.2濕度的計(jì)算方法 163.4氣體傳感器MQ-2 183.4.1特點(diǎn) 183.4.2結(jié)構(gòu)、外形 183.5氣體傳感器MQ-5 193.6單片機(jī)AT89S52 213.7AD轉(zhuǎn)換器TLC2543 244系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和連接 274.1溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 274.2濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 274.31602液晶與單片機(jī)的連接 284.4聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì) 294.5時(shí)鐘電路 294.6復(fù)位模塊 314.7煙霧、可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 325系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試 335.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) 335.2軟件設(shè)計(jì)流程圖 335.3系統(tǒng)硬件調(diào)試 365.3.1硬件靜態(tài)的調(diào)試 365.3.2聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試 366總結(jié)與展望 38致謝 39參考文獻(xiàn) 40附錄1環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)原理總圖 42附錄2環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)源程序 43摘要環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)是對(duì)環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧、可燃?xì)怏w和有毒氣體進(jìn)行檢測(cè)的裝置，該系統(tǒng)能顯示當(dāng)前環(huán)境中的溫度和濕度值，并當(dāng)環(huán)境中的溫度超過(guò)設(shè)定限值和環(huán)境中有煙霧、有毒氣體或可燃?xì)怏w出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行聲光報(bào)警。本系統(tǒng)能使人們及時(shí)的得知環(huán)境中情況，并判斷出環(huán)境中有對(duì)人們的人身財(cái)產(chǎn)造成威脅的因素，提早做出預(yù)防。本文首先介紹了環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)及研究的主要內(nèi)容，分析系統(tǒng)的總體方案和系統(tǒng)框圖，對(duì)系統(tǒng)所需的主要器件和傳感器做了具體詳細(xì)的闡述，接著介紹了各個(gè)模塊硬件電路的設(shè)計(jì)，最后介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試。本文從環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)功能要求出發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)模塊方案的論證，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加合理。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)（AT89S52）為核心，配合溫度傳感器（DS18B20）、濕度傳感器(HS1101)和兩個(gè)氣體傳感器（MQ-2和MQ-5），以及相關(guān)的外圍電路組成的檢測(cè)系統(tǒng)，可以接收所測(cè)環(huán)境的溫度、濕度、煙霧、可燃?xì)怏w和有毒氣體信號(hào)，檢測(cè)人員可以通過(guò)液晶顯示的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境的溫度和濕度情況。所有的測(cè)量操作都可以通過(guò)主機(jī)控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，溫度傳感器得到的測(cè)量信號(hào)，直接送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)軟件分析處理后送顯示裝置。而濕度傳感器要置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，才可直接被計(jì)算機(jī)所采集。兩個(gè)氣體傳感器得到的測(cè)量信號(hào)要經(jīng)過(guò)A\D轉(zhuǎn)換器TLC2543后才能送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)是在程序控制下工作的，本系統(tǒng)在KEIL公司研發(fā)的keilμVision4下用C語(yǔ)言編寫了所有的程序。在本文最后，對(duì)本次設(shè)計(jì)做了總結(jié)，提出了本次設(shè)計(jì)的一些不足，并給出了一些改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞：環(huán)境安全；單片機(jī)；溫度傳感器；濕度傳感器；氣體傳感器AbstractEnvironmentalsafetydetectionsystemisthedeviceswhichcandetectintheenvironmentoftemperature,humidity,smoke,flammablegasandtoxicgas,thesystemcandisplay??thecurrentenvironmentofthetemperatureandhumidityvalues,andwhentheenvironmenttemperatureexceedsthesetlimitsandsmoke,toxicgasesorcombustiblegasarediscoveredintheenvironment,thesystemwillbesoundandlightalarm.Thissystemcanmakepeopleknowtimelysituationoftheenvironmentanddeterminefactorsintheenvironmentalthatcanposeathreattopeople'spersonalandpropertyandtopreventearly.Thispaperfirstintroducestheenvironmentalsafetydetectionsystemtoachievetheobjectivesandthemaincontentoftheexamination,analysisthesystemoftheoverallprogramandsystemblockdiagram,elaboratesthesystemrequirementsforthemajordevicesandsensorsspecificallyandindetail,thenthedesignofthevariousmodulesofhardwarecircuit,thefinalintroducedthesystemofsoftwaredesignanddebugging.Thispaper,fromrequirementsofenvironmentalsafetytestingsystemfunctionality,adoptedapproachofmodulardesign,demonstrationbymoduleprogram,andmakethedesignofthesystemmorereasonable.Thedesignofthecoreisthemicrocontroller(AT89S52)withtemperaturesensor(DS18B20),humiditysensor(HS1101),twogassensors(MQ-2andMQ-5)andrelatedperipheralcircuitsconstitutedthedetectionsystems.Thatcanreceivemeasuredsignalofenvironmentaltemperature,humidity,smoke,combustiblegasesandtoxicgases.InspectorsthroughtheLCDdatareal-timemonitoringtemperatureandhumidityoftheenvironment.Allthemeasurementoperationachievedbythehostcontrolsoftware,themeasurementsignalofthetemperaturesensorcandirectlysendtothemicrocontrollerfordataprocessing.Thedataadoptsanalysisandhandlebysoftware,andthensendstoevacuationsdisplaydevice.Buthumiditysensorsmustbeplacedina555oscillatorcircuit,transformthecapacitancechangesintothevoltage-frequencysignalsinordertosignalscanbedirectlyacquiredbythemicrocontroller.TwogassensorsmeasuredthesignalthatmustgothroughA\DconverterTLC2543tosendtothemicrocontrollerfordataprocessing.Thewholedetectionsystemisinprocesscontrol,thissystemwrotealltheproceduresbyClanguageunderthekeilμVision4whichdevelopedbyKEILcompany.Attheendofthisarticle,itmakesasummaryforthedesign,proposedanumberofshortcomingsinthedesignandproposedsomeimprovements.Keywords:Environmentalsafety;Microcontroller;TemperatureSensor;HumiditySensor;GasSensors1緒論環(huán)境安全是關(guān)系到地球上一切生物的生存與可持續(xù)發(fā)展、一個(gè)國(guó)家的穩(wěn)定與發(fā)展及世界和平與安定的根本問(wèn)題，是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)與人文社會(huì)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)作為現(xiàn)代重要的環(huán)境安全設(shè)施，受到日益推廣與普及，致使相關(guān)的生產(chǎn)廠也如雨后春筍般涌現(xiàn)，境外產(chǎn)品也大量進(jìn)入，但是此類產(chǎn)品無(wú)法兼容與互換，施工單位如不能形成一套行之有效的工法，這樣不僅加大工程投入，同時(shí)會(huì)因?yàn)楹鲆暳擞嘘P(guān)要點(diǎn)使工程留下或多或少的缺點(diǎn)、進(jìn)而導(dǎo)致維護(hù)工作量的增加，甚至縮短了系統(tǒng)使用壽命。因此對(duì)環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求很高。1.1本課題要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)及研究的主要內(nèi)容1.1.1研究的目標(biāo)根據(jù)課題要求，本文研究的環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：能夠檢測(cè)室內(nèi)的溫濕度、煙霧濃度、有毒氣體、可燃?xì)怏w等參數(shù)，當(dāng)溫度超過(guò)指標(biāo)或者檢測(cè)到有有毒氣體、可燃?xì)怏w和煙霧時(shí)能夠聲光報(bào)警。1.1.2研究的主要內(nèi)容及簡(jiǎn)要分析本課題研究的主要內(nèi)容是基于圖1.1的所示的完整的系統(tǒng)主要模塊結(jié)構(gòu)圖，下面簡(jiǎn)要說(shuō)明各個(gè)模塊的功能。報(bào)警模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)采集模塊塊液晶顯示模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊報(bào)警模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)采集模塊塊液晶顯示模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)圖1.1環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)主要模塊結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)采集模塊：采集環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧濃度、有毒氣體、可燃?xì)怏w等參數(shù)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊：對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，是該系統(tǒng)的核心部分。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：按照規(guī)定的格式準(zhǔn)確地存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，需要達(dá)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)安全的要求。液晶顯示模塊：將采集來(lái)的數(shù)據(jù)處理后按要求顯示。報(bào)警模塊：當(dāng)采集來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)處理和存儲(chǔ)后發(fā)現(xiàn)超出限定值時(shí)，就會(huì)報(bào)警。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)。1、可靠性高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個(gè)方面考慮：使用可靠性高的元器件；設(shè)計(jì)電路板時(shí)布線和接地要合理；對(duì)供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診斷功能等。2、操作維護(hù)方便在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，盡量減少對(duì)操作人員專用知識(shí)的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減少人機(jī)交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡(jiǎn)化的方法。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)配有現(xiàn)場(chǎng)故障診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對(duì)故障進(jìn)行定位，以便進(jìn)行維修。2.2系統(tǒng)總方案的選定2.2.1主控制器方案的選型1、單片機(jī)的選擇單片機(jī)是系統(tǒng)的控制核心，所以單片機(jī)的性能關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的好壞。因此單片機(jī)的選擇，對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及功能的擴(kuò)展有著很大的影響。單片機(jī)種類很多，在眾多51系列單片機(jī)中，較為常用的是ATMEL公司的AT89C51和AT89S52單片機(jī)，AT89C51片內(nèi)4K，ROM是Flash工藝的，使用專用的編程器自己就可以隨時(shí)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行電擦除和改寫，片內(nèi)有128字節(jié)的RAM。而AT89S52含有在系統(tǒng)可編程的Flash存儲(chǔ)器，片內(nèi)有8K閃存，RAM的容量也較AT89C51大，為256字節(jié)。顯然這種單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)更多，開發(fā)時(shí)間也大為縮短。因此，在本次設(shè)計(jì)中選用了ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)。2、溫度傳感器選用隨著溫度傳感器智能化、集成化技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字式溫度傳感器也得到了快速發(fā)展，世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)極大的豐富了設(shè)計(jì)工程師的選擇對(duì)象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應(yīng)該把握以下幾點(diǎn)：外圍電路應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單；測(cè)溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)成本；溫度傳感器采用的總線負(fù)載能力如何，能否滿足多點(diǎn)測(cè)溫的需要；占用MCU的I/O引腳數(shù)情況如何，因?yàn)镸CU的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點(diǎn)溫度測(cè)量時(shí)，如果測(cè)量的點(diǎn)數(shù)超過(guò)了輸入通道時(shí)，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時(shí)間，應(yīng)盡量節(jié)約；與MCU的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，溫度測(cè)量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。目前在數(shù)字溫度傳感器中采用的串行總線主要有Philips公司的I2C總線、Motorola公司的SPI總線、NationalSemiconductor公司的Microwireplus總線、DallasSemiconductor公司的1-Wire總線和Siemens公司的Profibus總線等。常用的數(shù)字溫度傳感器主要有：（1）AD7418是美國(guó)模擬器件公司（ADI）推出的單片溫度測(cè)量與控制用集成電其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和10位A/D轉(zhuǎn)換器。測(cè)溫范圍為-55℃~+125℃，具有10位數(shù)字輸出溫度值，分辨率為0.25℃，精度為±2℃，轉(zhuǎn)換時(shí)間為15~30ms。具有體積小、編程簡(jiǎn)單、使用容易、測(cè)量精度高，并且不易受環(huán)境干擾等優(yōu)點(diǎn)。AD7418可以級(jí)聯(lián)至多8片在同一個(gè)I（2）LM74是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、A/D數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有SPI/Microwire兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。在傳感器通電工作后自動(dòng)按一定速率對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并在片內(nèi)寄存器中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的溫度值，主機(jī)可以在任意時(shí)刻讀出傳感器溫度值。LM74具有休眠模式，在休眠時(shí)消耗的電流不超過(guò)10μA,適用于對(duì)功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。LM74的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為12位外加符號(hào)位，因此在其有效工作范圍內(nèi)可達(dá)0.0625℃的分辨率，轉(zhuǎn)換時(shí)間為425ms。（3）MAX6575L/H是美國(guó)MAXIM公司的一種單總線式數(shù)字溫度傳感器，具有較好的線性、較低的功耗，而且編程簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，使用方便。測(cè)溫范圍為-40~+125℃，其誤差范圍：在25℃時(shí)優(yōu)于±3℃在85℃時(shí)優(yōu)于±4.5℃，在125℃時(shí)優(yōu)于±5℃。但是MAX（4）DS18B20是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，即允許在一條信號(hào)線上掛接數(shù)十甚至上百個(gè)數(shù)字式傳感器，從而使測(cè)溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡(jiǎn)單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的A/D轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，而且可以通過(guò)總線供電，由它組成的溫度測(cè)控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。DS18B20的測(cè)溫范圍-55~+125℃，最高分辨率可達(dá)0.0625℃，由于每一個(gè)DS18B20出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號(hào)并存入其ROM中，因此CPU可用簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就可以識(shí)別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。Dallas公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價(jià)格比，有以下特點(diǎn)：（1）適用于低速測(cè)控場(chǎng)合，測(cè)控對(duì)象越多越顯出其優(yōu)越性；（2）性價(jià)比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好；（3）具有CRC校驗(yàn)功能，可靠性高；（4）軟件設(shè)計(jì)規(guī)范，系統(tǒng)簡(jiǎn)明直觀，易于掌握。由于DS18B20獨(dú)特的單總線接口方式在多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)，占MCU的I/O引腳資源少，MCU的通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單，成本較低，傳輸距離遠(yuǎn)，所以，選用DS18B20作為溫度測(cè)量的傳感器。3、濕度傳感器的選用近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了較大的發(fā)展。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展。選擇集成濕度傳感器應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：感濕性能好、靈敏度高、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬，要有較好的一致性、可重復(fù)性，線性度要好、濕滯小，較高的穩(wěn)定性和可靠性，有較強(qiáng)的抗污染能力、使用壽命長(zhǎng)。目前，國(guó)外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司HS1101、HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。這些產(chǎn)品可分成以下三種類型：（1）線性電壓輸出式集成濕度傳感器典型產(chǎn)品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點(diǎn)是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì)濕度呈比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強(qiáng)。（2）線性頻率輸出集成濕度傳感器典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55%RH時(shí)的輸出頻率為8750Hz（型值），當(dāng)上對(duì)濕度從10%變化到95%時(shí)，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。（3）頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器典型產(chǎn)品為HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，還增加了溫度信號(hào)輸出端，利用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，其電阻值也相應(yīng)改變并且從NTC端引出，配上二次儀表即可測(cè)量出溫度值。常用的集成濕度傳感器主要有：（1）HIH-3610是美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的具有信號(hào)處理功能的熱固聚酯電容式相對(duì)濕度傳感器，線性放大輸出、工廠標(biāo)定，獨(dú)特的多層結(jié)構(gòu)能非常好地抵抗環(huán)境的侵蝕，諸如濕氣、塵埃、油、及一些化學(xué)品。工作范圍：溫度-40~+85℃，相對(duì)濕度0~100%RH，精度達(dá)到±2%RH，激光修正互換性至5%RH，低功耗驅(qū)動(dòng)電流設(shè)計(jì)為200μA，反應(yīng)時(shí)間為15s，穩(wěn)定性好、較低的漂移、抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)。（2）HF3223濕度傳感器是法國(guó)Humirel公司生產(chǎn)的專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)相對(duì)濕度傳感器，具有線性的頻率輸出，濕度測(cè)量范圍10~95%RH，精度±5%RH，濕度遲±1.5%RH，溫度工作范圍-30~+80℃，溫度特性好，高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，在長(zhǎng)時(shí)間處于飽和狀態(tài)后快速脫濕，反應(yīng)時(shí)間10s，對(duì)化學(xué)品有較高的抵抗性，浸水沒(méi)有影響。（3）HS1101濕度傳感器是法國(guó)Humirel公司制造的電容式相對(duì)濕度傳感器。帶防護(hù)棒式封裝，5VDC恒壓供電，1~4VDC放大線性電壓輸出，便于用戶使用。濕度測(cè)試量程為0~100%RH，精度達(dá)±3%RH（10~95%RH范圍），防灰塵，可有效抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì)，非常低的溫度依賴性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，反映時(shí)間5s，廣泛應(yīng)用于機(jī)房監(jiān)控，智能樓宇，倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控等控制場(chǎng)合，價(jià)格實(shí)惠，是一款性價(jià)比極高的濕度傳感器。電容式溫度傳感器HS1101，采用創(chuàng)新技術(shù)、穩(wěn)定性好、精度高、外帶防護(hù)罩，抗靜電、防灰塵、并可抵抗氯氣、氨水等，基于獨(dú)特的電容元件，專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)。故選用HS1101。4、氣體傳感器的選用氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭通過(guò)氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等利用的信息的裝置！氣體傳感器一般被歸為化學(xué)傳感器的一類，盡管這種歸類不一定科學(xué)。目前流行于市場(chǎng)氣體傳感器大約有如下一些種類：(1)催化燃燒式氣體傳感器

這種傳感器是白金電阻表面制備耐高溫催化劑層，一定溫度下，可燃性氣體其表面催化燃燒，燃燒是白金電阻溫度升高，電阻變化，變化值是可燃性氣體濃度函數(shù)。催化燃燒式氣體傳感器選擇性檢測(cè)可燃性氣體：凡是可以燃燒，都能夠檢測(cè)；凡是不能燃燒，傳感器都沒(méi)有任何響應(yīng)。催化燃燒式氣體傳感器計(jì)量準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，壽命較長(zhǎng)。傳感器輸出與環(huán)境爆炸危險(xiǎn)直接相關(guān)，安全檢測(cè)領(lǐng)域是一類主導(dǎo)位傳感器。但是可燃性氣體范圍內(nèi)，無(wú)選擇性。暗火工作，有引燃爆炸危險(xiǎn)。大部分元素有機(jī)蒸汽對(duì)傳感器都有中毒作用。

(2)半導(dǎo)體式氣體傳感器

它是利用一些金屬氧化物半導(dǎo)體材料，一定溫度下，電導(dǎo)率環(huán)境氣體成份變化而變化原理制造。比如，酒精傳感器，就是利用二氧化錫高溫下遇到酒精氣體時(shí)，電阻會(huì)急劇減小原理制備。半導(dǎo)體式氣體傳感器可以有效用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多氣體檢測(cè)。尤其是，這種傳感器成本低廉，適宜于民用氣體檢測(cè)需求。下列幾種半導(dǎo)體式氣體傳感器是成功：甲烷（天然氣、沼氣）、酒精、一氧化碳（城市煤氣）、硫化氫、氨氣（包括胺類，肼類）。高質(zhì)量傳感器可以滿足工業(yè)檢測(cè)需要。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性較差，受環(huán)境影響較大；尤其，每一種傳感器選擇性都唯一，輸出參數(shù)能確定，不宜應(yīng)用于計(jì)量準(zhǔn)確要求場(chǎng)所。

(3)電化學(xué)式氣體傳感器

相當(dāng)一部分可燃性、有毒有害氣體都有電化學(xué)活性，可以被電化學(xué)氧化還原。利用這些反應(yīng)，可以分辨氣體成份、檢測(cè)氣體濃度。電化學(xué)氣體傳感器分很多子類：

1、原電池型氣體傳感器（也稱：加伏尼電池型氣體傳感器，也有稱燃料電池型氣體傳感器，也有稱自發(fā)電池型氣體傳感器），他們?cè)硇型覀冇酶呻姵兀?，電池碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例，氧陰極被還原，電子電流表流到陽(yáng)極，那里鉛金屬被氧化。電流大小與氧氣濃度直接相關(guān)。這種傳感器可以有效檢測(cè)氧氣、二氧化硫、氯氣等。

2、恒定電位電解池型氣體傳感器，這種傳感器用于檢測(cè)還原性氣體非常有效，它原理與原電池型傳感器不一樣，它電化學(xué)反應(yīng)是電流強(qiáng)制下發(fā)生，是一種真正庫(kù)侖分析傳感器。這種傳感器已經(jīng)成功用于：一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼、等氣體檢測(cè)之中，是目前有毒有害氣體檢測(cè)主流傳感器。

3、濃差電池型氣體傳感器，具有電化學(xué)活性氣體電化學(xué)電池兩側(cè)，會(huì)自發(fā)形成濃差電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)大小與氣體濃度有關(guān)，這種傳感器成功實(shí)例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質(zhì)型二氧化碳傳感器。

4、極限電流型氣體傳感器，有一種測(cè)量氧氣濃度傳感器利用電化池中極限電流與載流子濃度相關(guān)原理制備氧（氣）濃度傳感器，用于汽車氧氣檢測(cè)，和鋼水中氧濃度檢測(cè)。

(4)熱導(dǎo)池式氣體傳感器

每一種氣體，都有自己特定熱導(dǎo)率，當(dāng)兩個(gè)和多個(gè)氣體熱導(dǎo)率差別較大時(shí)，可以利用熱導(dǎo)元件，分辨其中一個(gè)組分含量。這種傳感器已經(jīng)傳感器用于氫氣檢測(cè)、二氧化碳檢測(cè)、高濃度甲烷檢測(cè)。這種氣體傳感器可應(yīng)用范圍較窄，限制因素較多。

(5)磁性氧氣傳感器

這是磁性氧氣分析儀核心，目前也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“傳感器化”進(jìn)程。它是利用空氣中氧氣可以被強(qiáng)磁場(chǎng)吸引原理制備。這種傳感器只能用于氧氣檢測(cè)，選擇性極好。大氣環(huán)境中氮氧化物能夠產(chǎn)生微小影響，這些干擾氣體含量往往很少，，磁氧分析技術(shù)選擇性幾乎是唯一！

(6)紅外線氣體傳感器

大部分氣體中紅外區(qū)都有特征吸收峰，檢測(cè)特征吸收峰位置吸收情況，就可以確定某氣體濃度。這種傳感器過(guò)去都是大型分析儀器，近些年，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)傳感器工業(yè)發(fā)展，這種傳感器體積已經(jīng)由10升，45公斤巨無(wú)霸，減小到2毫升（拇指大?。┳笥摇Ｊ褂脽o(wú)需調(diào)制光源紅外探測(cè)器使儀器完全沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，完全實(shí)現(xiàn)免維護(hù)化。紅外線氣體傳感器可以有效分辨氣體種類，準(zhǔn)確測(cè)定氣體濃度。這種傳感器成功用于：二氧化碳、甲烷檢測(cè)。綜上所述，由于本課題需要檢測(cè)氣體種類較多，既適合民用又要應(yīng)用在工業(yè)中；因此選用半導(dǎo)體式氣體傳感器，而且半導(dǎo)體式氣體傳感器成本低廉。半導(dǎo)體傳感器包括電阻式氣體傳感器和非電阻式氣體傳感器，電阻式氣體傳感器是是利用其阻值變化來(lái)檢測(cè)氣體濃度；非電阻式氣體傳感器是利用一些物理效應(yīng)也器件特性來(lái)檢測(cè)氣體。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器敏感材料主要分為金屬氧化物、復(fù)合材料和高分子材料三種，種類不同，其檢測(cè)的氣體不同。一般常用的半導(dǎo)體式氣體傳感器有MQ-2、MQ-4、MQ-5、MQ-6、MQ-8等，它們一般檢測(cè)目的及檢測(cè)范圍為：MQ-2：可燃?xì)怏w、煙霧；300to10000ppmMQ-4：天然氣、甲烷；300to10000ppmMQ-5：液化氣、甲烷、煤制氣；300to5000ppmMQ-6：液化氣、異丁烷、丙烷；100to10000ppmMQ-8：氫氣、煤制氣；50to10000ppm本課題主要檢測(cè)煙霧、可燃?xì)怏w、有毒氣體，所以選用MQ-2檢測(cè)煙霧，MQ-5檢測(cè)可燃?xì)怏w和有毒氣體。5、AD轉(zhuǎn)換器的選用實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)際中我們要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理。運(yùn)用單片機(jī)采集系統(tǒng)能很好的解決這些問(wèn)題?；镜牟杉到y(tǒng)一般由MCU,A/D,PC構(gòu)成,MCU是整個(gè)系統(tǒng)的核心,A/D是數(shù)據(jù)的源頭,PC是數(shù)據(jù)的歸宿地。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇直接關(guān)系到采集精度是否理想。現(xiàn)在TLC2543這款A(yù)/D轉(zhuǎn)換器運(yùn)用很廣泛。TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu),能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源;且價(jià)格適中,分辨率較高。因此選用TLC2543.6、顯示模塊的選用顯示有串行和并行兩種方式。并行顯示方式占用硬件資源多，八個(gè)筆劃段和幾個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)控制端都要接到單片機(jī)的I/O引腳，但顯示刷新速度快；串行顯示方式占用硬件資源少，僅數(shù)據(jù)鎖存控制端、時(shí)鐘端、數(shù)據(jù)端三個(gè)端口要接到單片機(jī)的I/O引腳上，顯示刷新速度較并行顯示方式慢。顯示單元是人機(jī)交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性設(shè)備，通常的顯示器件有液晶顯示器（LCD）和數(shù)碼管顯示器（LED）。液晶顯示器在使用中有許多注意事項(xiàng)：不能對(duì)它長(zhǎng)期施加直流電，否則易造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過(guò)大的壓力；對(duì)于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低；防止紫外線的直接照射；要特別注意防靜電，焊接顯示器時(shí)烙鐵要接地?？梢?jiàn)液晶顯示器在使用中有眾多的限制條件，但它同時(shí)也有一定的優(yōu)勢(shì)，其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是PA級(jí)的。數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對(duì)電源沒(méi)有特殊要求，受環(huán)境溫度的影響不大，不怕陽(yáng)光的照射，也沒(méi)有嚴(yán)格的防靜電要求，而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多，適于安裝在室內(nèi)、室外、黑暗和光線強(qiáng)的各種環(huán)境中，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。本設(shè)計(jì)選用液晶顯示器。2.3系統(tǒng)組成框圖以單片機(jī)為控制核心，采用溫度、濕度、煙霧、可燃?xì)怏w和有毒氣體測(cè)量，通信技術(shù)，誤差修正等關(guān)鍵技術(shù)，以溫濕度傳感器和氣體傳感器作為測(cè)量元件，構(gòu)成智能環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)，可分為溫度測(cè)量電路，濕度測(cè)量電路，煙霧測(cè)量電路，可燃?xì)怏w和有毒氣體測(cè)量電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示電路，聲光報(bào)警電路，見(jiàn)圖2-1。選用的主要器件有：溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器HS1101，氣體傳感器MQ-2和MQ-5，NE555，AD轉(zhuǎn)換器TLC2543，單片機(jī)AT89S52等。單片機(jī)單片機(jī)89S52AD轉(zhuǎn)換器TLC2543AD轉(zhuǎn)換器TLC2543MQ-2氣體傳感器MQ-5氣體傳感器液晶顯示MQ-5氣體傳感器液晶顯示報(bào)警電路報(bào)警電路DS18B20溫度傳感器DS18B20溫度傳感器HS1101濕度傳感器NE555HS1101濕度傳感器NE555圖2-1系統(tǒng)框圖3系統(tǒng)的工作原理3.1傳感器的基本特性在監(jiān)控系統(tǒng)中有各種不同的物理量需要監(jiān)測(cè)和控制，這就要求傳感器能感受被測(cè)非電量并將其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有一定函數(shù)關(guān)系的電量。傳感器所測(cè)量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，取決于傳感器的輸入——輸出特性。傳感器這一基本特性可用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)描述。3.1.1傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有:線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。3.1.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器測(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于被測(cè)量不隨時(shí)間變化，測(cè)量和記錄過(guò)程不受時(shí)間限制。而實(shí)際中大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測(cè)量的大小，還要顯示被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律，即被測(cè)量的波形。傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過(guò)時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如:最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。3.2溫度傳感器美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，可以直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9位的溫度讀數(shù)。并且多個(gè)DS18B20可以并接到多個(gè)地址線上與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。由于每一個(gè)DS18B20出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號(hào)并存入其ROM中，因此CPU可用簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就可以識(shí)別，從而節(jié)省大量的引線和邏輯電路。與其它溫度傳感器相比，DS18B20具有以下特性:（1）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。（2）DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。（3）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件。（4）溫范圍-55℃~+125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃。（5）測(cè)量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。DS1820采用3腳TO-92封裝或8腳50封裝，管腳排列如圖3-1所示：圖3-1DS18B20的引腳對(duì)圖3-1中DS18B20的引腳功能說(shuō)明如下：NC：空引腳，不連接外部信號(hào)。VDD：接電源引腳，電源供電3.0~5.0V。GND：接地。DQ：數(shù)據(jù)的輸入和輸出引腳。DQ：引腳的I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線)，該引腳為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平。DS18B20的內(nèi)部框圖如圖3.2所示，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼發(fā)生器等7部分。圖3-2DS18B20的內(nèi)部框圖測(cè)溫原理見(jiàn)圖3-3。低溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計(jì)數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率對(duì)溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器2提供一個(gè)頻率隨溫度變化的計(jì)數(shù)脈沖。初始時(shí)，溫度寄存器被預(yù)置成-55℃，每當(dāng)計(jì)數(shù)器1從預(yù)置數(shù)開始減計(jì)數(shù)到0時(shí)，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1℃，這個(gè)過(guò)重復(fù)進(jìn)行直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)便停止。初始時(shí)，計(jì)數(shù)器1預(yù)置的是與-55℃像對(duì)應(yīng)的一個(gè)預(yù)置值。以后計(jì)數(shù)器l每一個(gè)循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計(jì)數(shù)器1的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度外使溫度寄存器存值增加1℃計(jì)數(shù)器所需的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。圖中比較器的作用是以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計(jì)數(shù)器2停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器1中的計(jì)數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與025℃進(jìn)行比較，若低于0.25℃，溫度寄存器的最低位就置0，若高于0.25℃，就置1，若高于0.75℃，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位后置0。這樣，經(jīng)過(guò)比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最末位代表0.5℃，四舍五入最大量化誤差為士l/ZLSB，即0.25℃。 圖3-3DS18B20測(cè)溫原理圖溫度寄存器中的溫度值以9位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號(hào)位其余8位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測(cè)溫結(jié)束時(shí)，這9位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存寄存器的前兩個(gè)字節(jié)中，符號(hào)位占用第1字節(jié)，8位溫度數(shù)據(jù)占用第2字節(jié)。DS18B20測(cè)量溫度時(shí)使用特有的溫度測(cè)量技術(shù)。DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào):同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測(cè)量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9位(包含一位符號(hào))，但因符號(hào)位擴(kuò)展成高8位，故以16位補(bǔ)碼形式讀出，溫度和數(shù)字量的關(guān)系如表3-1所示。表3-1溫度和數(shù)字量的關(guān)系變量輸出的二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制碼+12500000001111101000FAH+250000000001100100032H+1/20000000000000010001H00000000000000000000H-1/2111111111111111FFFFH-25111111111001110FFCEH-55111111110010010FF92H單線總線，即1-wire技術(shù)是DS18B20的一個(gè)特點(diǎn)。該技術(shù)采用單根信號(hào)線，既可傳輸時(shí)鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術(shù)具有線路簡(jiǎn)單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。單總線適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過(guò)一條信號(hào)線。當(dāng)只有一個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)可按單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作;當(dāng)有多個(gè)從設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)則按多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。DS18B20有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時(shí)VDD接地，它是通過(guò)內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來(lái)完成溫度轉(zhuǎn)換，完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)。為了保證在有效的時(shí)鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，這種情況下，用一個(gè)MOSFET管和單片機(jī)的一個(gè)I/O口來(lái)完成對(duì)DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，完成溫度測(cè)量的時(shí)間較短。當(dāng)使用數(shù)據(jù)總線寄生供電時(shí)，供電端必須接地，同時(shí)總線口在空閑的時(shí)候必須保持高電平，以便對(duì)傳感器充電。但當(dāng)所測(cè)溫度超過(guò)100℃時(shí)，DS18B20的漏電流增大，傳感器從I/O線上獲取的電流不足以維持DS18B20通訊所需的電流，此時(shí)只能選用外部供電方式。比較而言，寄生電源方式少用一根導(dǎo)線，但它完成溫度測(cè)量所需的時(shí)間較長(zhǎng)，而外部電源方式測(cè)量速度則要快些。3.3濕度傳感器測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。下面介紹HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。3.3.1特點(diǎn)不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。圖3-4a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍圖3-4b、濕度-電容響應(yīng)曲線。相對(duì)濕度在1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由160pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5S；溫度系數(shù)為0.04pF/℃?？梢?jiàn)精度是較高的。3.3.2濕度的計(jì)算方法本設(shè)計(jì)將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，從而得出濕度。頻率輸出的555測(cè)量振蕩電路如圖3-5所示。集成定時(shí)器555芯片外接電阻R4、R6與濕敏電容C，構(gòu)成了對(duì)C的充電回路。7端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。電源電壓工作范圍是+3.5V-+12V，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用+5V。R4是作為內(nèi)部溫度補(bǔ)償，引入溫度效應(yīng)，使它與HS1101的溫度效應(yīng)相匹配。R4必須是1%精度,最大溫度效應(yīng)小于100ppm的電阻。由于不同型號(hào)的555的溫度效應(yīng)不同，所以R4必須與相應(yīng)型號(hào)的555芯片相匹配。為了保證在55%RH的典型濕度值為6660Hz(25℃)，R6也必須做修正。對(duì)于NE555，R4取909k,R6取576k。為了使輸出方波占空比接近50%，應(yīng)使R6>>R5，本系統(tǒng)R5取49.9k。圖3-5頻率輸出的555振蕩電路該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源Vs通過(guò)R4、R6向C充電，經(jīng)t充電時(shí)間后，Uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67Vs，此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)R6放電，經(jīng)t放電時(shí)間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33Vs此時(shí)輸出，此時(shí)輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此翻來(lái)覆去，形成方波輸出。其中，充放電時(shí)間為t充電=C（R4+R6）Ln2t放電=CR6Ln2因而，輸出的方波頻率為f=1/(t放電+t充電)=1/[C（R4+R6）Ln2]可見(jiàn)，空氣濕度通過(guò)555測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，表3-2給出了其中的一組典型測(cè)試值。表3-2空氣濕度與電壓頻率的典型值%RH0102030405060708090100Hz73517224710069766853672866006468633061866033該振蕩電路輸出的方波的頻率fout：fout=1/[C（R4+R6）Ln2]根據(jù)HS1101使用手冊(cè)，該振蕩電路輸出的方波頻率范圍是6033～7351Hz,所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度為100～0%R。表3-2給出了一組相對(duì)濕度與電壓頻率的對(duì)應(yīng)值。輸出電壓頻率與濕度關(guān)系為：其中，fout(55)是指在55%RH的典型濕度值時(shí)的電壓輸出頻率值，在25℃下,該值為6660Hz。本系統(tǒng)要求濕度精度為3%RH，可以用下式計(jì)算fout與RH的關(guān)系：輸出方波的占空比D為：由上式可計(jì)算出振蕩電路輸出的方波的占空比為52%。3.4氣體傳感器MQ-23.4.1特點(diǎn)可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，適宜于液化氣丙烷、丁烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測(cè)，長(zhǎng)壽命、低成本，簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路即可。MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。圖3-8是傳感器的基本測(cè)試電路。該傳感器需要施加2個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和測(cè)試電壓（VC）。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。VcVHVcVHGNDRLVRL圖3-6傳感器的基本測(cè)試電路圖3-6傳感器的基本測(cè)試電路3.4.2結(jié)構(gòu)、外形MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖3-9所示(結(jié)構(gòu)A或B),由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層,測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。圖3-7MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形表3-3MQ-2各部分名稱及材料部件材料1氣體敏感層二氧化錫2電極金（Au）3測(cè)量電機(jī)引線鉑（Pt）4加熱器鎳鉻合金（Ni-Cr）5陶瓷管三氧化二鋁6防爆網(wǎng)100目雙層不銹鋼（SUB316）7卡環(huán)鍍鎳銅材（Ni-Cu）8基座膠木或尼龍9針狀管腳鍍鎳銅材（Ni-Cu）3.5氣體傳感器MQ-5MQ-5適用于家庭或工業(yè)上對(duì)液化氣，甲烷（天然氣），煤氣的監(jiān)測(cè)裝置。它具有優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力，具有對(duì)液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度；對(duì)乙醇，煙霧幾乎不響應(yīng)；快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；簡(jiǎn)單的測(cè)試電路等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)和外形如圖3-6所示。圖3-8MQ-5的結(jié)構(gòu)和外形MQ-5氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖3所示(結(jié)構(gòu)A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層,測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2

個(gè)用于提高加熱電流。設(shè)計(jì)中MQ-5的接線如圖4所示，在實(shí)際的測(cè)量中，可以按照其等效電路來(lái)計(jì)算相應(yīng)的校正數(shù)值，其中Ro表示的是測(cè)量氣體在腔體內(nèi)的等效電阻，RL是外接負(fù)載電阻，用來(lái)調(diào)整輸出的模擬量電壓范圍，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍來(lái)確定，在TLC2543的輸入范圍是0～5V，這樣RL可調(diào)整至該范圍，保證測(cè)量的量程足夠用。圖3-9MQ-5的等效電路

對(duì)于傳感器的調(diào)整參數(shù)計(jì)算，可按照表3-4步驟并結(jié)合該傳感器的特性表進(jìn)行調(diào)整。表3-4甲烷測(cè)試計(jì)算濃度（ppm）計(jì)算值100500800100020003000500010000Rs/RoRs/Ro50.280.2Rs(KΩ)12.9910.107.947.215.775.054.042.89SUM(RL+Rs)\#"#,##0"Vo=3.033.323.573.673.883.994.154.36顯示讀數(shù)=698396101112117126136其中：RL＝20KΩ；Ro=14.43KΩ；C=86；RL—負(fù)載電阻；Ro—敏感體電阻；C—常數(shù)，調(diào)整顯示范圍。

在靈敏度調(diào)整過(guò)程中，由于MQ-5型氣敏元件對(duì)不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的，建議用1000ppm異丁烷或氫氣校準(zhǔn)傳感器。3.6單片機(jī)AT89S52單片機(jī)有4個(gè)I/O端口，每個(gè)端口都是8位雙向口，共占32根引腳。每個(gè)端口都包括一個(gè)鎖存器(即專用寄存器P0-P3)、一個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。通常把4個(gè)端口稱為P0~P3。在無(wú)片外擴(kuò)展的存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這4個(gè)端口的每一位都可以作為雙向通用I/O端口使用。在具有片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，P2口作為高8位地址線，P0口作為低8位地址線和雙向數(shù)據(jù)總線。在作為一般的通用I/O輸入時(shí)，都必須先向鎖存器寫入“1”，使輸出驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管FET截止，以免誤讀數(shù)據(jù)。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，使用ATMEL公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許ROM在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使其為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活的解決方案。（1）與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；（2）8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器；（3）1000次擦寫周期；（4）全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz；（5）三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；（6）32個(gè)可編程I/O口線；（7）三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（8）八個(gè)中斷源；（9）全雙工UART串行通道；（10）低功耗空閑和掉電模式；（11）掉電后中斷可喚醒；（12）看門狗定時(shí)器；（13）雙數(shù)據(jù)指針；（14）掉電標(biāo)識(shí)符圖3-10AT89S52芯片的引腳圖P0口：8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。P1口：具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（In）。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如表3-1所示。在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。表3-5P1口引腳的第二功能引腳號(hào)第二功能P1.0T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出P1.1T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7SCK（在系統(tǒng)編程用）P2口：具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)四個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（In）。在方位外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高八位地址。在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)四個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（In）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-4所示。表3-6P3口引腳的第二功能 引腳號(hào)第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）RST：復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。ALE/：控制信號(hào)（ALE）是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時(shí)，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來(lái)作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE脈沖將會(huì)跳過(guò)。如果需要，通過(guò)將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無(wú)效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時(shí)有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個(gè)ALE使能標(biāo)志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無(wú)效。：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)AT89S52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不被激活。/VPP：訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，必須接地。為執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應(yīng)該接VCC。在Flash編程期間，也接收12伏VPP電壓。XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)是單片機(jī)內(nèi)部各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，控制器按照指令的功能產(chǎn)生一系列在時(shí)間上有一定次序的信號(hào)，控制相關(guān)的邏輯電路工作，實(shí)現(xiàn)指令的功能。復(fù)位對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，是程序還沒(méi)有開始執(zhí)行，是在做準(zhǔn)備工作。3.7AD轉(zhuǎn)換器TLC2543TI公司的TLC2543是12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源，且價(jià)格適中。其特點(diǎn)有：（1）12位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器；

（2）在工作溫度范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時(shí)間；

（3）11個(gè)模擬輸入通道；

（4）3路內(nèi)置自測(cè)試方式；

（5）采樣率為66kbps；

（6）線性誤差+1LSB（max）

（7）有轉(zhuǎn)換結(jié)束（EOC）輸出；

（8）具有單、雙極性輸出；

（9）可編程的MSB或LSB前導(dǎo)；

（10）可編程的輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。圖3-11TLC2543的管腳圖TLC2543的引腳排列如圖3-9所示。圖3-9中AIN0～AIN10為模擬輸入端；/CS為片選端；DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端；DOUT為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端；EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束端；CLK為I/O時(shí)鐘；REF+為正基準(zhǔn)電壓端；REF-為負(fù)基準(zhǔn)電壓端；VCC為電源；GND為地。TLC2543控制字為從DATAINPUT端串行輸入的8位數(shù)據(jù)，它規(guī)定了TLC2543要轉(zhuǎn)換的模擬量通道、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、輸出數(shù)據(jù)的格式。其中高4位(D7～D4)決定通道號(hào)，對(duì)于0通道至10通道，該4位分別為0000～1010H，當(dāng)為1011～1101時(shí)，用于對(duì)TLC2543的自檢，分別測(cè)試(VREF＋＋VREF－)/2、VREF－、VREF＋的值，當(dāng)為1110時(shí)，TLC2543進(jìn)入休眠狀態(tài)。低4位決定輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及格式，其中D3、D2決定輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，01表示輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，11表示輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16位，其他為12位。D1決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出，還是低位先送出，為0表示高位先送出。D0決定輸出數(shù)據(jù)是單極性(二進(jìn)制)還是雙極性(2的補(bǔ)碼)，若為單極性，該位為0，反之為1。上電后，片選CS必須從高到低，才能開始一次工作周期，此時(shí)EOC為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為0，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機(jī)的。

開始時(shí)，CS片選為高，I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止，DATAOUT呈高阻狀，EOC為高。使CS變低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脫離高阻狀態(tài)。12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)從I/OCLOCK端依次加入，隨著時(shí)鐘信號(hào)的加入，控制字從DATAINPUT一位一位地在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)被送入TLC2543(高位先送入)，同時(shí)上一周期轉(zhuǎn)換的A/D數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DATAOUT一位一位地移出。TLC2543收到第4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后，通道號(hào)也已收到，此時(shí)TLC2543開始對(duì)選定通道的模擬量進(jìn)行采樣，并保持到第12個(gè)時(shí)鐘的下降沿。在第12個(gè)時(shí)鐘下降沿，EOC變低，開始對(duì)本次采樣的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約需10μs，轉(zhuǎn)換完成后EOC變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個(gè)工作周期輸出。此后，可以進(jìn)行新的工作周期。

4系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和連接4.1溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)DS18B20有三腳TO-92直插式（用的最多、最普遍的封裝）和八腳SOIC貼片式兩種封裝。在本設(shè)計(jì)中，我們選用三腳TO-92直插式封裝的DS18B20芯片。它有三個(gè)管腳，分別為電源正極VCC、信號(hào)輸入輸出引腳DQ和電源負(fù)極GND。DS18B20是以單總線的方式與單片機(jī)相連接的。單總線技術(shù)是采用單條信號(hào)線，既傳輸時(shí)鐘，又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因此這種單總線技術(shù)具有線路簡(jiǎn)單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線維護(hù)和擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。單總線技術(shù)適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。單總線通常要求外接一個(gè)約為5KΩ的上拉電阻。本系統(tǒng)中采用10KΩ的上拉電阻。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中DS18B20與單片機(jī)的連接如圖4-1所示,DS18B20檢測(cè)到溫度信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)化后，由DQ輸出數(shù)字信號(hào)，直接送入單片機(jī)。圖4-1溫度檢測(cè)電路4.2濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)方與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。如圖4-2為濕度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，用電容模擬濕度傳感器，當(dāng)其采集到信號(hào)后經(jīng)過(guò)555震蕩電路，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號(hào)經(jīng)3口輸出，送入單片機(jī)的T0口。圖4-2濕度檢測(cè)電路4.31602液晶與單片機(jī)的連接在設(shè)計(jì)1602與單片機(jī)的接口時(shí)，我們將D0-D7八個(gè)數(shù)據(jù)口與P0口相連，但必須注意單片機(jī)AT89S52的P0口不帶上拉電阻，所以必須附加10K的上拉電阻。由于我們只對(duì)液晶進(jìn)行寫液晶指令和數(shù)據(jù)，而不進(jìn)行對(duì)液晶的讀操作，所以R/W（5腳）應(yīng)接低電平，即接地。其余引腳與單片機(jī)的接法如圖4-3所示。RS端和E端分別與單片機(jī)的P2.0和P2.1腳相連接。圖4-3液晶顯示電路4.4聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)聲光報(bào)警電路由LED燈，峰鳴器和三極管等組成，當(dāng)環(huán)境中的溫度超過(guò)設(shè)定限值時(shí)和環(huán)境中有煙霧、有毒氣體或可燃?xì)怏w出現(xiàn)時(shí)，單片機(jī)AT89S52的P3.7口就送出高電平同時(shí)P3.6口送出低電平，使LED燈發(fā)光，并在三極管的作用下驅(qū)動(dòng)峰鳴器工作，發(fā)出報(bào)警聲。聲光報(bào)警電路如圖4-4所示。圖4-4聲光報(bào)警電路4.5時(shí)鐘電路單片機(jī)AT89S52的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，一種是外部方式。而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘電路模塊將采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。AT89S52片內(nèi)有一個(gè)高增益反相放大器用于構(gòu)成振蕩器。反正放大器的輸出端為XTAL2，輸入端為XTAL1。在XTAL2和XTAL1的兩端跨接石英晶體及兩個(gè)陶瓷電容就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，這種方式就是內(nèi)部方式，如圖4-5所示。AT89S52也可以由XTAL2端引腳直接輸入外部振蕩脈沖信號(hào)，送至內(nèi)部的時(shí)鐘電路。因?yàn)閄TAL2的邏輯電平與TTL電平不兼容，所以應(yīng)接入一個(gè)4.7～10KΩ的上拉電阻，這就是外部時(shí)鐘方式。如圖4-6所示。外部振蕩信號(hào)號(hào)外部振蕩信號(hào)號(hào)VccVssXTAL1XTAL2。。AT89S52C1C2AT89S52XTAL2XTAL1Vss圖4-5內(nèi)部時(shí)鐘方式圖4-6外部時(shí)鐘方式對(duì)于CHMOS型單片機(jī)，如AT89C51，外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)須從XTAL1端引腳輸入，XTAL2端引腳懸空。對(duì)HMOS型的單片機(jī)，外部時(shí)鐘脈沖必須從XTAL2端引腳輸入，XTAL1端引腳接地。本系統(tǒng)所采用的外部時(shí)鐘方式，振蕩晶體可在1.2MHz～12MHz間任選，常用的時(shí)鐘頻率為12MHz和11.0592MHz，在11.0592MHz的時(shí)鐘頻率下錯(cuò)碼率低。在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路模塊中，將采用12MHz的時(shí)鐘頻率。電容C1和C2通常在20pF～100pF之間進(jìn)行選擇，典型值為30pF左右。在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將采用33pF的陶瓷電容。本系統(tǒng)中時(shí)鐘電路模塊如圖4-7所示。圖4-7時(shí)鐘模塊電路圖4.6復(fù)位模塊使計(jì)算機(jī)回到初始化狀態(tài)的操作就是復(fù)位。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得電后，從何處開始執(zhí)行第一條指令，由系統(tǒng)復(fù)位后的狀態(tài)決定。復(fù)位也是解決計(jì)算機(jī)“死機(jī)”的主要方法。復(fù)位操作包括了上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種復(fù)位方式。上電自動(dòng)復(fù)位方式是通過(guò)對(duì)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位的，其電路如圖4-8（a）所示。只要電源Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位功能，即接通電源就完成了單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位初始化。（a）上電復(fù)位電路（b）按鍵電平復(fù)位電路（c）按鍵脈沖復(fù)位電路圖4-8外部復(fù)位電路按鍵手動(dòng)復(fù)位方式包括電平復(fù)位方式和脈沖復(fù)位方式兩種。其中按鍵電平復(fù)位方式是通過(guò)按下按鍵使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通實(shí)現(xiàn)復(fù)位的，其電路如圖4-8（b）所示；而按鍵脈沖復(fù)位方式則是通過(guò)RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)完成復(fù)位的，其電路如圖4-8（c）所示。上述電路圖中的電阻、電容參數(shù)適宜于6MHz的晶振。在此參數(shù)下，能保證復(fù)位高電平信號(hào)持續(xù)大于兩個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單，但復(fù)位電路的作用十分重要，一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能否正常工作，首先要確定是否能夠復(fù)位成功。初步確定可用示波器探頭連接RST引腳，按下復(fù)位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出（瞬時(shí)的），也可以通過(guò)改變復(fù)位電路阻容值來(lái)改變輸出波形幅度。本系統(tǒng)采用的是按鍵電平復(fù)位方式，復(fù)位連接電路如圖4.9所示。圖4-9復(fù)位連接電路4.7煙霧、可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì)氧氣濃度檢測(cè)電路由煙霧傳感器MQ-2、氣體傳感器MQ-5、A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543組成。在本系統(tǒng)對(duì)煙霧、可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測(cè)電路的仿真中，將采用兩個(gè)電位器直接模擬MQ-2與MQ-5。煙霧、可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測(cè)仿真電路如圖4.10所示。圖4.10煙霧、可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測(cè)電路5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試在單片機(jī)系統(tǒng)中，硬件與軟件緊密結(jié)合，由于硬件電路的設(shè)計(jì)部具有通用性，所以必須根據(jù)具體的硬件電路來(lái)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的軟件，硬件設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到軟件設(shè)計(jì)的難易，軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)劣有直接影響到硬件的發(fā)揮。在很多時(shí)候，軟件可以替代硬件的功能，當(dāng)然，需要付出額外占用CPU時(shí)間的代價(jià)。軟件程序的設(shè)計(jì)是根據(jù)硬件電路圖的連接和各個(gè)元器件的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。在編寫軟件時(shí)，可以按各個(gè)程序的功能將軟件細(xì)分為各個(gè)功能模塊，再通過(guò)主程序的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件系統(tǒng)。５.１系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)是在程序控制下工作的，該系統(tǒng)的軟件全部采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。因?yàn)橛肅語(yǔ)言編寫程序比用匯編語(yǔ)言編寫程序更符合人們的思考習(xí)慣，編程者能更專心的考慮程序設(shè)計(jì)，而不是考慮些細(xì)節(jié)問(wèn)題，可以有效的減少開發(fā)和調(diào)試的時(shí)間。且C語(yǔ)言可讀性強(qiáng)，有利于程序的調(diào)試。本設(shè)計(jì)采用了KEIL公司研發(fā)的keilμVision4和proteus兩種軟件，兩者能完美的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的仿真效果，為以后的實(shí)物制作提供了依據(jù)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想是從環(huán)境安全檢測(cè)系統(tǒng)功能要求出發(fā)，其設(shè)計(jì)方法與硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，同樣采取模塊化的設(shè)計(jì)思想，將該部分設(shè)計(jì)劃分為相應(yīng)的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編制和調(diào)試，最后通過(guò)主程序和中斷處理程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來(lái)。這樣有利于程序修改和調(diào)試，增強(qiáng)了程序的可移植性。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)部分：主程序、溫度采集與處理、濕度采集與處理、TLC2543信號(hào)采集與處理、超限聲光報(bào)警、LCD顯示等程序５.２軟件設(shè)計(jì)流程圖主程序流程圖如圖5.1所示。開始開始初始化讀取溫度讀取濕度顯示濕度顯示溫度讀取煙霧、有毒氣體、可燃?xì)怏w數(shù)據(jù)聲光報(bào)警溫度是否超過(guò)設(shè)定值結(jié)束YN是否檢測(cè)到煙霧是否檢測(cè)到可燃?xì)怏w是否檢測(cè)到有毒氣體NNNYYY聲光報(bào)警聲光報(bào)警聲光報(bào)警圖5.1主程序流程圖顯示子程序流程圖如圖5.2所示；溫度采集與處理子程序流程圖如圖5.3所示；濕度采集與處理子程序流程圖如圖5.4所示；TLC2543的程序流程圖如圖5.5所示。開始開始結(jié)束開始結(jié)束寫指令