基于单片机控制的环境信息监测系统设计实现【毕业设计】.doc

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1、i本科毕业论文（20 届）基于单片机控制的环境信息监测系统设计实现所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期ii基于单片机控制的环境信息监测系统设计实现目录第 1 章 环境监测系统 .3第 1.1节 课题背景 .3第 1.2节 系统框图 .3第 1.3节 单片机方案比较 .3第 2 章 系统设计 .5第 2.1节 传感器介绍 .5第 2.2节 控制系统简介 .8第 2.3节 LCD1602 字符液晶介绍 .9第 2.4节 ADC0832 介绍 .11第 2.5节 三端稳压集成电路 L7805.12第 3 章 系统的硬件设计和连接 .14第 3.1节 电源模块 .14第 3.2节 单

2、片机最小系统 .14第 3.3节 数据采集模块 .15第 3.4节 LCD 显示模块 .15第 4 章 系统软件设计 .16第 4.1节 软件开发环境 .16第 4.2节 主程序流程图 .16第 4.3节 子程序流程图 .17第 5 章 系统安装与调试 .20第 5.1节 安装 .20第 5.2节 调试 .20参考文献 .23致谢 .24附录一：总体设计原理图 .25附录二：PCB 图 .26附录三：元器件清单 .26附录四：程序 .27第 1 页基于单片机控制的环境信息监测系统设计实现【摘要】：本课题的研究目的是为人们提供一种能够实时了解所处环境质量信息的仪器，包括温度、湿度、光照度、一氧化

3、碳含量、紫外线强弱，使人们能够及时获知信息并做出相应的调整。本文采用 STC89C52 单片机作为控制核心，实现对温、湿度的检测、光照度检测、一氧化碳含量检测、紫外线强弱检测，并通过 1602 液晶显示电路显示数据。由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，这就降低了硬件电路的复杂性，其成本也有所降低，而且还能够完成复杂硬件电路难以实现的任务。配置新式的微型低功耗传感器，如温湿度传感器为 DHT11，光照度传感器光敏电阻，一氧化碳传感器 MQ-9，还有紫外线传感器，实现了环境参数的采集、存储、显示等功能。【关键词】：单片机；传感器；环境信息；Abstract : This topic resea

4、rch aim is to provide people with a to real-time understand their environment quality information of instruments, including temperature, humidity, light, carbon monoxide content, ultraviolet strength, so that people can timely access to information and to adjust accordingly. In this article, the sin

5、gle chip microcomputer to control STC89C52 as core, realize the humidity and temperature detection, light detection, carbon monoxide content detection, ultraviolet strength testing and 1602 LCD display circuit hardware circuit design, because its main through the realization of the function of softw

6、are programming to complete, this reduces the complexity of the hardware circuit, and the cost is reduced, but also can complete complex hardware circuit to realize the task. The allocation of new miniature low power sensor, the temperature and humidity sensor for DHT11, light with photoconductive r

7、esistance, carbon monoxide sensor for MQ-9, and ultraviolet luminescence sensors, realize the environment temperature and humidity, light intensity, carbon monoxide content, ultraviolet strength four parameters of the acquisition, storage, display, and other functions.Key words : SCM; senso; environ

8、mental information第 2 页前言伴随世界经济与工业的快速发展，世界环境问题日益突出，环保、节能减排已经逐年成为世界各国家和人民关注的热点。世界各国都在致力于减少环境污染，研究环境可持续发展的绿色方案，尤其是对工业界定期进行有效环境管理的呼声，在全球范围内越发高涨和坚定。因而，对环境进行测试与监控的需求也就日益迫切和旺盛。作为污染物控制的重要检查和监测手段，环境检测行业逐步受到越来越多的重视。中国环境监测行业企业普遍规模小、企业管理水平不高、产品模仿程度较高；技术含量低、使用寿命短、市场占有率低等特点。还没有形成强大的驱动力来带动环境检测事业的发展。随着人民群众环保意识的不断增

9、强。以及国家对环保重视程度的不断提高，社会对环境监测提出了新的更高要求，环境监测的任务日趋繁重。据不完全统计我国已经制定的各类国家环境标准有 400 余项，涵盖了大气、水质、土壤、噪声、辐射、固体废物、农药等领域。并且已经开展了环境质量监测、环境质量周报、日报、预报监测；污染源监测、污染事故应急监测、污染物总量控制监测、污染源解析监测。环境污染治理工程效果监测等，需监测的污染因子达上百种。这种点多、面广、任务繁重的环境监测形势，急切需要提高环境监测的自动化水平，减少人工作业量，提高环境监测实效。随着大规模集成电路制造技术的不断发展，推动了单片机技术的发展，为野外条件下进行实时环境监测提供了便利

10、。单片机以其“个头小、功能强”为特征，具备微型计算机的功能，因而应用于环境监测仪中，可以减少环境监测仪的体积和质量，提高环境监测仪的自动化水平，增强环境监测的准确性。第 3 页第 1章 环境监测系统第 1.1节 课题背景温湿度、光照度、一氧化碳含量、紫外线强弱和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工农业生产中最常见最基本的参数。例如农业上农作物的生长离不开对温湿度、一氧化碳含量、紫外线强弱，特别是光照度的检测与控制；石油、化工、机械、电子等各类工业中广泛需要对温湿度、一氧化碳含量、紫外线强弱的检测和控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己生存的环境越来越关注，而空气中温湿度、光照度、一

11、氧化碳的含量、紫外线强弱的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温湿度、光照度、一氧化碳含量及紫外线强弱的检测就非常有必要了。为此，本设计开发了一种能够同时测量多点，并实时性高、精度高，能够综合显示温湿度、光照度、一氧化碳含量、紫外线强弱信息的检测产品。第 1.2节 系统框图本设计以 STC89C52 单片机为核心来对环境的温湿度、光照度、一氧化碳含量及紫外线强弱进行实时显示。各检测单元（传感器）能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温湿度、光照度、一氧化碳含量及紫外线强弱信息进行实时采集，并将采集来的信息通过液晶显示屏呈现给用户。系统框图如图 1-1 所示。接口电路 显示看门狗

12、 复位电路各类传感器 单片机A/D驱动图 1-1 环境监测系统框图第 1.3节 单片机方案比较在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8 位单片机仍是首选。目前，8 位单片机在国内外仍占有重要地位。在 8 位单片机中又以 MCS-51 系列单片机及其兼容机所占的份额最大。MCS-51 的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。方案一：采用 AT89C51 芯片作为硬件核心，采用 FlashROM，内部具有 4KBROM 存第 4 页储空间，能于 3V 的超低压工作，而且与 MCS-51 系列单片机完全兼容，

13、但是运用于电路设计中时由于不具备 ISP 在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二：采用 AT89S52 片内 ROM，全都采用 FlashROM；能以 3V 的超低压工作方案三：STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，使得STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

14、方案一是多年前的产品，因自身设计缺陷，已经很少被人使用。方案二和方案三使用差别不大，但方案二需要专用下载线，方案三使用串口下载即可。因此选择方案三。第 5 页第 2章 系统设计第 2.1节 传感器介绍2.1.1. 温湿度传感器温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。DHT11 数字温度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它运用专用的数字模块采集技术和温度传感器，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强，性价比高等优点。DHT11 采用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，

15、信号传输距离可达 20 米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。DHT11 数字温度传感器如图 2-1 所示。传感器管脚方向识别：正面（有通气孔的一面）看过去，从左到右依次为 1、2、3、4 脚，具体功能见表 2-2 所示。图 2-1 DHT11数字温度传感器表 2-1 DHT11引脚说明2.1.2. 一氧化碳传感器一氧化碳传感器属于化学传感器。本设计采用型号为 MQ-9 的一氧化碳传感器，如图2-2 所示 ,主要由 LM393、MQ-7 气体传感器芯片组成，它的工作电压为直流 5 伏。具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。适宜于一氧化碳、煤气等的探测，具有很高的灵敏度和良好的选

16、择性。特点如下：具有信号输出指示；双路信号输出（模拟量输出及 TTL 电平输出） ；TTL 输出有效信号为低电平；模拟量输出 05V 电压，浓度越高电压越高。引脚号 引脚名称 类型 引脚说明1 VCC 电源 正电源输入，3V-5.5VDC2 Dout 输出 单总线。数据输入/输出引脚3 NC 空 空脚。扩展未用4 GND 地 电源地第 6 页图 2-2 MQ-9一氧化碳传感器图 2-3 BH1750FVI光照度传感器模块2.1.3. 光强度传感器BH1750FVI 是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利

17、用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。 （1lx-65535lx）其有如下特点：1.支持 I2CBUS 接口(f/sModeSupport)。2.接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性(峰值灵敏度波长典型值:560nm)。3.输出对应亮度的数字值。4.对应广泛的输入光范围(相当于 1-65535lx)。5.通过降低功率功能,实现低电流化。6.通过 50Hz/60Hz 除光噪音功能实现稳定的测定7.支持 1.8V 逻辑输入接口。8.无需其他外部件。9.光源依赖性弱（白炽灯，荧光灯，卤素灯，白光 LED，日光灯） 。10.有两种可选的 I2Cslave 地址。11.可调的测量结果影响较大的因素为光入

18、口大小。12.使用这种功能能计算 1.1lx 到 100000lx 马克斯/分钟的范围。第 7 页13.最小误差变动在20%14.受红外线影响很小表 2-2BH1750FVI运行条件参数 符号 最小值 时间 最大值 单位VCC电压 Vcc 2.4 3.0 3.6 VI2C参考电压 Vdc 1.65 - Vcc V2.1.4. UVM-30紫外模块子外线是电磁波谱中波长从 100-400nm 辐射的总称。紫外线按照其辐射波长的不同可以划分成 UVA(315400nm)，UVB(280315nm) 和 UVC(280nm)3 个波段。对人体有影响的主要为 uVA、UVB 两个波段的紫外线辐射。本设

19、计采用 UVM-30 传感器如图 2-4 所示图 2-4 UVM-30紫外模块特点1，专为需要高可靠性和精确性测量紫外线指数（UVI）,的场合所设计；2，适合测量太阳光紫外线强度总量；3，对照世界卫生组织紫外线指数分级标准 检测 UV 波长:200-370nm；4，响应极快、全互换性；5，采用具有专利的固体聚合物构造、防水防尘易清洗；6，线性电压信号输出；7，小尺寸，适用于移动电话等便携产品；表 2-3UVM-30电气参数电气参数 UVM30响应波长工作电压 DC3.0-5.0V输出电压（对应 UV指数 0-10）DC 0-1V测试精度 1UVINDEX工作电流 Tpy.0.06mA,Max,

20、0.1mA第 8 页温度范围储存环境温度-40 至 90温度范围工作环境温度-20 至 85长期工作稳定性（年漂移率） 5响应时间 0.5 秒尺寸（LWH）9mm 9mm10mm第 2.2节 控制系统简介STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器，512 字节数据存储空间，内带 2K 字节 EEPROM 存储空间，可直接使用串口下载,与工业标准的MCS-51 指令和输出管脚相兼容。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，兼容 MCS51 指令系统，但做

21、了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52 单片机主要特性：增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统 8051.工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工作频率可达 48MHz 用户应用程序空间为 8K 字节 片上集成 512 字节 RAM 通用 I/O 口（32 个） ，复位后为：P1/P2/P3/P4 是

22、准双向口/弱上拉，P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻 ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片具有 EEPROM 功能具有看门狗功能 共 3 个 16 位定时器/ 计数器。即定时器 T0、T1、T2 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒通用异步串行口（UART ） ，还可用定时器软件实现多个 UART 工作温度范围：-40+85 （工业级）/0 75（商业级）PDIP 封装芯片的引脚介绍选用 STC89C52 单片机作为控制芯片是因为该芯片支持串口下载程序，支持 ISP 在线编程，编程线路简单，而且内部资源丰富，满足该系统的需求，不需要进行外部存储器的扩展。VCC(40)：+5vGND(20):接地P0 口（39-32）：P0 口为 8 位漏极开路双向 I/O 口，每引脚吸收 8 个 TTL 门电流。P1 口（1-8）：P1 口是从内部提供上拉电阻的 8 位双向 P1 口，P1 口缓冲器能接收和输出 4 个 TTL 门电路。