基于单片机的家居空气质量监控系统

基于单片机的 家居空气质量监控系统I

摘要

随着社会的不断发展与科学技术的日新月异。家庭住所作为人们日常起居生活最核心的区域越来越被人们所关注。特别是近年来，外界环境污染愈发严重，人们越来越渴望自己的居所在满足日常基本起居的同时更能够为自己提供一个安全、舒适、温馨的环境。为此，人们在需要相应的空气净化设备同时，更需要一种简洁、方便、有效、功能齐全、面向家居的空气质量检测设备。将检测与控制相结合，实现设备间的智能联动。

本文所构建了家居的空气质量监控系统面向于现代家居环境能够检测并显示出温度，湿度，甲醛，PM2.5各项实时数据。本系统以AT89C51单片机为核心，主要包括传感器温湿度采集，传感器气体采集，A/D模/数转换，LCD液晶显示，声光报警等部分。系统通过搭建的传感器元件采集家居中温湿度，甲醛含量以及PM2.5含量，并实时显示上述采集数据。此外，采集上来的数据与单片机内部设定的整定值比较。当数据不合标准时发出报警信号并开启相应设备通知家居主人。最后，本文将设计的系统在PROTUES环境下进行了仿真，验证了设计的正确性，可行性。

本设计借鉴了市场现有的产品以及环境质量现有的研究成果。集实用性，高效性，经济性于一身。为今后智能家居的发展提供了新的思路。

关键词：单片机；空气质量检测；传感器；PROTUES

I

abstract

With the continuous development of society and the rapid development of science and technology. As the core of people's daily life, the family residence has become more and more concerned by people. Especially in recent years, the environmental pollution has become more and more serious, people are more and more eager to meet their own homes in the daily basic living while more able to provide themselves with a safe, comfortable, warm environment。 To this end, we need the corresponding air purification equipment at the same time, but also need a simple, convenient, effective, complete function, for home air quality testing equipment. The detection and control are combined to realize the intelligent linkage between devices。

The air quality monitoring system in the home is designed to detect and display the temperature, humidity, formaldehyde and PM2.5 real-time data in the modern home environment. This system to AT89C51 microcontroller as the core, including the temperature and humidity sensor acquisition, sensor gas collection, A/D mode / number conversion, LCD liquid crystal display, sound and light alarm and other parts。The system collects the temperature and humidity, the formaldehyde content and the PM2.5 content of the sensor, and displays the data in real time. In addition, the data collected from the internal settings of the microcontroller and the setting value of the comparison。When the data is not standard, the alarm signal is issued and the corresponding equipment is turned on to inform the home owner. Finally, the design of the system in the PROTUES environment simulation, verify the correctness of the design, feasibility。

This design draws on the existing research results of the existing products and environmental quality of the market。Practicality, high efficiency, economy in one body。It provides a new idea for the development of smart home in the future。

Key words: single chip microcomputer; air quality detection; sensor; PROTUES

II

目 录

第1章 引言 ....................................................... 1

1.1 设计背景及意义.......................................... 1 1.2 家居环境监测系统现状.................................... 2 1.3 设计目的及内容.......................................... 3

第2章 系统设计方案论证和总体框架设计 ........................................................... 4

第3章 第4章 第5章 2.1 设计要求................................................ 4

2.1.1 家居空气质量监测系统功能.......................... 4 2.2系统硬件的选型与论证 .................................... 4

2.2.1单片机控制器的选型 ................................ 4 2.2.2温、湿度传感器的选型 .............................. 5 2.2.3 甲醛气体监测模块选择与论证........................ 6 2.2.4 PM2.5监测模块选择与论证 .......................... 6 2.3 家居空气质量监测系统总体设计框架........................ 7

系统硬件模块电路设计 ............................................................................... 8

3.1控制模块设计 ............................................ 8

3.1.1 AT89C51单片机的介绍 .............................. 8 3.1.2 时钟电路设计..................................... 11 3.1.3 复位电路设计..................................... 11 3.1.4 单片机最小系统硬件电路图......................... 12 3.2传感器模块设计 ......................................... 12

3.2.1温湿度检测模块设计 ............................... 12 3.2.2 甲醛检测模块设计................................. 13 3.2.3 PM2.5检测模块设计 ............................... 13 3.3液晶显示模块设计 ....................................... 14 3.4报警模块设计 ........................................... 16 3.5电源模块设计 ........................................... 16

系统软件设计 ............................................................................................. 18

4.1程序设计软件简介 ....................................... 18 4．2程序流程图 ............................................ 18

4.2.1温湿度测量模块软件设计 ........................... 18 4.3.2 PM2.5测量模块软件设计 ........................... 19 4.3.3 甲醛测量模块软件设计............................. 19

仿真与实验测试 ......................................................................................... 21

III

5.1 PROTUES软件介绍 ....................................... 21 5.2 仿真结果............................................... 21

总结 ............................................................................................................................. 24 致谢 ............................................................................................................................. 25 参考文献 ..................................................................................................................... 26

IV

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第1章 引言

1.1 设计背景及意义

伴随着社会日新月异的发展与人类生活水平的极大提高，家居环境质量的好快逐渐成为我们关注的重点。而在我们家居生活中温度湿度、可吸入颗粒物PM2.5含量、有害气体含量等以上数据因与我们健康密切相关因为而最为被关注。据相关资料显示，人体的健康会极大的被温度湿度环境所影响。专家指出：日常家居中，温度控制在 17℃-26℃，湿度控制在43％-67％RH的情况下人体最为感到舒适。而长期生活在湿度低于43％RH 的空气环境中，人体的各项器官，特别是呼吸呼吸系统会产生极大的损害。鼻腔，呼吸道乃至肺部的黏膜纤毛生理功能受到极大损害，纤毛的蠕动减缓，从而很难清理掉粘膜上的灰尘、细菌等附着物的，给细菌与病毒滋生提供了良好的环境，从而损害人体健康。而在湿度较大的环境下，特别是大于 65％RH时，松果激素大量产生，促使人体肾上腺素，甲状腺素含量减少，造成人体兴奋度降低，疲惫，没有活力。同时，高湿度环境会损害人体免疫力，容易产生各种疾病，危害人体健康。PM2.5又叫细颗粒物，指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。由于本身质量微小，可悬浮在空气中，大量的PM2.5颗粒物存在空气中会对环境造成极大的污染，是检测环境质量的重要指标。PM2.5在正常的环境中含量极少，但随着我国环境质量的不断变差以及PM2.5的含量不断加大，其对人类健康的危害愈发严重。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。甲醛是近些年伴随着过度装修用料所导致的新型家居污染源。甲醛无色有刺激性气味，随呼吸系统进入人体后会破坏人体细胞蛋白质，进而对人体器官特别是呼吸系统，神经系统造成极大地破坏。甲醛中毒的临床表现为眼红、眼痒、咽喉不适或疼痛、声音嘶哑、喷嚏、胸闷、气喘、皮炎等。严重时引发肾衰竭与癌症。近年来，世界范围内的科学家对甲醛问题展开了全面的讨论与研究。认为家居环境污染是导致甲醛中毒的最直接原因，因而净化家居环境，慎用装饰材料是防范甲醛危害的最使用的办法。我国作为甲醛污染大国，也在近些年制定了相应的防范措施。2003年3月由国家环保总局、卫生部、国家质量监督检验总局共同制定并发布的我国第一部“室内空气质量标准”，此标准严格定义了家居环境质量的各项标准，特别明确了各污染源的含量健康标准，给广大居民鉴定自家家居环境质量提供了科学参考。由此可知，家居环境质量越发受到人们重视，而相应的家居环境质量检测控制仪器也应与而生，并拥有广泛的应用前景与商机。可见，对家居环境监控设备的研究具有重要的意义。

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1.2 家居环境监测系统现状

人类对于温湿度的测量由来已久，早在中世纪的欧洲，著名科学家伽利略就曾有过尝试。他所制作的简易温度计，感热部分由果核大的玻璃泡构成，另一端则连有敞口的玻璃管。根据热胀冷缩原理，受热水平面会根据变化上下移动，从而判定出温度的变化，并可大致测出温度的高低。后来，经过科学家们的不懈努力，又在此基础上进行可改进，对感热材料换成了水银，使温度变化更加敏感，这也为后来温度计的形成提供了基础。水银温度计结构简单，制作方便，计量稳定，目前依旧被我们广泛使用，但缺点是材料易碎，并且不能实现远距离测量，不具备智能化等功能。目前在家居使用中，对有害气体的过滤，特别是甲醛气体的去除以活性炭居多。所谓的活性炭，顾名思义主要以炭构成，在制作过程中，将炭打磨成细小的炭粒。炭粒表面具备有较大的表面积，而炭粒的内部则有极为细小的穿孔。正是这种构造，让活性炭颗粒与空气有着充足的接触空间，并具备极大的吸附能力，从而实现对空气的过滤与净化。活性炭的制作需要较为精细的讲究，对于消除特定的有害气体时，活性炭的孔隙结构要适合有害气体的分子结构，从而最大限度的发挥活性炭的吸附能力。活性炭在对甲醛、苯系物、氨、氡等有害气体的过滤有着极强的作用。此外，活性炭购买方便，使用简洁非常适合家居环境下的空气净化。但活性炭使用条件较为严苛，需要在流动的空气环境中方可起到较好的过滤作用，并且过滤空间面积较小，过滤后若要循环使用，则必须在日光下进行暴晒处理，使活性炭内部吸附的气体分子挥发掉。方可再次使用。

对于PM2.5, 1997年美国环保局制定颁布了比PM10更小的颗粒物，即PM2.5作为空气质量标准，并规定年均和日均浓度限值分别为21ug/m3、65ug/m3，而PM10年均和日均浓度限值不变。2006年美国环保局进一步缩小PM2.5的日均浓度限值，也就是现在的标准限值，即年均和日均浓度限值分别为15ug/m3、35ug/m3并且废除了PM10的年均浓度限值，可见，美国对颗粒物的限值标准越发严格。年月世界卫生组织在《全球大气质量指南》中力推的年均和日均浓度限值分别为10ug/m3、25ug/m3、根据全球各国的社会经济发展水平和环境空气污染特征的差异，将环境空气质量分为三个阶段目标和一个指导值。阶段等级越高，对环境空气质量的要求越严格。近年来，越来越多的发达国家和地区已根据各自发展状态对其环境空气质量标准作了相关的修订。

进入20世纪，伴随着电子技术的飞速发展与日益广泛的应用，空气环境检测技术有了更深层次的发展，相关电子产品也得到了极其广泛的应用。特别是电子化的温度计、湿度计、甲醛测量仪、PM2.5净化设备等。国外在这方面研究较早也取得了较为显著的成果。早在上世纪80年代模拟式组合仪表已应用在温湿度检测中。进入新世纪国外的温湿度控制已全面向自动化、智能化、无人化方向靠拢，并将成果转化为产品投入市场。

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我国在此方面发展较晚，受困于技术与材料方面的限制，仅在温度、湿度单一方面取得了一定成果，在集成性方面还有待进一步发展。在有害气体的检测方面，国外的发展也走在我国前面。目前相当一部分公司开发出的产品已在相关气体检测方面占有重要的市场，如英国 Tsl 公司生产的 PPM40OTM 甲醛检测仪、德国生产的 TG2000 系列固定式有害气体检测仪。我国公司的产品尽管与国外知名厂商存有一定差距，但产品发展仍取得了不错的效果，如深圳市赛纳威环境科技有限公司生产的赛纳威甲醛检测器，北京ECO-5(琥珀金)居家智能甲醛监控装置，天津福民科技有限公司生产的优耐特甲醛全时段检测净化器等。以上这些空气检测装置虽然在检测有害气体方面有不错的性能，但其应用范围主要适用于工业领域，并不适用与家居环境空气的质量检测，可见在家居领域，此项研究仍有极大地研究价值。特别是伴随着单片机技术的不断成熟。电子化的空气检测仪器与家居智能化的发展完美契合。本文正式尝试将两者的结合，设计出一种基于单片机的家具空气质量监控系统。

1.3 设计目的及内容

本文所构建出的家居空气质量监控系统面向于现代家居环境能够检测并显示出温度，湿度，甲醛，PM2.5各项实时数据。集实用性，高效性，经济性于一身。通过比较市场现有的产品以及环境质量现有的研究成果。最终设计出了以单片机为控制核心，多传感器检测多项数据，并加入了液晶显示及声光报警模块，将家居环境至来年个检测和智能控制有机的结合起来，为今后智能家居的发展提供了新的思路。本文主要完成的设计内容如下:

（1）完成了系统设计方案论证和总体框架设计。

（2）控制模块，使用 AT89C51单片机作为系统核心控制器。 （3）温湿度模块，使用传感器 DHT11 采集温湿度数据。

（4）气体检测模块，使用PM2.5传感器及甲醛气体传感器采集气体浓度。 （5）报警模块，采用蜂鸣器，指示灯来进行报警处理。 （6）显示模块，采用LCD液晶显示屏显示室内空气实时数据。 （7）设计了系统整体和各模块工作的程序框图。

（8）利用PROTUES对构建系统进行仿真，验证设计的可行性。

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第2章 系统设计方案论证和总体框架设计

2.1 设计要求

本论文要设计的是一种面向于家居的空气环境质量监控系统，能够实时检测空气温度湿度、PM2.5、甲醛等有害气体。当某一数据超标时能自动发出报警信号并开启相应设备。此外为了满足智能家居的设计要求，该系统监控的各项数据能够实时传送至系统显示屏，计算机，主人的通信设备。还能与空调、加湿器、净化器等设备形成智能联动，帮助改善家中的空气质量。

本文设计的空气质量检测系统的环境质量数据依据《室内空气质量标准》GB/T18883-2002设计。相应标准如下表2-1：

表2-1 室内空气质量标准

项目 相对湿度 温度 甲醛 HCHO 可吸入颗粒 PM2.5 单位 % ℃ mg/m3 mg/m3 值 40~80 22~28 0.10 0.15 适用范围 1小时均值 日平均值 2.1.1 家居空气质量监测系统功能 在本文设计的家居空气质量监控系统，是以单片机为核心，收集相应的气体采集模块采集相应的空气数据。并将采集的各项数据实时显示在LCD显示屏上，并通过控制器将采集数值与内部设定值比较，采集值越限时启动报警模块发出声光报警。为了实现以上功能：系统硬件在搭建过程中，具有单片机控制器，温度传感器，湿度传感器甲醛传感器、PM2.5含量探测器、A/D 转换电路、液晶显示器，LED灯光与蜂鸣器等。

2.2 系统硬件的选型与论证

2.2.1 单片机控制器的选型

本文设计的监控系统是围绕单片机进行整体构建的，因此选择一个合适的运转的核心与大脑就是设计的至关重要的一部。因而，在开始设计之前，我们需要从市场是种类繁多的单片机中选择出合适的类型，并经过一定的论证，以此保证整个系统运行的可靠。所以，在选型过程中，我们本着讲究技术性，开发性，实用性三方面综合考虑，从而达到最优的性价比与未来升级换代的可能性。具体说来

(1)在技术性方面:以满足系统功能实现，可靠运行为目的，对单片机芯片引脚，功能进行考察，是否满足上述要求。

(2)在实用性方面:对特定厂家特定市场生产的单片机产品进行调研，通过型号间的纵向比对以及不同产品间的横向比较，选择最合适的产品，保证系统可靠运行。

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（3）在开发性方面，着眼长远发展，选择的单片机类型能够满足未来升级换代的选择性，从而最大限度的满足经济性的条件。

本设计选用的AT89C51单片机芯片是美国ATMEL公司的产品。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEAROM—Flash Progra1mmable and Erasaable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位单片机，数据可重复擦除。该器件使用了ATMEL公司所研发的最先进的高密度存储制造技术，并可与工业级别的MCS-51指令集与阵脚所兼容。正式因为以上优点，AT89C51在不失工作性能与存储性能的同时更兼具了灵活与成本低廉等特点。故而在控制领域得到了极其广泛的应用。AT89C51的芯片如图2.1所示。

图2.1 AT89C51的外观及针脚

2.2.2 温、湿度传感器的选型

在目前市场上众多的流行温度湿度传感器主要分为两种。即分立式与集成式:分立式传感器就是采用各自的温度检测探头与湿度检测探头分别采集数据，然后将两个传感器采集的实时信息分别送入单片机相应的I/O接口，单片机通过采集两个接口的信息然后再进行数据处理，通过以上流程可知，分离式使用较为繁琐并占用更多的数据资源。而集成式正是解决了这个缺点，将温度检测，湿度检测合成一个传感器。并继承了两种器件的全部功能。综上所述，本系统采用集成式的DHT11温湿度传感器。DHT11 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，温湿度探头集成了温敏元件与湿敏元件，并聚合在一个芯片后传输数据。

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P3口还可提供第二功能。第二功能定义见表3-1。

表3-1 P3口的第二功能定义

引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD TXD INT0 INT1 说明 串行数据输入口 串行数据输出口 外部中断0输入 外部中断1输入 定时器0外部计数输入 定时器1外部计数输入 外部数据存储器写选通输出 外部数据存储器读选通输出 T0 T1 WR RD 3.1.2 时钟电路设计 时钟电路产生AT89C51工作时所必需的控制信号，在时钟信号的控制下，严格按时序执行指令。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。

图 3.3 内部时钟方式电路 图3.4 外部时钟方式电路

1．内部时钟方式

AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，图3.3是AT89C51内部时钟方式的电路。

2．外部时钟方式

用现成的外部振荡器产生脉冲信号，常用于多片AT89C51同时工作，以便于多片AT89C51单片机之间的同步，一般为低于12MHz的方波。

外部时钟源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空，见图3.4。 3.1.3 复位电路设计

单片机的初始化操作，给复位脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周

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期）的高电平就使AT89S51复位。复位时，PC初始化为0000H，程序从0000H单元开始执行。除系统的正常初始化外，当程序出错（如程序跑飞）或操作错误使系统处于死锁状态时，需按复位键使RST脚为高电平，使AT89C51摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动程序。

复位电路采用上电自动复位和按钮复位两种方式。图3.5所示为上电自动复位方式。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平和脉冲两种方式。按键手动复位电路见图3.6。

图3.5 上电复位电路 图3.6 按键电平复位电路

3.1.4 单片机最小系统硬件电路图

图3.7 单片机最小系统电路图

3.2 传感器模块设计

3.2.1 温湿度检测模块设计

DHT11 数字温湿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，它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的

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长期稳定性。传感器包括一个阻式感湿元件和一个测温元件，可与一个高性能 8 位单片机相连接，如图3-1所示。每个DHT11传感器都在精确的湿度校验箱中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。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，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则，产品为4针单排引脚封装,如图 3-2 所示.因DHT11是数字式传感器,所以本设计中将DHT11 直接与单片机的 I/O口线连接,进行温湿度数据的传输。

图3.8温湿度监测模块电路

3.2.2 甲醛检测模块设计

CH20甲醛传感器主要由检测探头与信号传感器两部分构成。其工作原理为CH20在采集家居空气后，检测出其中的甲醛气体，并根据甲醛气体浓度，产生一个对应的模拟电流信号。为了使信号能够被单片机所接收，还需通过RCV420电流电压转换器转换为模拟0-5V模拟电压信号，最后通过ADC0832模拟数字转换器转换后送入单片机。从而完成气信号到电信号的转变。甲醛检测电路图如图 3.9所示。

图3.9甲醛监测模块电路

3.2.3 PM2.5检测模块设计

GP2Y1010AU0F传感器是由日本夏普公司开发研制的广泛用于PM2.5检测的光学空气质量传感器。其基本检测原理是利用光敏原理

一款光学浓度检测传感器由日本夏普公司开发。此传感器内部成对脚分布的红外发光管和光电晶体管，利用光敏原理来工作。用于检测特别细微的颗粒，依靠输出脉冲的高度来判断颗粒浓度。传感器5号引脚的模拟信号通过数模转换器转换为数字量进入单

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片机。

图3.10 PM2.5监测模块电路

3.3 液晶显示模块设计

在系统的的显示方面，我们采用了液晶显示器。相比于传统的LED显示模块，LCD具有功率小，寿命长等特点，可以实现字符，数字甚至汉字的显示。可以非常方便的将家居空气质量信息反映出来，使系统更加智能化。

在使用LCD时，必须有相应的LCD控制器、驱动器对LCD显示器进行扫描、驱动，以及一定空间的RAM和ROM来存储相应的命令和显示字符的点阵。现在已有市售液晶显示模块LCM将这些器件集成到一起，只要向LCM输入命令字和数据就能得到所需显示。本文用的LCM是一个16*2的点阵式字符液晶显示模块，液晶显示模块是16×2点阵的汉字图形型液晶显示模块，可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。各个功能如表1所示。

表3-2 LM016L阵脚的功能

引脚序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 名称 VSS VDD V0 RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 电平 - - - H/L H/L H，H→L H/L H/L H/L H/L H/L H/L 数据总线 0V +5V - H：数据输入；L：指令输入； H：读数据；L：写数据； 使能信号 供电电源 功能 14

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13 14 DB6 DB7 H/L H/L 清屏类，显示开关控制类，读写数据类等其他编程指令，不一一介绍，见表3-3。

表3-3 LM016L的指令集

指令功能 清除屏幕 光标回到原点 设定进入模式 控制线 RS 0 0 0 R/W 0 0 0 D7 0 0 0 D6 0 0 0 D5 0 0 0 数据线 D4 0 0 0 D3 0 0 0 D2 0 0 1 D1 0 1 I/D D0 1 x S 清除屏幕，并把光标移至左上角 光标移至左上角，显示内容不变 I/D=1：地址递增，I/D=0：地址递减 S=1：开启显示屏，S=0：关闭显示屏 0 0 0 0 0 0 1 D C B 显示器开关 D=1：开启显示幕 C=1：开启光标 B=1：光标所在位置的字符闪烁 0 0 0 0 0 1 S/C R/L x x 移位方式 S/C=0、R/L=0:光标左移；S/C=0、R/L=1：光标右移 S/C=1、R/L=0：字符和光标左移；S/C=1、R/L=1：字符和光标右移 0 0 0 0 1 DL N F x x DL=1：数据长度为8位，DL=0：数据长度为4位 N=1：双列字，N=0：单列字；F=1:5x10字形，F=0：5x7字形 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 BF 1 CG RAM地址 DD RAM地址 地址计数器内容 写入数据 将数据写入CG RAM或DD RAM 读取数据 读取CG RAM或DD RAM的数据 将所要操作的CG RAM地址放入地址计数器 将所要操作的DD RAM地址放入地址计数器 读取地址计数器，并查询LCM是否忙碌，BF表示LCM忙碌 功能设定 CG RAM地址设定 DD RAM地址设定 忙碌标志位BF 写入数据 读取数据 此部分电路的接线十分简答，因为LM016L是一个集成的显示模块，2端接Vcc，1端，3端接地，5、4、6引脚分别与单片机的21、22、23引脚连接，单片机的P1口与LCM的数据口一一对应相连接，如图3.11。

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图3.11 LCD显示电路原理图

3.4 报警模块设计

声、光报警电路如图 3.11所示，由单片机的I/O引脚控制。当检测数据超出设定值时，引脚输出高电平，三极管导通，进而报警电路导通，蜂鸣器通电发出报警声、二极管导通发光，即实现了声光报警的功能。

图3.11 声光报警电路原理图

3.5 电源模块设计

作为整个系统的电源提供者，电源模块设计的合适与否直接关系着系统能否稳定运行。本文设计的电源模块由家用的220V交流电直接输入，经过变压器，整流桥，滤波电路，稳压电路最后输出+5V的直流电压，以供系统各个模块所使用。电源模块如图3.14所示。220V交流电经变压器转换为12V交流电压，再经整流桥整流为14V直流电，经过

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稳压电源LM7812与LM7805稳压芯片，输出直流12V与5V电压。为了使电压稳定，我们加入了滤波电容滤除高次谐波，从而保证供电质量。

图3.14电源模块设计电路

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第4章 系统软件设计

4.1 程序设计软件简介

本文的软件设计是基于C语言环境进行编写开发的，相对于汇编语言，C语言具有功能齐全，结构简单，可读性强，维护方便等明显优势。所以软件编写是在支持C语言编译的Keil uVision3平台下完成。Keil uVision3是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，该软件提供了包括C编译器，调试器，宏管理器等强大的功能模块。并且该软件可将C语言文件生成HEX文件，为下一步的仿真工作，提供方便。

图4.1 keil uVision2软件操作界面

4．2 程序流程图

4.2.1 温湿度测量模块软件设计

前面我们搭建出了各传感器的硬件电路，下面我们针对单片机进行系统的软件设计。根据前文设计的温湿度测量模块。单片机在接收温湿度传感器DHT11传送的数据后，转化为相应的温湿度数值，发送至LCD液晶显示器予以显示。同时与内部提前编制好的预值进行比较。当温度大于 27℃或小于16℃时发出灯光报警，并启动相应温度控制系统。当下一次检测到的数值小于23℃或大于11℃时，熄灭二极管，关闭温度控制系统。同理，湿度小于30%时，发出灯光报警，同时启动加湿器。

软件设计流程如图 4-8 所示

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开始初始化延时采集温湿度值读取温湿度值LCD显示Y采集值与整定值比较N

图4.2 温湿度测量模块程序流程图

灯光报警启动设备4.3.2 PM2.5测量模块软件设计

当传感器检测到PM2.5时，传感器输出模拟电压信号，并传入A/D转换器ADC0832。当单片机I/O口对ADC0832中CH0引脚置于高电平时，A/D转换器开始模数转换，将模拟信号转换为数字信号，送入单片机。数值在单片机内部经过处理将数据显示在LCD上并与预设值比较，大于预设值时单片机点亮二极管并发出报警声音，启动空气净化装置。当检测到的数值小于预设值时蜂鸣器关闭，空气净化装置断电。程序流程如图 4-9 所示。

开始初始化延时采集GP2Y1010AU0F输出电压信号A/D转换读取PM2.5浓度值LCD显示采集值与整定值比较N声光报警启动设备Y

图4.3 PM2.5测量程序流程图

4.3.3 甲醛测量模块软件设计

甲醛模块的设计原理是，甲醛传感器在检测到甲醛气体时，硬件自身会根据浓度产

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生相应的电流信号，输出的电流经 RCV420电流电压转换器转换为电压信号，再将此电压信号经 ADC0832 转换为数字信号进入单片机，并在LCD上显示。在单片机中，采集数值在与预设值比较，大于预设值时单片机点亮二极管并发出报警声音，启动空气净化装置。程序流程如图 4-10 所示。

开始初始化延时采集CH20输出电流信号电流信号转化电压信号A/D转换读取甲醛浓度值LCD显示Y采集值与整定值比较N声光报警启动设备

图4.4 甲醛测量程序流程图

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第5章 仿真与实验测试

5.1 PROTUES软件介绍

在搭建与设计出软硬件系统后，下一步，我们就要验证本文设计系统的实用性与可行性。在仿真软件方面，本文采用英国Labcenter公司的PROTUES软件进行家居空气质量监控系统的仿真。该软件继承了PROTEL的界面简单，上手容易等特点，可在ISIS模块设计完原理图之后转到ARES模块进行电路板设计。具有十分强大的设计应用功能。更为特别的是该软件支持单片机系统仿真，利用前文提到的Keil软件将编好后的C语言程序设置生成可以识别的hex文件格式，从而对所搭建的软硬件系统进行仿真。仿真电路主要由控制模块，PM2.5检测模块，甲醛检测模块，温湿度采集模块，报警模块，电源模块组成，如图5.1所示。

图5.1家居空气质量监控系统仿真图

5.2 仿真结果

由于软件的元件库中没有传感器模块的仿真模型，然而各个传感器的输出信号几乎都以脉冲或者电压的形式输出，因此可以用电位器调节电压大小替代传感器输出信号，实现系统的仿真。此外由于51单片机I/0接口有限，所以在PM2.5检测模块与甲醛检测模块中加入了锁存器，通过单片机对两个锁存器开放闭所控制，实现一个I/O接口采集两项数据。系统的仿真运行结果如图5.2所示。显示器正常显示家居环境各项数据：温度23℃，湿度51%，PM2.5含量0.05，甲醛浓度0.02，根据家居环境质量标准判断环境质量正常，报警系统不启动。

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图5.2家居空气质量正常状态

下面我们将模拟报警状态，设置此时家居环境各项数据为：温度23℃，湿度51%，PM2.5含量0.05，甲醛浓度0.5时，根据家居环境质量标准，甲醛浓度超标，此时系统会显示环境各项数据如图5.3所示。然后切换到报警界面，发出\警告如图5.3

所示。同时甲醛报警电路发出声光报警如图5.5所示。

图5.3家居空气质量甲醛含量超标

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图5.2家居空气质量监控系统报警界面

图5.5家居空气质量监控系统甲醛报警电路启动

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总结

随着社会的不断发展与人们物质水平的普遍提高，更环保，更健康，更舒适的家居环境，成为人们的首要选择。本文正是以此为背景设计出一种基于单片机的家居环境质量检测系统。该系统除了实现家居环境中温湿度测量以及甲醛与PM2.5的检测，并通过数据比较在环境越限时发出报警、启动空气净化器等功能。 具体说来，文本主要完成了以下工作：

1．构建出以51单片机为控制核心，收集各传感器的实时数据，实现对家居环境质量的检测。

2．利用LCD显示技术完成了环境温度、湿度及显示电路的设计。 3．外接了声光报警电路，在超过设定值是自动报警。 4. 设计了系统程序流程图

由于时间和条件的限制，本设计所涉及的一些工作未深入研究，在今后的工作中，将对下述几个方面进行一些改进,如电器驱动模块，无线通讯模块等内容，使之更加智能化。从而进一步向家居智能化靠拢。

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致谢

本文是在我的毕业设计老师郎老师的悉心教导下完成的。在此，我要向自己的老师表达深深的谢意。郎老师认真治学的态度，一丝不苟的工作作风让我受益匪浅。每当我在困难无助无从下手的时候，是郎老师给了我最需要的帮助。让我总能在失落与迷茫时重新振作起来，也让我对自己的所学有了更深入的认识，更对我今后的人生成长给予了莫大的启迪这对我们以后成长产生很大的影响与帮助，在此再一次向郎老师表达最诚挚的的谢意。刚开始的时候，我盲目地在网上搜索资料，不知道如何下手，苦苦思索不得结果，通过与郎老师的几次见面与电话询问，我受到了很大的启示。在郎老师的指导下，我摸索着前进，思路也日渐清晰。感谢老师的帮助，用他严谨的教学态度帮助我们熟悉自己的专业，更指导我们认识自己。

同时也要感谢我的同学们，他们给与了莫大的帮助。每当我因某一个问题困扰，他们总会在我身边安慰，给与鼓励，并帮忙查阅资料，在一起讨论解决我的困惑。不仅让我感恩友情的存在，更让我认识到团结的重要。

最后，感谢毕业设计给了我们学习巩固知识的机会，也让我们增进了彼此的友谊，接受到老师许多关于知识，关于为人的教导。

这次毕业设计经历对于以后的学习和工作都将是一笔宝贵的财富，将会使我一生受用，再次感谢帮助我的老师和同学们。

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