室内环境监控系统

常州信息职业技术学院

学生毕业设计（论文）报告

系 别： 电子与电气工程学院

专 业： 电气自动化技术

班 级： 电气111

学 生 姓 名： 踪娜

学 生 学 号：设计（论文）题目： 室内环境监测系统

指 导 教 师： 宋艳

设 计 地 点： 常州信息职业技术学院

起 迄 日 期： 2013.09~2014.06

毕业设计（论文）任务书

专业 电气自动化技术 班级 电气111 姓名 踪娜

一、课题名称： 室内环境监控系统

二、主要技术指标（或基本要求）：本设计的最终目的是对室内环境进行一个实时监控，该系统能够完成一定范围温度监测、湿度监测、光照强度监测以及有害气体监测，并在虚拟仪器

的平台上实现温度、湿度、光照强度及有害气体浓度等相关数据的实时显示。

三、主要工作内容：本系统使用温湿度传感器和光照强度、空气质量传感器对室内环境的相关参数进行采集，采集到的数据经过信号调理电路，传输到单片机内部进行数据处理，

最后,在上位机的虚拟仪器平台上显示测试值 。

四、主要参考文献：

李国刚,万本太. 中国环境监测科技发展需求分析[J]. 中国环境监测,2004,06:5-8. 袁腾. 智能家居环境监测系统的设计[D].湖南大学,2012.

于波. 基于单片机的室内环境监测系统设计[D].中国海洋大学,2011.

肖友平. 基于虚拟仪器的室内环境远程监测系统设计[D].西南石油大学,2010.

学 生（签名） 年 月 日

指 导 教师（签名） 年 月 日

教研室主任（签名） 年 月 日

系 主 任（签名） 年 月 日

毕业设计（论文）开题报告

目录

摘 要 .................................................................................................................................................. I Abstract .............................................................................................................................................. II

第1章. 绪论 ...................................................................................................................................... 1

1.1设计背景及意义..................................................................................................................... 1

1.2室内环境监测系统发展现状 ................................................................................................. 1

1.3虚拟仪器概述......................................................................................................................... 2

1.3.1虚拟仪器的产生 .......................................................................................................... 2

1.3.2虚拟仪器的概念 .......................................................................................................... 2

1.3.3虚拟仪器的构成 .......................................................................................................... 3

1.3.4虚拟仪器的优点 .......................................................................................................... 5

1.4设计目的及内容..................................................................................................................... 6

第2章. 系统模块的方案论证和总体框架设计 .............................................................................. 7

2.1系统设计原则......................................................................................................................... 7

2.2系统基本方案选择与论证 ..................................................................................................... 7

2.1.1 单片机模块选择与论证 ............................................................................................. 7

2.1.2 温湿度监测模块选择与论证 ..................................................................................... 8

2.1.3 煤气监测模块选择与论证 ......................................................................................... 8

2.1.4计算机端软件选择 ...................................................................................................... 8

2.3 总体硬件电路框架设计 ........................................................................................................ 9

第3章. 系统的硬件设计和连接 .................................................................................................... 10

3.1 温湿度监测模块设计 .......................................................................................................... 10

3.2燃气监测模块设计 ............................................................................................................... 11

3.2.1 MQ-2传感器简介 ..................................................................................................... 11

3.3控制模块设计....................................................................................................................... 13

3.3.1 AT89C52RC单片机简介 ......................................................................................... 13

3.3.2 AT89C52 单片机时钟电路 ...................................................................................... 17

3.3.3 AT89C52 单片机复位电路 ...................................................................................... 17

3.4 报警模块设计...................................................................................................................... 18

3.5 电路电源部分设计 .............................................................................................................. 19

第4章. 系统的软件设计 ................................................................................................................ 20

4.1 软件设计环境...................................................................................................................... 20

4.2 编程语言选择...................................................................................................................... 22

4.3 程序设计流程...................................................................................................................... 23

4.3.1 温湿度测量模块软件设计 ....................................................................................... 23

4.3.2 燃气测量模块软件设计 ........................................................................................... 24

第5章. 系统测试 ............................................................................................................................ 25

结束语 ................................................................................................................................................ 26

答谢辞 ................................................................................................................................................ 28

摘 要

目前，随着生活水平的不断提高，人们开始重视自己所处的生活环境，对室内居住环境的舒适度要求越来越高，住宅和居室是人们生活的重要物质条件，是人们生活、家庭团聚的场所，但随着装修材料的大量使用和生活用品的日益广泛，家居环境隐患重重。不仅表现在室内温湿度的影响上，也体现在室内有害气体浓度的大小上。在室内装修后，CO和甲醛的检测受到了人们的关注，中国环境保护协会有关数据统计表明每年因室内环境污染患病或死亡的人数比例也引起专家们的注意，室内环境污染已经成为严重影响现代人类健康的杀手之一。现在市场上也有对室内环境的检测仪器，主要针对的是有害气体的检测，功能单一，而且价格昂贵，根据市场调查，现代社会非常需要一款集室内温湿度和有害气体检测于一体的综合监测系统。

本设计主要做了以下几方面的工作：一是确定系统的整体设计方案。包括系统应具备的功能、达到的技术指标、系统的设计原则；二是整个系统的各个模块的硬件和软件的设计。单片机和传感器的分析与使用，以STC89C52单片机为核心，使用单总线技术的DHT11数字温湿度传感器的测温湿电路以及程序设计，用气敏传感器MQ-2进行数据采集的电路以及程序设计；三是虚拟仪器显示电路的程序设计。

关键词：室内环境，单片机，温湿度，MQ-2，虚拟仪器

Abstract

At present, with the continuous improvement of living standards, people begin to pay attention to their own living environment, comfort requirements for indoor living environment more and more high, housing and the bedroom is one of the important material conditions, people's life is a place for people's life, family reunion, but with the mass use of decoration materials and articles for daily use is becoming more and more widely, household environment hazards. Not only the influence of the indoor temperature and humidity, also reflected in the size of the indoor harmful gas

concentration. After indoor decoration, CO and the detection of formaldehyde by the attention of people, China's environmental protection association relevant statistics

show that every year due to illness or death proportion of indoor environment pollution also attract the attention of the experts, indoor environment pollution has become one of the serious influence of the modern human health killer. Now in the market have on the indoor environment testing instrument, mainly is for harmful gas detection, single function, and the price is expensive, according to the market survey, very modern

society needs a set of indoor temperature and humidity and harmful gas detection in a body's comprehensive monitoring system.

This design mainly did the following several aspects: one is to determine the

system overall design scheme. Including the system should have the function, technical index, the system design principles; Second, the various modules of the whole system's hardware and software design. Analysis and using single chip microcomputer and sensor to STC89C52 single-chip microcomputer as the core, the use of single bus technology DHT11 digital temperature and humidity sensor temperature humidity measuring circuit and the program design, gas sensor, MQ - 2 data acquisition circuit and program design; Three is the process of the virtual instrument display circuit design.

Key words: indoor environment, single chip microcomputer, temperature and

humidity, MQ - 2, virtual instrument

第1章. 绪论

1.1设计背景及意义

随着电子技术的发展，传感器的性能和种类的不断提高和丰富，使得基于微型计算机芯片控制的室内环境实时分析监测系统成为可能。

该设计通过传感器引入数字化的环境信息，通过单片机的数据分析，如果此监测系统与室内空调、加湿器、照明系和电动门窗系统等家具电器配合使用，显然节能减排、深入人心，建筑节能和智能化发展得到大力提倡的今天，其不仅能为人们的生活带来便利，更符合可持续发展的理念，无论是经济学角度还是社会学角度来看，设计和研究基于数字化的室内环境监测系统辅助家居智能化和节能环保的设备有着重要的现实意义和经济价值。该设计基于上述请况出发，应用

8051系列单片机丰富的I/O接口和对数据的采集、处理功能，实现传感器由物理量到数字化的转变，输入到单片机通过微处理器的分析处理给出相应的结果，然后，通过虚拟仪器的图形化编程软件LabVIEW实时的显示出各环境监测值，使人们能够及时了解各环境参数的情况，并在环境参数变到危害到正常的生活需要的时候给出报警电路的报警信号，及时的通知人们离开或者是加以相应的处理，使得适合人们居住。由于相关的智能化家居设备的不稳定性和不确定性，这里就不做相应的控制算法的研究和处理，仅把相关参数储存在相应位置或者输出到对应的I/O口，供其他相关设备读取数据。

伴随着人们生活水平的不断提高，越来越多的人们更加关注居住生活环境的安全质量（主要包括温度、湿度、有害气体浓度等等）问题，所以对室内环境做实时监测和数据分析显得尤为重要。

1.2室内环境监测系统发展现状

早期，在电子技术的推动下，温度与湿度传感器代替了简单的温度计与湿度计，以单片机为核心的监测系统发展迅速,连接接口电路，并将结果显示虚拟仪器软件的前面板上。另外，单片机还可直接控制打印监测数据。这种方式在很大程度上提高了工作效率，并扩展了应用范围。但系统所采用的温度、湿度传感器直接输出的是模拟电压信号，传输过程中信号易损耗，影响系统精度，且传输距离较近。每个测试点都需要各自独立的信号线，为了实现多点监测，不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转换开关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其难于维护，价格昂贵。

自上世纪九十年代以来，伴随微处理器芯片和网络通信技术的发展，为了简化系统设计并降低成本，各公司及科研机构开始致力于相关领域的探索，使得温度、湿度等数据监测数字化、网络化的实现成为可能。其中，美国达拉斯半导体公司推出了1-WireBus(单总线)接口协议，单总线技术与其它总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的。因此，单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。同时各软件公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。

此外，使用者还希望对仪器本身的技术问题关注尽可能少，而将更多的精力

转向测试对象，这样即使是使用了VC、VB等高级语言编程、调试测试程序，也不能适应现代监测系统对系统开发时间的要求，因而需要寻求新的编程方法。出于这些考虑，近年来，许多公司开发出很多出色的仪器开发系统软件包。其中，基于图形设计的用户接口和软件开发环境是最流行的发展趋势。在这方面最有代表性的软件产品是NI公司的LabVIEW、HP公司的VEE等。

1.3虚拟仪器概述

1.3.1虚拟仪器的产生

虚拟仪器技术是计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、网络化的方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代模拟仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。第二代数字化仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器内置微处理器，具有自动测试和数据处理功能，可以代替部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全部都以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，并导致传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。

虚拟仪器(Virtual Instruments.简称VI)的概念，是美国国家仪器公司(National Instruments Corp.简称NI)于1986年提出的。M公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器,能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试、测量及自动化工业的系统测试和监控变得非常方便和快捷。

1.3.2虚拟仪器的概念

虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户西南石油大学硕士毕业生学位论文可以通过友好的图形界面(通常叫做虚拟前面板，简称前面板)来操作这台计算机。如同在操作自己定义、设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源(如微处理器、显示器等)和仪器硬件(如A/D、D/A数字I/O、定时器、信号调理等)的测试能力和控制能力结合起来，虚拟仪器突破了传统仪器以硬件为主体的模式。实际上，使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。

虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。

1.3.3虚拟仪器的构成

虚拟仪器从构成要素上讲,由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成方式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统,或已GPIB、VXI、Serial和Field bus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。

虚拟仪器的构成如图1.1所示：

目前,虚拟仪器的构成方式有以下几种：

(l)PC-DAQ插卡式的Vl

这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。充分利用计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利、其关键在于A/D转换技术。这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于PC的工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ方式存在的缺点己经正在被克服。因个人计算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜,因此其用途广泛，特别适用于工业测控现场!各种实验室和教学部门使用。

(2)并行口式的Vl

可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种Vl功能。其最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。

(3)GPIB总线方式的El

GPIB(General Purpose Interface Bus)技术是IEEE488标准的Vl早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立单台手工操作向大规模自动测试系统发展"典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。

GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便的把多台机器组合起来，形成自动测试系统。GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合。

(4)VXI总线方式的Vl

VXI总线是VME bus extension for Istrumentation的缩写，是高速计算机总线VME在Vl领域的扩展，有稳定的电源,强有力的冷却能力和严格的RFI/EMl屏蔽。由于其标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，具有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但VXI系统要求有专用的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

(5)PXI总线形式的Vl

PXI总线是PCI extension for Instrumentation的缩写,是PCI在Vl领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发!精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。

(6)网络接口方式的Vl

尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起,不过NI等公司已经开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品,使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络。利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN(Measurement and Control Networks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。由此可见,网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。

(7)USB接口方式的Vl

Universal Serial Bus(USB)因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB2.0高达48oMbits/s的传输速率，逐渐成为仪器控制的主流总线技术。现代计算机上的USB接口越来越多，使得工程师可以很方便的将基于USB的测量仪器连接到整个系统中。但是，USB在仪器控制方面上亦有一些缺点。如USB的排线没有工业标准的规格，在恶劣环境下，可能造成数据的丢失。此外，USB对排线的距离也有一定的限制。

无论哪种Vl系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机和工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。

1.3.4虚拟仪器的优点

一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的功能，而且在许多方面具有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉!可一机多用、可重复开发等。

1.4设计目的及内容

本设计最终目的是实现一个家用集有害气体、温度和湿度为一体的多功能监测系统，要求其精度高，适用于家庭、综合办公楼等室内监测。具有操作简便、成本低的特点。通过充分的调研、综合分析、比较各种测量方法以及各种改善室内空气质量的方法，本设计以单片机最小系统为核心，采用数码管显示及声光报警系统，将室内环境测量和控制有机的结合起来。主要完成的设计内容如下：

（1）主控制器模块，采用 AT89S52 单片机作为主控单元。

（2）温湿度模块，它使用传感器 DHT11 采集温湿度数据。

（3）气体检测模块，使用 MQ-2 传感器采集有害气体气体浓度。

（4）报警模块，采用发光二极管的亮灭来显示有害气体是否超标。

（5）显示模块，采用虚拟仪器的图形化软件LabVIEW显示测量值。基于单片机的室内环境监测系统设计 。

第2章. 系统模块的方案论证和总体框架设计

2.1系统设计原则

本文设计的环境监测系统是一种监测设备，同时也是基于微型计算机的应用为目的的电子仪器，最终目的是面向市场和面向用户。因此，在系统设计过程中必须要考虑兼顾各方面的特点和技术要求，始终遵循以下几条原则：

安全性原则：系统设计和制作要完全依据《电气设备安全通用要求》规定的内容进行，保证系统的电气性能安全。

准确性原则：环境信号是极其微弱的信号，非常容易受到环境感应电的干扰，因此在系统设计、制作中要采取一切手段保证信号的不失真。

实时性原则：保证系统能够对环境进行实时监测。

可靠性原则：系统必须保证能够长时间稳定的工作，性能可靠而不出故障。 简易性原则：目前大多数人员对计算机操作的掌握非常有限，因此易学!易用是对系统的基本要求。

通用性和可移植性原则：当前使用的和市面上可以见到的微型计算机品牌、档次、内部结构是多种多样的，系统必须保证能够在绝大多数计算机上通用和安全移植。

2.2系统基本方案选择与论证

2.2.1 单片机模块选择与论证

方案一：AT89C51 是 4K 字节的高性能 CMOS 8 位微处理器，128×8 位内部 RAM ，32可编程 I/O 线 ，两个 16 位定时器/计数器，5 个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

方案二: AT89S52 单片机含 8 位 CPU，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器及 256字节数据存储器， 有 32 位 I/O 端口线和 2 个数据指针，3 个 16 位定时/计数器，一个2 级中断结构,还具有看门狗定时器，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。掉电保护方式下，数据存储器中的内容被保存，单片机工作停止，直到下一个中断或硬件复位时为止。

通过以上两种单片机性能比较，AT89S52 内部集成看门狗计时器,AT89C51 需外接看门狗计时器电路,或者是用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰。AT89C51 仅支持并行编程，而 AT89S52 不但支持并行编程还支持 ISP 在线编程。在编程电压方面,AT89C51 的编程电压除正常工作的 5V 外,另外 Vpp 需要 12V,而 AT89S52 仅仅需要 4-5V 即可。AT89C51 极限工作频率是 24MHZ,而 AT89S52 最高工作频率是 33MHZ，从而具有更快的计算速度。所以本设计选用 AT89S52 单片机。

2.2.2 温湿度监测模块选择与论证

方案一：采用分立元件搭建电路。分别采用温度传感器 DS18B20和湿度传感器HS1100 作为测量温湿度的器件，单片机分别读取温度和湿度值后送显示电路。这种方法构建的电路复杂，增加编程的复杂性，而且元件多给电路板的焊接与调试等都造成了很大的不便，同时也增加了系统设计的成本。

方案二：采用数字温湿度传感器 DHT11，它包括数字采集技术和温湿度传感技术，具有很高的可靠性和稳定性。DHT11 传感器包括一个阻式感湿元件和一个测温元件，供电电压为 3.3-5.5V DC ，测量范围为湿度 20-90%RH，温度 0-50℃ ，测量精度为湿度±5%RH，温度±2℃ ，分辨率为湿度 1%RH，温度 1℃。

综合以上分析与比较，方案二既可以减小外界对系统的干扰，又可以降低系统的成本，且能达到测量要求。数字式传感器内部自带 A/D 转换，输出直接为数字信号可直接被单片机读取，简化电路的同时也简化了系统的程序。所以本设计中采用第二种方案。

2.2.3 煤气监测模块选择与论证

方案一：催化燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。通过测量铂丝的电阻变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。主要用于可燃性气体的检测，具有输出信号线性好，指数可靠，价格便宜，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染。

方案二：MQ-2 传感器模块对环境液化气、甲烷、酒精、烟雾等较敏感，灵敏度可调，工作电压为5V，预热快2分钟，并且有两种输出形式，分别是模拟量电压输出，和数字开关量输出（0和1）。价格低廉，设有固定螺栓孔，方便安装。

通过以上比较，传感器 MQ-2 使用方便价格低廉，适用于普通家庭，所以本设计采用半导体式传感器 MQ-2。

2.2.4计算机端软件选择

软件为用户提供了集成开发环境!高水平的仪器硬件接口和用户接口。美国国家仪器公司提出的“软件即仪器”(The Software is the Instrument)形象地概括了软件在虚拟仪器技术中的重要作用。

对于虚拟仪器应用软件的编写,大致可分为两种方式：

(1)通用编程软件进行编写"主要有Mierosoft公司的VisualBasie与VisualC++，Borland公司的Delphi，Sybase公司的power Builder。

(2)用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的VEE，NI公司的LabVIEW和Lab

windows/CVI等。

LabVIEW是当今唯一带有可以生成最佳编码的编译器的图形化开发环境,运行速度等同于编好的C或C++程序，因此LabVIEW是远程环境监测系统设计的

最佳选择。

2.3 总体硬件电路框架设计

本系统以 AT89S52 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， 信号处理，按扭操作，单片机控制，显示等部分。系统通过各种传感电路检测室内温度、湿度、可燃气体浓度等参数值，通过LabVIEW软件实时显示当前温度、湿度、可燃气体浓度等参数值，并与报警装置配合，等待房主处理。系统整体设计如图 所示：

系统设计整体框图基于单片机的室内环境监测系统设计

第3章. 系统的硬件设计和连接

3.1 温湿度监测模块设计

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,DHT11 的参数如表 3-1 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 P1 口线连接,进行温湿度数据的传输。

3.2燃气监测模块设计

3.2.1 MQ-2传感器简介

可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气，甲烷，丁烷，丙烷，酒精，氢气，烟雾等的探测。

(1)、MQ-2的标准工作条件

(2)、MQ-2的环境条件

(3)、MQ-2的灵敏度特性

(4)、MQ-2的结构、外形、测试电路

3.3 显示电路设计

本设计采用动态显示方式在计算机上显示出温湿度、有害气体浓度，采用

Labview前面板能够直观实时的监测到各个参数值。如检测到的温度发生变化时，相对应的波形图表和数值会发生相应的变化，起到实时显示功能面板图所示。

3.4控制模块设计

3.4.1 AT89C52RC单片机简介

STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片

机，指令代码完全兼容传统8051片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

一、主要特性

（1）、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；

（2）、工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）；

（3）、工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz ；

（4）、用户应用程序空间为8K字节；

（5）、片上集成512字节RAM ；

（6）、通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/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；

（7）、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；

（8）、具有EEPROM功能 ；

（9）、具有看门狗功能；

（10）、共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2 ；

（11）、外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；

（12）、通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART ；

（13）、工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）；

二、STC89C52RC引脚功能说明

VCC（40引脚）：电源电压

VSS（20引脚）：接地

1.并行输入/输出引脚

P0 口(32-39 脚)：在不外接存储器和不外扩展时，P0 口为 8 位漏极开路的准双向输入/输出端口。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口作为低 8 位地址/数据复用端，自身不带锁存器，做通用输入/输出端口时需外接上拉电阻。

P1 口（1-8 脚）：8 位双向输入/输出端口，具有内部上拉电阻， P1.0 引脚有第二功能，即可用作定时器/计数器 2 的外部计数输入端，P1.2 可作为定时器/计数器 2 的触发输入端，具体如表 3-6 所示。在 Flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址信息。

P2 口（21-28 脚）：具有内部上拉电阻，做为准双向输入/输出口，当访问外部程序和数据存储器或者扩展 I/O 口时，P2 口作为高 8 位地址数据端。

P3 口（10-17 脚）：具有内部上拉电阻，准双向 I/O 口，P3 口除做通用 I/O 外还可作为 AT89S52 第二功能引脚使用，如表 3-7 所示。

2.控制线引脚

RST（9 脚）：复位信号输入端。当单片机工作时，在引脚加上持续 2 个机器周期的高电平将使单片机复位。 30 脚）：地址锁存允许信号输出引脚，访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址信息。此引脚也用作编程脉冲输入引脚。 （29 脚）：外部程序存储器选通信号输出引脚，低电平有效。当单片机执行片外程序存储器程序时，每个机器周期引脚被激活两次，而访问外部数据存储器 RAM 时，引脚将不被激活。 （31 脚）：内外程序存储器选择引脚，引脚为低电平时，选用片外程序存储器。VPP 做为 FLASH 编程电压输入引脚。

3.电源及时钟引脚

XTAL1（19 脚）：晶体振荡器接入的一个引脚。

XTAL2（18 脚）：晶体振荡器接入的另一个引脚。

VCC（40 脚）：电源接入引脚。

GND（20 脚）：接地引脚。

3.3.2 AT89C52 单片机时钟电路

单片机时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。

1、内部振荡方式：AT89C52 单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过XTAL1 和 XTAL2 引脚接入晶振元件：晶体振荡器和电容，即可构成一个稳定的自激振荡器。

2、外部振荡方式：把外部的时钟信号引入单片机内部。此方式可使单片机的时钟与外部信号保持同步。

在本设计中采用第一种方式，在 XTAL1 和 XTAL2 引脚分别接一个 30pF 的电容，两个引脚之间接入一个 12MHz 的晶振，电路如图 3-8 所示。

3.4.3 AT89C52 单片机复位电路

复位是使单片机或系统中的其他部分处于初始状态，初始化后程序计数器PC 为0000H，程序从 0000H 地址单元开始执行。如果程序运行时出错或操作错误使系统处于死锁状态时，可通过按键复位重新启动。

当 RST 引脚加高电平复位信号，信号保持 2 个以上机器周期时，单片机内部执行复位操作。复位操作有两种基本形式上电自动复位和按键电平复位。在本设计中复位电路采用按键电平方式，电路如图 3-9 所示，使 RST 引脚（图中悬空脚）经过 10uF电解电容与 VCC 电源接通，同时经过电阻与地连接而实现。当按下按键 S 时，RST 引脚置高，系统进入复位状态。

3.5 报警模块设计

声、光报警电路如图 3-13、图 3-14 所示，由单片机的 P2.3、P2.4、P2.5 和 P2.6引脚控制。当燃气浓度超出安全值时，引脚置高，三极管导通，进而蜂鸣器及发光二极管导通，蜂鸣器和发光二极管实现蜂鸣、发光，即实现了声光报警的功能。

3.6 电路电源部分设计

电源部分提供整个电路所需各种电压，由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路构成，电源变压器的功率由需要输出的电流大小决定，确保有充足功率余量。

本设计中供电电源电路如图 3-15 所示，220V 电压经降压变压器降压至 12V，12V交流电输入二极管整流桥，整流桥选用 1N4007 二极管，输出方向单一但大小还是处在不断地变化之中的脉动直流电压，再经过电容滤波进入稳压块 LM7805 及 LM7812，其中电容滤波电路中大的电解电容滤掉大幅值的低频成分，小无极电容滤掉脉动直流中的高次谐波。经过滤波后的电信号经过 LM7805 和 LM7812 后输出得到的是+5V 和+12V 电源，可供电路中元器件供电使用。

第4章. 系统的软件设计

4.1 软件设计环境

Keil uVision4 是美国Keil Software 公司出品的与 51 系列单片机兼容的

C 语言软件开发系统。Keil uVision4 提供了 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和仿真调试器等工具，使在线编程更加容易。

一、编辑器和调试器

1．源代码编辑器

uVision4 编辑器包含用户常用到的所有特性，语法彩色显像和文件识别都对

C 源代码进行和优化，可以在编辑器内调试程序,它能提供一种自然的调试环境,使你更快速地检查和修改程序。

2．调试器

uVision4 源代码级调试器是一个理想、快速可靠的程序调试器。调试器包含一个高速模拟器，可以模拟整个 8051 系统，包括片上外围器件和外部硬件。当你从器件库中选择器件时，这个器件的特性将自动配置。

二、 C51 编译器

Keil uVision4 编译器在语言上的扩展功能为用户使用软件资源提供方便，对于8051 系列资源 C51 编译器都可以进行操作。sfr 和 sbit 两个关键字对 SFR 实行存取。变量可转移到任意地址空间，变量还可以通过关键字－at－放入固定的存储器中，存储模式决定了变量的存储类型。Keil uVision4的编译器和高性能仿真器,支持应用程序的调试。软件界面如图 4-1 所示。

三、软件开发流程

1.点击 Project 工程下面的菜单，选择弹出对话框中的 New Project，如图 4-2 所示。图 4-2

图 4-2创建项目工程

在弹出的文件对话窗口中输入程序项目名称，“保存”后的文件扩展名为 uv2，这是KEIL uVision4 项目文件的扩展名，以后可以直接点击此文件以打开以前做的项目。

2.选择符合要求的单片机， Ateml 公司的 AT89C52。

3.编写程序,首先要在项目中创建新的程序文件。

4.保存新建的程序，把第一个程序命名为 cx1.c，保存在之前的目录下，如果程序颜色不同，说明语法合理。在屏幕左侧的 Source Group1 文件夹图标上右击弹出菜单，在这里可以做在项目中增加减少文件等操作。选择“Add File to Group 'Source Group1'”选项，弹出文件窗口，选择刚刚已经保存的文件，单击 ADD 按钮，关闭文件窗，程序文件被加到项目中。这时在 Source Group1 文件夹图标左边出现了一个小+号说明，文件组中有了文件，点击它可以展开查看。如图 4-3 所示。

图 4-3 新建程序

5.C 程序文件已加到项目中，在进行编译运行。如果画面中左边的按钮用于编译单个文件，中间的用于编译当前项目，如果编译过的文件没有改动过，不会出现重新编译，右边的按钮用于重新编译。

6.进入调试模式，软件窗口样式如图 4-5 所示。打开调试对话框，从这个对话框可以看到芯片的串行口输入输出的字符，可以在这里看运行结果。要停止运行程序回到编辑模式中，可先按停止按钮再按开启\关闭调试模式按钮。

图4-5程序调试图

7.生成 HEX 文件

打开目录，找到项目文件，然后右击图 4-6 中项目的文件夹，在弹出的菜单中，选 Options for Target'Target1'选项,在弹出的设置窗口中选择项目文件夹图标，打开项目选项窗口，转到如图 4-7 所示的 Output 选项页，可以选择编译输出的路径和设置编译输出生成的文件名，要选择创建 HEX 文件，选好后再将它重新编译一次。

图 4-6生成 HEX 文件

4.2 编程语言选择

对于单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C 语言就是其中的一种。汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。程序编写语言比较常见的有 C 语言、汇编语言。

汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。C 语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯。还有很多处理器都支持 C 编译器，这样意味着处理器也能很快上手。且具有良好的模块化、容易阅读、维 护等优点，且编写的模块程序易于移植。基于 C 语言和汇编语言的优缺点，本系统采用C 语言编写方法。

件编写的主体思路是将系统按功能模块化划分，然后根据模块要实现的功能写各个子程序。整个软件程序的编写采用查询式方式编写的。

4.3 程序设计流程

4.3.1 温湿度测量模块软件设计

一、读取温湿度数据

根据硬件电路的设计，在单片机控制下经传感器 DHT11 检测来的温湿度数值，经单片机进行数值转换，转换成数码管显示的数值，在通过程序将此数值与预先设定的温湿度值进行比较，在程序中预设值为大于 24℃或小于 10℃时启动绿光二极管报警。当下一次检测到的数值小于 24℃或大于 10℃时，熄灭二极管。

传感器 DHT11 与单片机之间使用单总线数据格式通信，4ms 左右的时间完成一次通信，所传输的数据分为小数部分和整数部分，完整的传输数据长度为 40bit，数据内容包括 5 个部分：湿度数据整数和小数部分、温度数据整数和小数部分和校验和，每一部分占 8bit，如果数据传送正确，校验和数据等于前 4 部分所得结果的末 8 位。

单片机发出一次开始信号后,温湿度传感器由低功耗模式转换到高速模式，在主机开始信号完成后，DHT11 发送响应信号然后送出 40bit 的数据，并触发一次信号采集，采集数据后 DHT11 转换到低速模式。传感器 DHT11 与单片机的通讯过程：

空闲时，总线状态为高电平，主机把总线电平拉低等待DHT11响应，为保证DHT11能检测到起始信号总线拉低时间必须大于 18ms。DHT11在主机开始信号结束后，发送80us的低电平信号。主机发送的开始信号完成后，再等待20-40us，然后读取DHT11的响应信号。如果总线为低电平的话，表明 DHT11 正在发送响应信号，在 DHT11 发送响应信号之后把总线电平拉高 80us，开始准备发送数据，每 1bit 数据都以 50ms 低电平时隙开始，数据位是 0 还是 1 由高电平的长短决定，长度为 26-28ms 表示“0”，长度为70m s 表示“1”。最后 1bit 数据传送完毕后，DHT11拉低总线50ms，随后总线进入空闲状态。

二、软件设计流程如图 4-8 所示

4.3.2 燃气测量模块软件设计

第5章. 系统测试

在前面的内容中介绍了本系统的工作原理与具体硬件设计，完成理论研究工作之后，进行软硬件的调试，各模块进行单独进行调试，最后形成一套完整的程序，在进行调试时，受环境和条件的限制，整个系统只进行了部分试验:温湿度监测模块的测试。测试结果与传统的温度计测量值比较，温度计采用型号为 TH101B 室内温湿度计，测量温度范围-30℃- +50℃，误差小于±2℃。

按照设计进行硬件连接，将所编写的程序通过 Keil C51 写入计算机，形成可执行性文件，在经 Easy51Prov2.0 写入单片机，通过单片机输出，并在Labview软件上显示。此数值与温度计所测数值比较，如表 5-1 所示，二者数值偏差在 1.8℃左右。测试过程如图 5-1、图 5-2、图 5-3 所示。

结束语

本文就一种基于智能环境温度、湿度、甲烷气体浓度数据监测系统进行了全面的介绍，并完成了该系统的软硬件设计。

本次设计的主要工作总结如下：

(l)提出了智能环境温度、湿度、甲烷气体浓度数据监测系统软件、硬件设计方案。

(2)利用虚拟仪器开发软件LABVIEW，实现了环境参数的远程监测功能。 (3)完成了适用于智能环境温度、湿度、甲烷气体数据监测系统的硬件电路和软件设计、

(4)经过调试,所设计的系统可用于实际。

本次设计基本完成了智能环境温度!湿度!光强!一氧化碳气体数据监测系统的 件、硬件以及调试方案设计，随着技术的不断进步，该系统还可以做如下扩展：

(l)系统的监测精度有待提高。

(2)可扩展至针对检测数据超出预设值时进行报警并实时进行控制。 (3)电路优化，实现批量生产，运用于实际生活中。

参考文献

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[12]王志宏.基于 DHT11 的实验室多点温湿度报警系统设计.山西电子技术.2011 [13] 倪天龙.单总线传感器 DHT11 在温湿度测控中的应用.单片机与嵌入式系统应用.2010

答谢辞

在宋老师的悉心指导下，我的毕业设计得以顺利完成,首先要向宋艳老师，宋老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，平易近人的人格魅力对我影响深远。

宋老师指引我的设计的方向和思路，她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。同时，设计的顺利完成，离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的论文写作中，各位老师!同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于设计的建议和意见，在他们的帮助下，设计得以不断的完善。

另外,要感谢在大学期间所有传授我知识的老师们，是你们的悉心教导使我具有扎实的专业知识,这也是设计得以完成的基础。

我遇到困难时，都能从他那里得到热心的解答。感谢其他帮助过我的同学。感谢在百忙之中抽出时间参加论文审阅和答辩的各位老师！再次向所有关心我、爱护我、帮助我的人表示衷心的感谢！

毕业设计（论文）成绩评定表

一、指导教师评分表（总分为70分）

二、答辩小组评分表（总分为30分）

三、系答辩委员会审定表