2016 Mouser物联网创新设计赛
题 目： 家居环境监测系统
视频观址：
httpvyoukucomv_showid_XMTcyMDU5OTA0MAhtml
关键词： STM32 空气质量 PM25 智家居 环境监测
摘
着社会断进步发展生活水提升生活环境安全性性求日益增强前城市PM25值高居室空气造成严重污染针现空气质量监测产品价格昂贵功单专性强现状智移动装置设备性跨越性发展流媒体技术视频压缩技术日渐成熟4GWIFI等网络覆盖面积日俱增智家居监控系统飞跃性发展
文室空气监测切入点重点研究室空气质量监测改善便携式监测器拥舒适室生活环境提供保障
课题首先室空气质量监测器功需求做具体分析提出系统总体设计方案根需求分析进行：硫化物吸入颗粒物氧化碳苯液化气等等温湿度传感器选型显示模块电源模块等电路设计完成系统硬件开发维持适宜居住范围外开发出相应手机APP通串口转W iFi模块实现监测数手机客户端实时显示实验表明该系统运行灵敏度高实现室空气质量实时监测视化显示功智家居领域具应前景
功模块单位进行基STM32室空气质量监测器整体测试测试结果进行分析功测量精度 严格系统测试系统项指标达预期设计目标
该仪器包括：MQ2传感器模块MQ7传感器模块MQ135传感器模块PM25传感器（GP2Y1010AU0F）模块STM32F103VET6模块温湿度检测模块液晶显示声光报警模块OLED显示模块电源模块WIFI模块等组成采OLED显示WIFI发射PC位机显示传感器报警值根室空气质量标准（GB 18883—2002）中国家标准值设定报警
关键词：室环境RS485STM32线传输
Abstract
11课题背景意义
着社会进步科技快速发展工作生活居住环境求越越高社会信息化福度发展天生活工作通信信息关系日益紧密信息化高速发展改变工作惯时传统家庭住宅安全
办公环境需求提出挑战家庭住型单位办公环境智化成选择区企事业单位重标准安全需求更越越成购卖高档住宅区入住早级社区时首求种安全感仅体现舒适住房优关生活环境体现提供安全保障技术措施放心程度建立套技术先
进性稳定安全防范系统正满足种普遍心理需然成房产新热点安全口防范手段通防范手段达实现安全目安全防范基涵伴着信息通信技术高速发展智硬件设备性提升迅速普加两者互联网技术融合便捷化信息产品充斥工作
生活角落里样产品已成家日常生活必备品越越深刻改变生活居住方式生活中层面体现
智家居网络区传统网络简单理控制网络中融合新理控制通嵌入式技术计算机技术传感器技术网络通信技术整体居住环境进行构建通接入工ntonet网络传统家电器外界进行交流外界住宅环境进行远程监控调节提升家居环境安全性便利性舒适性
进步实现环保节家居环境
智家居系统提供许便利居家生活工作提供舒适安全保障
12课题研究现状
121国发展现状
智家庭居住环境概念约1994年进入国发展想象中利
1994年1999年期间概念熟悉阶段国方面处产品相关概念功熟悉阶段时国没智家庭居住环境方面生产设计公司仅少数代理国外产品销售公司
2000年2005年期间国先成立十家智家庭居住环境方面研发生产公司部分珠三角长三角区域国市场相关方面技术阶段慢慢发展起
2005年2007年期间企业分追求效益加竞争力智家居标准统等原许厂家智家庭居住环境描述切实际户产品非常满意纷纷投诉产品智家庭居住环境市场遭受严重击种恶性竞争环境中少厂商退出市场坚持厂商缩减规模
2011年房产行业调控智家居市场明显增长势头面年里智家庭居住环境市场呈现出非常快速发展现象时协议标准方面开始互通融合家电巨头纷纷开始布局智家居
2014年传统家电厂商均已智家居行业涉足行业中呈现出传统电器厂商新兴手机互联网厂商合作2014年12月份米美集口达成战略合作年年底海尔恒集团签订相关方面合作协议厂商强强联合更
加剧智家庭居住环境市场竞争关智家居话题断登新闻头条2015年春节期间量中国游客日抢购马捅盖电饭锅等时间红遍网络
智家庭居住环境中国十年发展方面中国智家居市场潜着十分巨商机年智家居系统销售数量销售总额呈现连续攀升势头智家居市场已海区辐射城市西部区外2011年国出台物联网十二五规划智家居列入国家重点发展扶持象
巨年国家十分鼓励商家资投资智家庭居住环境市场方面年两会议题面米CEO雷军次提智家庭居住方面相信国智家庭居住环境市场会迎健康积极成长阶段
12国外发展现状
1984年第幢智建筑美国出现美国欧洲加等济较发达国家先提出种智家居方案卿智家居没长足进步原
第没统标准长段时间里没统标准出现
第二没知名品牌国际知名电器厂商法独立完成样项巨务互联网电子厂商家居方面更缺乏研发验
第三高昂成目前成套智家庭居住环境设计实现资金普通家庭支付起
国际没关智家庭居住方面统标准企业围绕智家庭居住环境竞争基成阵营目前智家居标准争达顶峰越越电器互联网电子巨头加入AllSeen联盟
市场越越激烈需求竞争环境断出现传统电器巨商电子互联网公司联盟合2014年初Google收购托尼法德尔创办智家庭居住公司Nest Labs年苹果推出Homekit智家居应台更吸引PHILIPS凯特安海尔等全球顶级企业加入时2014年称智家居发展创始年
123智家居发展趋势
智家庭居住环境行业目前处高速成长阶段成长发展速度估量整应包括硬件台传输系统软件系统等发展围绕方面进行改进
第专芯片出现
目前市场智家居采硬件台基通MCU着硬件台成熟市场会迫切求专芯片提高处理力减少开发成
第二传输方式维化统化
目前应智家庭环境系统传输方式ZigBee太网24Ghz蓝牙等种传输方式特点距离通ZifBee方式稍远距离通太网方式等许会出现种功耗传输速率距离等方面协调发展种通信方式
第三系统台样化
目前名台AppleHomekit智家居台久前结束海家博会海尔展示支持HomeKit台空调时IT互联网公司退出台
第四标准统化
智家居行业目前止直没统标准正导致智家居市场鱼龙混杂年全国民代表会米CEO雷军表示制定标准容易难执行说明智家庭环境行业标准制定关键时刻
第五功样化生态化
现技术知识应型家电面会家庭中方面实现功性控制安全监控方面智环境控制方面远程抄表方面等
13文研究容组织结构
131文研究容
文研究家庭环境中温度湿度烟雾浓度控制系统设计实现系统够实时监测控制环境参数文研究容包括
系统整体方案设计确定底层采集模块控器通信方式控器位机间通信方式
系统硬件设计底层集采器原理图PCB实现控器设计(基sTM32开发板二次开发)
系统软件设计包括采集器控器部分位机实现硬件部分够正常工作
位机软件设计实现户够实时观察采集信息设置控制信息界面
整体实现调试系统整体框架流程设计设计具体实现完成系统硬件台软件台进行调试分析
132文组织结构
文具体结构安排
第章绪章节述课题背景源概述智家庭环境居住系统起源前国国外发展现状未发展方作简分析预测文工作文组织作简阐述
第二章系统方案设计通系统求设计出系统整体框图整系统作简单介绍
第三章系统硬件设计包括采集电路控电路控制电路线模块硬件电路分析子电路功介绍芯片选型说明
第四章系统软件设计分采集器控器位机中模块程序功作概述核心部分程序进行详细分析
第五章系统调试包括调试程中硬件测试软件功调试程中遇种问题分析解决等
第六章总结展
第二章系统方案设计
21系统功求概述
文需设计出套够检测控制室环境参数系统该系统应够时准确采集室坏境中温度湿度烟雾浓度
等参数信息通通信网络实时传送位机户够通交互界面识信息行设置控制范围控制室环境中参数
22系统模块功介绍
采集器通三模块分实现室温度湿度烟雾浓度等参数采集处理分采集信息通RS485通信网络传输控器烟雾浓度采集通MCUADC功直接传感器输出模拟量进行采集转换需三进制数值湿度温度采集通传感器单总线通信方式分DS18B20DHT11数字信号进行读取需参数终三采集模
块Rs485通信模块相联控器形成RS485组网物理拓扑
控器接通RS485组网通信方式分收底层采集种室环境参数信息信息通串口通信方式传输线发收模块继传输PC机终端时接收PC机传输控制命令PC机传送指令执行控制功
线收发器作数传输中转站解决室距离线通信
避免传输数传输程中丢失
位机软件设计出户交互界面户够实时观察室环境参数范困够设定调控范围
第三章系统硬件设计
通整体求实现功进行分析文整设计部分划分三相互联系部分分底层采集部分中间控器部分控制部分线收发器部分面根部分具体特性整硬件部分电路作详细介绍
31采集电路设计
311采集电路设计框图
采集模块整系统底层部分系统中位置五官样系统获知种信息参数源头实现室温度湿度烟雾浓度等信息进行采集显示通RS485通信方式传输控器中功根底
层求实现相关功采集模块部分应包含部分
系统够采集模块运行基求部分包含系统供电电源电路系统提供震荡品振电路重启系统高电复位电路等
采集电路MCuDsl 8B20DHT 11MQ2烟雾浓度等传感器相连接电路信号简单处理力电路
显示电路文中LCD 1 602作显示部分起辅助调试作
RS485通信电路底层采集模块采集信息参数通RS485通信电路信息传输控器模块
采集模块电路方框图图3甲1示
321MQ系列气体传感器
根室空气质量标准（GB 18883—2002）中国家标准值改变MQ模块变阻器调节报警阈值检测害气体超标时够时报警
面该产品MQ2MQ7MQ135气体传感器模块硬件原理图：
模块监测测气体浓度达设置安全阈值时out引脚输出低电点亮发光二极进行报警
322 PM25传感器
光学灰尘传感器（GP2Y1010AU0F）检测非常细颗粒香烟烟雾特效该装置中红外发光二极光电晶体角布置成允许检测空气中灰尘反射光该传感器具极低电流消耗（20mA11毫安典型）搭载高达7VDC传感器输出模拟电压正测粉尘浓度敏感性05V01mgm3原理：传感器中心洞
空气流定发射LED光通检测空气中灰尘折射光线判断灰尘含量
323 OLED显示
采中景园096寸OLED显示模块
利MCUSPI方式OLED模块进行控制通讯
324 DHT22温湿度采集
DHT22数字温湿度传感器款含已校准数字信号输出温湿度复合传感器感器包括电容式感湿元件NTC测温元件高性8位单片机相连接该产品具品质卓越超快响应抗干扰力强性价极高等优点温度测量范围40度80度精度正负05度完全满足现实需
325 WIFI发射位机显示
线WIFI传输模块采ESP8266芯片作传输芯片芯片部集成32位CPU作WIFI协议处理器作应处理器频支持80MHz160MHz两种频率支持80111 bgn 24G~25G具SDIO20 HSPISPIUARTI2CI2SHW IR RemotePWMGPIO等丰富外设开发者采官方提供SDK开发者相应固件通处理器进行控制
位机软件实现网络远程状态显示报警
第二章 方案较证
单片机作测控系统时系统总测信号懂输入通道计算机拾取必输入信息测量系统言准确获测信号核心务测控系统讲控象状态测试控制条件监察缺少环节
传感器实现测量控制首环节测控系统关键部件果没传感器原始测信号进行准确捕捉转换切准确测量控制法实现工业生产程动化测量控制种传感器检测控制生产程中种参量设备系统正常运行佳状态保证生产高效率高质量
2 1温度传感器选择
方案：采热电阻温度传感器热电阻利导体电阻温度变化特性制成测温元件现应较铂铜镍等热电阻特点精度高测量范围便远距离测量
铂物理化学性极稳定耐氧化力强易提纯复制性工业性电阻率较高铂电阻工业检测中高精密测温温度标准缺点价格贵温度系数受磁场影响原介质中易玷污变脆IEC标准测温范围200～650℃百度电阻W（100）13850时R0100Ω10Ω允许测量误差A级±（015℃+0002 |t|）B级±（03℃+0005 |t|）
铜电阻温度系数铂电阻价格低易提纯加工电阻率腐蚀性介质中稳定性差工业中50～180℃测温
方案二：采DHT22DHT22数字温湿度传感器款含已校准数字信号输出温湿度复合传感器应专数字模块采集技术温湿度传感技术确保产品具极高性卓越长期稳定性传感器包括电容式感湿元件NTC测温元件高性8位单片机相连接该产品具品质卓越超快响应抗干扰力强性价极高等优点单线制串行接口系统集成变简易快捷超体积极低功耗信号传输距离达20米成类应甚苛刻应场合佳选产品连接方便直接插接Arduino传感器扩展板DHT22数字温湿度传感器精度较高代昂贵进口SHT10温湿度传感器环境温度湿度测量求较高情况该产品具极高性出色稳定性
Arduino专传感器扩展板结合非常容易实现温度湿度感知相关互动效果
综合较方案方案二方案二更适合设计系统温度传感器选择
2 2 湿度传感器选择
测量空气湿度方式原理根某种物质周围空气吸收水分引起物理化学性质变化间接获该物质吸水量周围空气湿度电容式电阻式湿涨式湿敏原件分根高分子材料吸湿介电常数电阻率体积发生变化进行湿度测量
方案：采HOS201湿敏传感器HOS201湿敏传感器高湿度开关传感器工作电压交流1V频率50HZ～1KHZ测量湿度范围0～100RH工作温度范围0～50℃阻抗75RH（25℃）时1MΩ种传感器原开关传感器宽频带范围检测湿度判断规定值湿度电然种传感器限定范围时具良线性效利线性特性
方案二：采HS1100HS1101湿度传感器HS1100HS1101电容传感器电路构成中等效电容器件电容量着测空气湿度增增需校准完全互换性高性长期稳定性快速响应时间专利设计固态聚合物结构顶端接触（HS1100）侧面接触（HS1101）两种封装产品适线性电压输出频率输出两种电路适宜制造流水线动插件动装配程等
相湿度1100RH范围电容量16pF变200pF误差±2RH响应时间5S温度系数004 pF℃见精度较高
综合较方案方案二方案然满足精度测量湿度范围求限定范围时具良线性效利线性特性具备设计系统中温度30～50℃求选择方案二作设计湿度传感器
2 3 信号采集通道选择
设计系统中温度输入信号8路模拟信号需通道结构
方案采路行模拟量输入通道
种结构模拟量通道特点：
（1） 根输入量测量求选择性档次器件总体成作较低
（2） 硬件复杂障率高
（3） 软件简单通道独立编程
方案二采路分时模拟量输入通道
种结构模拟量通道特点：
（1） ADCSH求高
（2） 处理速度慢
（3） 硬件简单成低
（4） 软件较复杂
综合较方案方案二方案二更适合设计系统模拟量输入求较框图方案二更具备硬件简单突出优点选择方案二作信号输入通道
图21路行模拟量输入通道
图22路分时模拟量输入通道
第三章 系统总体设计
设计基单片机数字信号高敏感控性温湿度传感器产生模拟信号AD模拟数字转换芯片性设计8031基系统核心套检测系统中包括AD转换单片机复位电路温度检测湿度检测键盘显示报警电路系统软件等部分设计
图31 系统总体框图
设计信号采集信号分析信号处理三部分组成
（） 信号采集 AD590HS1100路开关CD4051组成
（二） 信号分析 AD转换器MC14433单片机8031基系统组成
（三） 信号处理 串行口LED显示器报警系统等组成
3．1 信号采集
3．1．1 温度传感器
集成温度传感器AD590 美国模拟器件公司生产集成两端感温电流源
． 特性
AD590电流型温度传感器通电流测量需温度值根特性分挡AD590缀IJKLM表示AD590LAD590M般精密温度测量电路电路外形图32示采金属壳3脚封装中1脚电源正端V＋2脚电流输出端I03脚壳般集成温度传感器电路符号图32示
图32 AD590外形（图1）电路符号（图2）
1流器件电流（μA）等器件处环境热力学温度（开尔文）度数：
I TT1μA K
式中：IT—— 流器件（AD590）电流单位μA
T——热力学温度单位K
2 AD590测温范围55℃ +150℃
3 AD590电源电压范围4V30V电源电压4V6V范围变化电流IT变化1μA相温度变化1KAD590承受44V正电压20V反电压器件反接会损坏
4输出电阻710MΩ
5精度高AD590IJKLM五档中M档精度高55℃～+150℃范围非线形误差±03℃
2 AD590工作原理
测温度定时AD590相恒流源5～30V直流电源相连输出端串接1kΩ恒值电阻电阻流电流测温度成正时电阻两端会1mV／K电压信号基电路图33示
图33 AD590部核心电路
图33利ΔUBE特性集成PN结传感器感温部分核心电路中T1T2起恒流作左右两支路集电极电流I1I2相等T3T4感温晶体两材质工艺完全相T3实质n晶体联成结面积T4n倍T3T4发射结电压UBE3UBE4反极性串联加电阻RR端电压ΔUBE电流I1：
I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R
AD590n＝8样电路总电流热力学温度T成正电流引负载电阻RL便T成正输出电压利恒流特性
输出信号受电源电压导线电阻影响图3中电阻R硅板形成薄膜电阻该电阻已激光修正电阻值基准温度1μA／KI值
图34 AD590部电路
图34示AD590部电路图中T1～T4相图33中T1T2T9T11相图33中T3T4R5R6薄膜工艺制成低温度系数电阻供出厂前调整T7T8T10称Wilson电路提高阻抗T5T12T10启动电路中T5恒定偏置二极
T6防止电源反接时损坏电路时左右两支路称R1R2发射极反馈电阻进步提高阻抗T1～T4热效应设计连接防式C1R4防止寄生振荡该电路设计T9T10T11三者发射极电流相等整电路总电流I1／3T9T11发射结面积8：1T10T11发射结面积相等
T9T11发射结电压互相反极性串联加电阻R5R6写出：
ΔUBE＝（R6－2 R5）I／3
R6T9发射极电流R5T10发射极电流外T11发射极电流R5压降R52／3
根式难出想改变ΔUBE调整R5调整R6增R5效果减R6样结果会ΔUBE减改变R5ΔUBE
影响更显著前面系数较实际利激光修正R5进行粗调修正R6实现细调终250℃总电流I达1μA／K
二． 基应电路
图38AD590测量热力学温度基应电路流AD590电流热力学温度成正电阻R1电位器R2电阻1kΩ时输出电压V0温度变化1mVKAD590增益偏差电阻偏差应电路进行调整调整方法：AD590放冰水混合物中调整电位器R2V02732+252982（mV）样调整保证0℃25℃附较高精度
图35 AD590应电路
三． 摄氏温度测量电路
图35示电位器R2调整零点R4调整运放LF355增益调整方法：0℃时调整R2输出V00然100℃时调整R4V0100mV反复调整次直0℃时V00mV100℃时V0100mV止室温进行校验例室温25℃V0应25mV冰水混合物0℃环境沸水100℃环境
四路检测信号实现
设计系统八路温度信号采集MC14433仅路输入采CD4051组成路分时模拟量信号采集电路硬件接口图36示
图36八路分时模拟量信号采集电路硬件接口
3 1 2 湿度传感器
测量空气湿度方式原理根某种物质周围空气吸收水分引起物理化学性质变化间接获该物质吸水量周围空气湿度电容式电阻式湿涨式湿敏原件分根高分子材料吸湿介电常数电阻率体积发生变化进行湿度测量面 介绍HS1100HS1101湿度传感器应
特点
需校准完全互换性高性长期稳定性快速响应时间专利设计固态聚合物结构顶端接触（HS1100）侧面接触（HS1101）两种封装产品适线性电压输出频率输出两种电路适宜制造流水线动插件动装配程等
图37a湿敏电容工作温湿度范围图37b湿度电容响应曲线
图37a湿敏电容工作温湿度范围 图37b湿度电容响应曲线
相湿度1100RH范围电容量16pF变200pF误差±2RH响应时间5S温度系数004 pF℃见精度较高
二湿度测量电路
HS1100HS1101电容传感器电路构成中等效电容器件电容量着测空气湿度增增电容变化量准确转变计算机易接受信号常两种方法：该湿敏电容置运方租蓉组成桥式振荡电路中产生正弦波电压信号整流直流放AD转换数字信号种该湿敏电容置555振荡电路中电容值变化转成反电压频率信号直接计算机采集
频率输出555测量振荡电路图37示集成定时器555芯片外接电阻R4R2湿敏电容C构成C充电回路7端通芯片部晶体短路构成C放电回路引脚26端相连引入片较器便成典型谐振荡器方波发生器外R3 防止输出短路保护电阻R1 衡温度系数
图37频率输出555振荡电路
该振荡电路两暂稳态交程：首先电源Vs通R4R2 C充电t充电时间Uc达芯片较器高触发电约067Vs时输出引脚3端高电突降低电然通R2放电t放电时间Uc降较器低触发电约033Vs
时输出时输出引脚3端低电突降高电翻覆形成方波输出中充放电时间
t充电C（R4+R2）Ln2
t放电CR2 Ln2
输出方波频率
f1(t放电+t充电)1[ C（R4+R2）Ln2]
见空气湿度通555测量电路转变呈反频率信号表31出中组典型测试值
表31空气湿度电压频率典型值
三路检测信号实现
设计系统八路湿度信号采集采CD4051组成路分时模拟量信号采集电路硬件接口图38示
图38八路分时模拟量信号采集电路硬件接口
3．1．3 路开关
路开关称路模拟转换器路开关通常n模拟量输入通道公模拟输入端通址线址信号n通道中通道输入模拟信号输出实现n线线接通功反模拟信号公输出端输入时 作信号分离器实现1线n线分离功路开关通常种具双力器件
设计中采温湿度双量控制信号采集中两模拟量提取时选路开关必
选CD4051路开关种单片COMS8通道开关该芯片DTLTTLCOMS电转换器带禁止端8选1译码器输入分加控制8COMS模拟开关TG组成CD4051部原理框图图39示
图39CD4051部原理框图
图中功：
通道线INOUT（425112151413）：该组引脚作输入时实现8选1功作输出时实现1分8功
XCOM（3）：该引脚作输出时公输出端作输入时输入端
ABC（11109）：址引脚
INH（6）：禁止输入引脚INH高电禁止通道输出端OUTIN接INH低电允许通道表32关系输出段OUTIN接通VDD（16）VSS（8）：VDD正电源输入端极限值17VVSS负电源输入端极限值17V
VGG（7）电转换器电源通常接+5V5V
CD4051作8选1功时ABC均逻辑0（INH0）址码00013译码输出端OUTIN通道0接通情况输出端OUTIN输出端OUTIN通道接通关系
表 32
输入状态
接通
通道
输入状态
接通
通道
INH
C
B
A
INH
C
B
A
0
0
0
0
0
0
1
0
1
5
0
0
0
1
1
0
1
1
0
6
0
0
1
0
2
0
1
1
1
7
0
0
1
1
3
1
x
x
x
均显示
0
1
0
0
4
3．2 信号分析处理
3．2．1 AD转换
．AD转换器特点
温度湿度检测电路测出模拟信号转换成数字量送CPU处理系统选双积分AD转换器MC14433精度高分辨率达11999MC14433路输入系统检测路温度湿度信号输入选路选择电子开关输入路模拟量
MC14433 AD 转换器
双积分方法二次积分时间较长AD转换速度慢精度做较高周期信号变化干扰信号积分零抗干扰性较
目前国外双积分AD转换器集成电路芯片部分数字测量仪器常35位双积分AD装换器MC1443345位双积分AD转换器ICL7135
二．MC14433AD转换器件简介
MC14433三位半双积分型AD转换器具精度高抗干扰性优点缺点转换速率低约1—10次秒求高速转换场合例低速数采集系统中广泛采MC14433AD转换器国产品5G14433完全相互换
MC14433AD转换器转换电压量程1999mV1999V转换完数BCD码形式分四次送出（高位输出容特殊详见表33）
图310 MC14433AD转换器部逻辑框图
图311 MC14433引脚图
MC14433 框图（图310）引脚（图311）功说明
引脚功：
电源端
VDD： 工作电源+5V
VEE 模拟部分负电源端接5V
VAG： 模拟端
VSS： 数字端
VR： 基准电压
外界电阻电容端
RI： 积分电阻输入端VX2V时R1470ΩVX200Mv时R127KΩ
C1： 积分电容输入端C1 般01µF
C01C02： 外界补偿电容端电容取值约01µF
R1C1： R1 C1公端
CLKICLKO ： 外界振荡器时钟调节电阻RcRc般取 470 KΩ左右
转换启动结束信号端
EOC：转换结束信号输出端正脉效
DU： 启动新转换DUEOC相连AD转换结束动启动新转换
量程信号输出端
OR ： |Vx|›VR量程OR 输出低电
位选通控制线
DS4DS1： 选择十百千位正脉效
DS1 应千位DS4 应位选通脉宽度18时钟周期两相应脉间间隔2时钟周期
图312 MC14433选通脉时序图
BCD码输出线
Q0Q3： BCD码输出线中Q0低位Q3 高位DS2DS3DS4选通期间输出三位完整BCD码数DS1选通期间输出端Q0Q3 表示位01外表示转化值正负极性欠量程量程含意见表33
表33DS1选通时Q3～Q0表示结果
表知Q3 表示12位Q30应1反应0
Q2 表示极性Q21正极性反负极性
Q01表示超量程：Q30时表示量程Q31时表示欠量程
． MC144338031单片机接口设计
MC14433AD转换结果动态分时输出BCD码Q0～Q3HE DS1～DS4总线式MCS51单片机通行IO接口扩展IO接口相连8031单片机应系统说MC14433直接P1口扩展IO口81558255相连面MC144338031单片机P1口直接相连硬件接口接口电路图313示
图313 MC144338031单片机P1口直接相连硬件接口
3 2 2单片机8031
设计系统采8031单片机作控制芯片前通道中非电信号电量采集程传感器采集非电信号传感器出功率放程信号放模数转换成计算机识数字信号送入计算机系统相应端口
8031中片ROM数存储器满足求扩展27626264达存储器求结果通显示器进行显示输出
3 2 2 1 8031片结构
80318部件组成CPU时钟电路数存储器行口（P0～P3）串行口定时计数器中断系统均单总线连接集成块半导体芯片组成单片微型计算机
8031MCS51系列单片机中种
图 314 8031基组成
CPU中央处理器：
中央处理器8031核心功产生控制信号数存储器输入口送CPUCPU数写入存储器送输出端口数进行逻辑算术运算
时钟电路：
8031部频率12MHZ时钟电路单片机产生时钟序列需外接石英晶体做振荡器微调电容
存：
部存储器分做程序存储器数存储器8031中片程序存储器
定时计数器：
8031两16位定时计数器定时器计数器设置成定时方式计数方式中功定时计数结果计算机进行控制
行IO口：
MCS51四8位行IO口P0P1P2P3实现数行输出
串行口：
全双工串行口实现计算机间单片机外设间通信该行口功较强做全双工异步通讯收发器作步移位器
中断控制系统：
8031五中断源外部中断两定时计数中断两串行中断全部中断分高低两输出级
3 2 2 2 8031引脚图
315 8031引脚图
8031制作工艺HMOS采40脚双列直插DIP封装引脚说明：
VCC（40引脚）正常运行时提供电源
VSS（20引脚）接
XTAL1（19引脚）单片机部反放器输入端该放器构成片震荡器提供单片机时钟信号该引脚接外部晶振引脚采外部振荡器时8031言引脚应该接
XTAL2（18引脚）部接述振荡器反输入端采外部振荡器时 MCS51系列该引脚接收外部震荡信号该信号直接接部时钟输入端
RSTVPD（9引脚）振荡器运行时引脚加两机器周期电单片机复位复位应引脚电保持高05V低电保证8031正常工作掉电时引脚接备电源VDD保持RAM数丢失BVCC低规定值时VPD规定电压范围时VPD部数存储器提供备电源
ALEPROG（30引脚）8031访问外部存储器时包括数存储器程序存储器ALE9址锁存允许0输入脉锁存16位址低8位访问外部存储器时候ALE两周期正脉输出频率振荡器频率16访问外存储器候两周期中ALE出现次ALE断驱动8LS TTL负载片EPROM言EPROM编程期间脚输入编程脉PROG
（29引脚）脚输出 单片机访问外部程序存储器读选通信号读取外部指令期间 PSEN非两次周期效期间访问外部存储器时两效PSEN非出现样引脚驱动8LSTTL负载
VPP（31引脚）保持高电时单片机访问部存储器PC值超0FFFH时动转片外存储器保持低电时访问外部程序存储器8031言脚必须接
P0P1P2P3：8031四行口四行口中输出数数双IO口部8位数输出锁存器8位数输入缓器成SFR中CPU数行IO口输出时锁存数输入时缓功途差异P0P2口部均受控制器控制二选选择电路做通IO口外具特殊功P0口
通常做通IO口CPU传送数P2口做通口外具第功P0口外余三准双口
8031全双工串行口串行口程序CPU8位行数变成串行数位位发送数线发送出串行数接受进变成行数CPU种串行发送接收单独进行时进行
8031 串行发送接收利P3口第二功利P31做串行数接收线串行接口电路结构包括串行口控制寄存器SCON电源波特率选择寄存器PCON串行缓寄存器SBUF属SFRPCONSCON设置串行口工作方式确定数发送接收SBUF存放欲发送数起缓作
3 2 2 3 8031程序存储器
MCS51系列单片机部ROM80514KROM87514K光擦写EPROM采8031没片ROM种型号芯片片外扩展达64K片外程序存储器外部程序存储器扩展满足系统求特殊求升级方便采容量片外程序存储器外接程序存储器时候单片机通P2口P0口输出16位址寻址外部程序存储器单元址ALE作低8位址锁存器信号P0口读回指令代码PSEN非作外部程序存储器选通信号
单片机程序计数器PC始终存着CPU读取机器码址单片机工作时PC动加时程序开始序执行单片机程序 访问空间64K需16条址线接08031片外程序存储器中读取指令时片外程序存储器0000H开始编址8031片程序存储器系统中必须接CPU外部ROM中寻址
程序存储器中六单元特定含义：
0000H单元：单片机复位PC0000H处开始执行指令
0003H单元：外部中断0入口址
000BH单元：定时器0溢出中断入口址
0013H单元：外部中断1入口址
001BH单元：定时器溢出中断入口址
0023H单元：串行口中断入口址
时常入口外安放条绝跳转指令程序跳转拥护安排中断处理程序起始址0000H外执行跳转指令跳转户设计初始程序入口
3 2 2 4 8031数存储器
数存储器存放运算中间结果数暂存缓标志位测程序等功
片128BRAM址00H～7FH供户做RAM中间前32单元00H～1FH引址寻址做户RAM常常做工作寄存器区分做四组组8单元组成通寄存器R0～R7时候中组作前工作寄存器通RS0RS1容决定选择工作寄存器
低128字节中20H～2FH16字节位寻址方式访问位128位址30H～7FH80单元户RAM区作堆栈数缓片RAM够时须扩展片外数存储器时单片机通P2口P0口选出6位址ALE作低8位锁存信号P0口写入读出数写时读时做外部数存储器选通信号
3 2 2 5 特殊功寄存器SFR
803121专寄存器理CPUIO口部逻辑部件指令中专寄存器存储单元方式读写专寄存器名称寻址时做专寄存器址片RAM址相连面专寄存器作简单介绍：
累加器A：绝数情况参运算方存放运算结果
寄存器B：进行运算时寄存器B特定途时存放数积高位A中存放数积低位法时B中存放数余数A中存放数商情况作普通寄存器
堆栈指针SP：子程序调中断时暂存数址先进出原存储数八位寄存器指出堆栈顶部片RAM中位置系统复位SP变成07H堆栈00单元开始
数指针DPTR：两字节组成DPH字址83HDPL82H存放16位二进制数做址
程序状态字PSW：七位表征种标志位意义
C AC FO RS1 RS0 OV P
C：进位标志位表示加减运算时高位进位位加法运算中累加器高位进位CY1否CY0减法时位CY1否CY0执行算术逻辑运算时硬件软件置位清CPU进行移位操作会影响该位
AC：进行加法减法运算时产生低四位高四位进位位时AC置1否清0AC0时加减程中A3没A4进位位否正相反
F0：F0常机器指令执行中形成户根程序需进行设置位确定通软件测试决定户程序流
RS1RS0：8031四8位工作寄存器R0～R7户改变RS1RS0状态决定R0～R7物理址
OV：指示运算否发生溢出机器执行指令动形成机器执行指令程中累加器A超8位OV1否0
P：表示累加器A中值1二进制位奇偶数1’数奇数P1偶数P0串行通信中常奇偶校验数传输结果正确性
3 2 2 6 工作方式
工作方式分做复位掉电低功耗方式等
复位方式
MCS5l系列单片机复位引脚RST(全称RESET)出现2机器周期高电时单片机执行复位操作果RST持续高电单片机处循环复位状态
根应求复位操作通常两种基形式：电复位电开关复位电复位求接通电源动实现复位操作常电复位电路图 (315a)中左图示图中电容C1电阻R1电源十5V说构成微分电路电保持RST段高电时间单片机等效电阻作图中电阻R1达电复位操作功图 (315a)中示电开关复位求电源接通单片机动复位单片机运行期间开关操作单片机复位常电开关复位电路图 (315b)示电电容C3充电反相门作RST持续段时间高电单片机已运行中时复位键K松开RST段时间高电实现电开关复位操作
根实际操作验面出两种复位电路电容电阻参考值
图316 单片机复位电路
图(316a)中：Cl＝1030uFR1＝1kO
图(316b)中：C：＝1uFRl＝lkOR2＝10kO
二掉电低功耗方式
程序运行中系统发生掉电障RAM寄存器中数容丢失丢失珍贵数束手策8031掉电保护先数保存备电源进行供电
3 2 3存储器设计
8031芯片外围电路中必须进行程序存储器扩展根系统需进行数存储器扩展8031程序存储器数存储器均进行0000H～FFFFH64K字节址容效寻址前面已讲8031外扩展存储器时P2作高位址输出P0作低位址输出数线
程序存储器扩展
8031部ROM 扩展程序存储器址0000H～FFFFH考虑系统需8031程序存储器扩展4K EPROM采2764作ROM芯片
程序存储器扩展容量256字节EPROM片址线P0口址存储器提供低8位址外需P2口提供干条址线选8K2764 EPROM址线应该13条系统中扩展片EPROM片选信号EPROM 接程序扩展中选址锁存器74LS373
三态门低电时三态门处导通状态允许Q端输出否高电输出三态门断开输出端外电路呈高阻态里低电时G端高电时锁存器输出输入状态相G高电落低电时输入端1D～8D数锁入1Q～8Q中
2764处读方式均低电效VPP+5V时EPROM处读工作方式：时定址信号决定选中存储器单元信息读出数输出端D0～D7维持方式：高电时VPP+5VEPROM处低功耗方式输出端均高阻态输入关编程方式：VPP加+25V编程电源端跨接01uf电容干扰电压瞬间2764进入编程方式编程8位数行方式送数输出断编程校验
27648031连接图317示
图316 程序存储器扩展
选芯片扩展时考虑满足系统求前提电路简化量选择容量芯片减少芯片组合数量芯片型号选择选满足应环境求芯片型号二数存储器扩展
单片机中128 字节数存储器系统求片RAM满足求户选择扩展片外数存储器进行存储系统采集数根系统数采集求采8K静态RAM6264进行扩展动态RAM相静态RAM须考虑保持数刷新电路扩展电路较简单满足系统求
62648K*8位静态机存储器芯片
采CMOS工艺制作单+5V电源供电额定功耗200mW典型存取时间200ms28线双列直插封装
数存储器扩展程序存储器扩展类似读写控制信号8031相连P0口通74LS373A0～A7相连P20～P24A8～A12相连P27相连P0口D0～D7相连作数线时CE2接+5V电源GND接图318示：
图318数存储器扩展
3 2 4数存储器掉电保护
单片机系统RAM数非常容易丢失特珍贵科研数旦丢失果堪设想掉电保护必须做旦电源发生掉电现象掉电瞬间系统动保护RAM中数系统运行状态电源恢复正常供电恢复掉电前工作状态
3 2 5系统时钟设计
时钟电路产生8031单片机工作时必须时钟信号8031身复杂步时序电路保证工作方式实现8031唯时钟信号控制严格时序执行指令进行工作 时钟频率影响单片机速度稳定性通常时钟两种形式：部时钟外部时钟
系统采部时钟方式系统提供时钟信号8031部构成振荡器高增益反放器该放器输入输出引脚XTAL1XTAL2跨接晶体振荡器微调电容便构成激励振荡器
电路中C1C2选择30PF左右电容太会影响振荡频率稳定性快速性晶振频率12MHZ～12MHZ间频率越高单片机速度越快存储器速度求高提高稳定性采温度稳定性NPO电容采晶振频率12MHZ
图319系统时钟
3 3 显示报警设计
3 3 1 显示电路
单片机应系统设计中般键盘显示器放起考虑设计利8031串行口实现键盘显示器接口
8031串行口未作时8031串行口外扩键盘显示器应8031串行口方式0输出方式串行口外接移位寄存器74LS164构成键盘显示器接口硬件接口电路图320示：
图320 键盘显示机硬件接口
图中边874LS164：74LS164（0）～74LS164（7）作8位段码输出口74LS138Y0作键输入线Y2作步脉输出控制线种静态显示方式亮度容易作显示闪烁静态显示优点CPU必频繁显示服务程序必扫描显示器软件设计较简单单片机更时间处理事务
3 3 2 报警电路
微型计算机控制系统中安全生产重参数系统部位设紧急状态报警系统便提醒操作员注意采取紧急措施方法计算机采集数记计算机进行数处理数字滤波标度变换该参数限定值进行较果高限值（低限值）进行报警否作采样正常值进行显示控制
设计采峰鸣音报警电路峰鸣音报警接口电路设计需购买市售压电式蜂鸣器然通MCS511根口线驱动器驱动蜂鸣音发声压电式蜂鸣器约需10mA驱动电流TTL系列集成电路74067407低电驱动晶体三极驱动图中P32接晶体基极输入端P32输出高电1时晶体导通压电蜂鸣器两端获约+5V电压鸣P32输出低电0时三极截止蜂鸣器停止发声
图321简单三极驱动峰鸣音报警电路：
图321 三极驱动峰鸣音报警电路
设计温湿度测量中温湿度限超出提示报警接口位单片机AT89C51P32口温湿度限时P32口置0系统开始工作
1 系统方案
图系统硬件系统结构图：
图1 硬件系统结构图
图系统软件系统结构图：
图2软件系统结构图
2 系统硬件设计
31控设计：
采STM32103VET6作控MCU设计开发板兼USB转TTL载功JLINK调试接口供电模块RS232通信接口
载电路部分：
32传感器设计
传感器需外围器件较少直接购买相关成品模块缩短开发周期部分模块原理图进行分析该基础进行程序开发系统调试
321MQ系列气体传感器
根室空气质量标准（GB 18883—2002）中国家标准值改变MQ模块变阻器调节报警阈值检测害气体超标时够时报警
面该产品MQ2MQ7MQ135气体传感器模块硬件原理图：
模块监测测气体浓度达设置安全阈值时out引脚输出低电点亮发光二极进行报警
322 PM25传感器
光学灰尘传感器（GP2Y1010AU0F）检测非常细颗粒香烟烟雾特效该装置中红外发光二极光电晶体角布置成允许检测空气中灰尘反射光该传感器具极低电流消耗（20mA11毫安典型）搭载高达7VDC传感器输出模拟电压正测粉尘浓度敏感性05V01mgm3原理：传感器中心洞空气流定发射LED光通检测空气中灰尘折射光线判断灰尘含量
323 OLED显示
采中景园096寸OLED显示模块
利MCUSPI方式OLED模块进行控制通讯
324 DHT22温湿度采集
DHT22数字温湿度传感器款含已校准数字信号输出温湿度复合传感器感器包括电容式感湿元件NTC测温元件高性8位单片机相连接该产品具品质卓越超快响应抗干扰力强性价极高等优点温度测量范围40度80度精度正负05度完全满足现实需
325 WIFI发射位机显示
线WIFI传输模块采ESP8266芯片作传输芯片芯片部集成32位CPU作WIFI协议处理器作应处理器频支持80MHz160MHz两种频率支持80111 bgn 24G~25G具SDIO20 HSPISPIUARTI2CI2SHW IR RemotePWMGPIO等丰富外设开发者采官方提供SDK开发者相应固件通处理器进行控制
位机软件实现网络远程状态显示报警
3 系统软件设计
系统软件设计单片机程序设计程序流程图图41
图41程序流程图
系统电首先进行外设模块初始化工作相应控制引脚相应功设置然WIFI模块PC端进行连接程模块说明手册进行相应指令设置终实现PC端软件TCPIP连接停检测传感器否存假传感器存通WIFI进行相关警告信息传输果检测传感器设备存通WIFI检测结果传输PC端根相应检测结果否超安全阈值进行相应报警指示
4 系统创新
（1） 扩展性：作智家居环境监测系统智家居控制系统提供执行动作参考
（2） 低成：系统采低成MQ系列半导体气体传感器提供安全阈值报警功做实时气体浓度显示样满足功需节约成
（3） 灵活性：模块相互独立根需进行取舍：厨房温湿度检测MQ2MQ7检测液化气体否泄露样设计充分考虑实际需实际操作灵活性
5 评测结
次测试系统正常报警正常显示采集温湿度PM25浓度空气质量状况天气预报值基致
附录
总结体会
三周单片机课程设计终完成数字温度计设计然没完全达设计求心底里说高兴毕竟次设计实物做出高兴余深思呀
次设计程中发现问题然前做样设计次设计真长进单片机课程设计重点软件算法设计需巧妙程序算法然前写次程序觉写程序件简单事举例子前写次数加减时BCD码次全部16进制数直接加减显示处理时法删分感觉效果较东西试着做真正掌握学理东西难理解更谈掌握
次课程设计中真真正正意识学中理联系实际学理知识实际中学单机片机更程序常写读程中提高次课程设计中收获
参考文献
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[17]孙涵芳MCS5196系列单片机原理应北京：北京航空航天学出版社1996
致 谢
文王锦导师悉心指导完成文选题方案证系统研究开发文审阅定稿等整程中王老师予精心指导王老师知识渊博思维敏捷勇创新科研认真负责态度忘工作精神值学谨王导师表示衷心感谢
完成毕业设计期间位老师指导帮助提出宝贵意见表示感谢
帮助学朋友家表示诚挚谢意
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题 目： 家居环境监测系统
视频观址：
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关键词： STM32 空气质量 PM25 智家居 环境监测
摘
着社会断进步发展生活水提升生活环境安全性性求日益增强前城市PM25值高居室空气造成严重污染针现空气质量监测产品价格昂贵功单专性强现状智移动装置设备性跨越性发展流媒体技术视频压缩技术日渐成熟4GWIFI等网络覆盖面积日俱增智家居监控系统飞跃性发展
文室空气监测切入点重点研究室空气质量监测改善便携式监测器拥舒适室生活环境提供保障
课题首先室空气质量监测器功需求做具体分析提出系统总体设计方案根需求分析进行：硫化物吸入颗粒物氧化碳苯液化气等等温湿度传感器选型显示模块电源模块等电路设计完成系统硬件开发维持适宜居住范围外开发出相应手机APP通串口转W iFi模块实现监测数手机客户端实时显示实验表明该系统运行灵敏度高实现室空气质量实时监测视化显示功智家居领域具应前景
功模块单位进行基STM32室空气质量监测器整体测试测试结果进行分析功测量精度 严格系统测试系统项指标达预期设计目标
该仪器包括：MQ2传感器模块MQ7传感器模块MQ135传感器模块PM25传感器（GP2Y1010AU0F）模块STM32F103VET6模块温湿度检测模块液晶显示声光报警模块OLED显示模块电源模块WIFI模块等组成采OLED显示WIFI发射PC位机显示传感器报警值根室空气质量标准（GB 18883—2002）中国家标准值设定报警
关键词：室环境RS485STM32线传输
Abstract
11课题背景意义
着社会进步科技快速发展工作生活居住环境求越越高社会信息化福度发展天生活工作通信信息关系日益紧密信息化高速发展改变工作惯时传统家庭住宅安全
办公环境需求提出挑战家庭住型单位办公环境智化成选择区企事业单位重标准安全需求更越越成购卖高档住宅区入住早级社区时首求种安全感仅体现舒适住房优关生活环境体现提供安全保障技术措施放心程度建立套技术先
进性稳定安全防范系统正满足种普遍心理需然成房产新热点安全口防范手段通防范手段达实现安全目安全防范基涵伴着信息通信技术高速发展智硬件设备性提升迅速普加两者互联网技术融合便捷化信息产品充斥工作
生活角落里样产品已成家日常生活必备品越越深刻改变生活居住方式生活中层面体现
智家居网络区传统网络简单理控制网络中融合新理控制通嵌入式技术计算机技术传感器技术网络通信技术整体居住环境进行构建通接入工ntonet网络传统家电器外界进行交流外界住宅环境进行远程监控调节提升家居环境安全性便利性舒适性
进步实现环保节家居环境
智家居系统提供许便利居家生活工作提供舒适安全保障
12课题研究现状
121国发展现状
智家庭居住环境概念约1994年进入国发展想象中利
1994年1999年期间概念熟悉阶段国方面处产品相关概念功熟悉阶段时国没智家庭居住环境方面生产设计公司仅少数代理国外产品销售公司
2000年2005年期间国先成立十家智家庭居住环境方面研发生产公司部分珠三角长三角区域国市场相关方面技术阶段慢慢发展起
2005年2007年期间企业分追求效益加竞争力智家居标准统等原许厂家智家庭居住环境描述切实际户产品非常满意纷纷投诉产品智家庭居住环境市场遭受严重击种恶性竞争环境中少厂商退出市场坚持厂商缩减规模
2011年房产行业调控智家居市场明显增长势头面年里智家庭居住环境市场呈现出非常快速发展现象时协议标准方面开始互通融合家电巨头纷纷开始布局智家居
2014年传统家电厂商均已智家居行业涉足行业中呈现出传统电器厂商新兴手机互联网厂商合作2014年12月份米美集口达成战略合作年年底海尔恒集团签订相关方面合作协议厂商强强联合更
加剧智家庭居住环境市场竞争关智家居话题断登新闻头条2015年春节期间量中国游客日抢购马捅盖电饭锅等时间红遍网络
智家庭居住环境中国十年发展方面中国智家居市场潜着十分巨商机年智家居系统销售数量销售总额呈现连续攀升势头智家居市场已海区辐射城市西部区外2011年国出台物联网十二五规划智家居列入国家重点发展扶持象
巨年国家十分鼓励商家资投资智家庭居住环境市场方面年两会议题面米CEO雷军次提智家庭居住方面相信国智家庭居住环境市场会迎健康积极成长阶段
12国外发展现状
1984年第幢智建筑美国出现美国欧洲加等济较发达国家先提出种智家居方案卿智家居没长足进步原
第没统标准长段时间里没统标准出现
第二没知名品牌国际知名电器厂商法独立完成样项巨务互联网电子厂商家居方面更缺乏研发验
第三高昂成目前成套智家庭居住环境设计实现资金普通家庭支付起
国际没关智家庭居住方面统标准企业围绕智家庭居住环境竞争基成阵营目前智家居标准争达顶峰越越电器互联网电子巨头加入AllSeen联盟
市场越越激烈需求竞争环境断出现传统电器巨商电子互联网公司联盟合2014年初Google收购托尼法德尔创办智家庭居住公司Nest Labs年苹果推出Homekit智家居应台更吸引PHILIPS凯特安海尔等全球顶级企业加入时2014年称智家居发展创始年
123智家居发展趋势
智家庭居住环境行业目前处高速成长阶段成长发展速度估量整应包括硬件台传输系统软件系统等发展围绕方面进行改进
第专芯片出现
目前市场智家居采硬件台基通MCU着硬件台成熟市场会迫切求专芯片提高处理力减少开发成
第二传输方式维化统化
目前应智家庭环境系统传输方式ZigBee太网24Ghz蓝牙等种传输方式特点距离通ZifBee方式稍远距离通太网方式等许会出现种功耗传输速率距离等方面协调发展种通信方式
第三系统台样化
目前名台AppleHomekit智家居台久前结束海家博会海尔展示支持HomeKit台空调时IT互联网公司退出台
第四标准统化
智家居行业目前止直没统标准正导致智家居市场鱼龙混杂年全国民代表会米CEO雷军表示制定标准容易难执行说明智家庭环境行业标准制定关键时刻
第五功样化生态化
现技术知识应型家电面会家庭中方面实现功性控制安全监控方面智环境控制方面远程抄表方面等
13文研究容组织结构
131文研究容
文研究家庭环境中温度湿度烟雾浓度控制系统设计实现系统够实时监测控制环境参数文研究容包括
系统整体方案设计确定底层采集模块控器通信方式控器位机间通信方式
系统硬件设计底层集采器原理图PCB实现控器设计(基sTM32开发板二次开发)
系统软件设计包括采集器控器部分位机实现硬件部分够正常工作
位机软件设计实现户够实时观察采集信息设置控制信息界面
整体实现调试系统整体框架流程设计设计具体实现完成系统硬件台软件台进行调试分析
132文组织结构
文具体结构安排
第章绪章节述课题背景源概述智家庭环境居住系统起源前国国外发展现状未发展方作简分析预测文工作文组织作简阐述
第二章系统方案设计通系统求设计出系统整体框图整系统作简单介绍
第三章系统硬件设计包括采集电路控电路控制电路线模块硬件电路分析子电路功介绍芯片选型说明
第四章系统软件设计分采集器控器位机中模块程序功作概述核心部分程序进行详细分析
第五章系统调试包括调试程中硬件测试软件功调试程中遇种问题分析解决等
第六章总结展
第二章系统方案设计
21系统功求概述
文需设计出套够检测控制室环境参数系统该系统应够时准确采集室坏境中温度湿度烟雾浓度
等参数信息通通信网络实时传送位机户够通交互界面识信息行设置控制范围控制室环境中参数
22系统模块功介绍
采集器通三模块分实现室温度湿度烟雾浓度等参数采集处理分采集信息通RS485通信网络传输控器烟雾浓度采集通MCUADC功直接传感器输出模拟量进行采集转换需三进制数值湿度温度采集通传感器单总线通信方式分DS18B20DHT11数字信号进行读取需参数终三采集模
块Rs485通信模块相联控器形成RS485组网物理拓扑
控器接通RS485组网通信方式分收底层采集种室环境参数信息信息通串口通信方式传输线发收模块继传输PC机终端时接收PC机传输控制命令PC机传送指令执行控制功
线收发器作数传输中转站解决室距离线通信
避免传输数传输程中丢失
位机软件设计出户交互界面户够实时观察室环境参数范困够设定调控范围
第三章系统硬件设计
通整体求实现功进行分析文整设计部分划分三相互联系部分分底层采集部分中间控器部分控制部分线收发器部分面根部分具体特性整硬件部分电路作详细介绍
31采集电路设计
311采集电路设计框图
采集模块整系统底层部分系统中位置五官样系统获知种信息参数源头实现室温度湿度烟雾浓度等信息进行采集显示通RS485通信方式传输控器中功根底
层求实现相关功采集模块部分应包含部分
系统够采集模块运行基求部分包含系统供电电源电路系统提供震荡品振电路重启系统高电复位电路等
采集电路MCuDsl 8B20DHT 11MQ2烟雾浓度等传感器相连接电路信号简单处理力电路
显示电路文中LCD 1 602作显示部分起辅助调试作
RS485通信电路底层采集模块采集信息参数通RS485通信电路信息传输控器模块
采集模块电路方框图图3甲1示
321MQ系列气体传感器
根室空气质量标准（GB 18883—2002）中国家标准值改变MQ模块变阻器调节报警阈值检测害气体超标时够时报警
面该产品MQ2MQ7MQ135气体传感器模块硬件原理图：
模块监测测气体浓度达设置安全阈值时out引脚输出低电点亮发光二极进行报警
322 PM25传感器
光学灰尘传感器（GP2Y1010AU0F）检测非常细颗粒香烟烟雾特效该装置中红外发光二极光电晶体角布置成允许检测空气中灰尘反射光该传感器具极低电流消耗（20mA11毫安典型）搭载高达7VDC传感器输出模拟电压正测粉尘浓度敏感性05V01mgm3原理：传感器中心洞
空气流定发射LED光通检测空气中灰尘折射光线判断灰尘含量
323 OLED显示
采中景园096寸OLED显示模块
利MCUSPI方式OLED模块进行控制通讯
324 DHT22温湿度采集
DHT22数字温湿度传感器款含已校准数字信号输出温湿度复合传感器感器包括电容式感湿元件NTC测温元件高性8位单片机相连接该产品具品质卓越超快响应抗干扰力强性价极高等优点温度测量范围40度80度精度正负05度完全满足现实需
325 WIFI发射位机显示
线WIFI传输模块采ESP8266芯片作传输芯片芯片部集成32位CPU作WIFI协议处理器作应处理器频支持80MHz160MHz两种频率支持80111 bgn 24G~25G具SDIO20 HSPISPIUARTI2CI2SHW IR RemotePWMGPIO等丰富外设开发者采官方提供SDK开发者相应固件通处理器进行控制
位机软件实现网络远程状态显示报警
第二章 方案较证
单片机作测控系统时系统总测信号懂输入通道计算机拾取必输入信息测量系统言准确获测信号核心务测控系统讲控象状态测试控制条件监察缺少环节
传感器实现测量控制首环节测控系统关键部件果没传感器原始测信号进行准确捕捉转换切准确测量控制法实现工业生产程动化测量控制种传感器检测控制生产程中种参量设备系统正常运行佳状态保证生产高效率高质量
2 1温度传感器选择
方案：采热电阻温度传感器热电阻利导体电阻温度变化特性制成测温元件现应较铂铜镍等热电阻特点精度高测量范围便远距离测量
铂物理化学性极稳定耐氧化力强易提纯复制性工业性电阻率较高铂电阻工业检测中高精密测温温度标准缺点价格贵温度系数受磁场影响原介质中易玷污变脆IEC标准测温范围200～650℃百度电阻W（100）13850时R0100Ω10Ω允许测量误差A级±（015℃+0002 |t|）B级±（03℃+0005 |t|）
铜电阻温度系数铂电阻价格低易提纯加工电阻率腐蚀性介质中稳定性差工业中50～180℃测温
方案二：采DHT22DHT22数字温湿度传感器款含已校准数字信号输出温湿度复合传感器应专数字模块采集技术温湿度传感技术确保产品具极高性卓越长期稳定性传感器包括电容式感湿元件NTC测温元件高性8位单片机相连接该产品具品质卓越超快响应抗干扰力强性价极高等优点单线制串行接口系统集成变简易快捷超体积极低功耗信号传输距离达20米成类应甚苛刻应场合佳选产品连接方便直接插接Arduino传感器扩展板DHT22数字温湿度传感器精度较高代昂贵进口SHT10温湿度传感器环境温度湿度测量求较高情况该产品具极高性出色稳定性
Arduino专传感器扩展板结合非常容易实现温度湿度感知相关互动效果
综合较方案方案二方案二更适合设计系统温度传感器选择
2 2 湿度传感器选择
测量空气湿度方式原理根某种物质周围空气吸收水分引起物理化学性质变化间接获该物质吸水量周围空气湿度电容式电阻式湿涨式湿敏原件分根高分子材料吸湿介电常数电阻率体积发生变化进行湿度测量
方案：采HOS201湿敏传感器HOS201湿敏传感器高湿度开关传感器工作电压交流1V频率50HZ～1KHZ测量湿度范围0～100RH工作温度范围0～50℃阻抗75RH（25℃）时1MΩ种传感器原开关传感器宽频带范围检测湿度判断规定值湿度电然种传感器限定范围时具良线性效利线性特性
方案二：采HS1100HS1101湿度传感器HS1100HS1101电容传感器电路构成中等效电容器件电容量着测空气湿度增增需校准完全互换性高性长期稳定性快速响应时间专利设计固态聚合物结构顶端接触（HS1100）侧面接触（HS1101）两种封装产品适线性电压输出频率输出两种电路适宜制造流水线动插件动装配程等
相湿度1100RH范围电容量16pF变200pF误差±2RH响应时间5S温度系数004 pF℃见精度较高
综合较方案方案二方案然满足精度测量湿度范围求限定范围时具良线性效利线性特性具备设计系统中温度30～50℃求选择方案二作设计湿度传感器
2 3 信号采集通道选择
设计系统中温度输入信号8路模拟信号需通道结构
方案采路行模拟量输入通道
种结构模拟量通道特点：
（1） 根输入量测量求选择性档次器件总体成作较低
（2） 硬件复杂障率高
（3） 软件简单通道独立编程
方案二采路分时模拟量输入通道
种结构模拟量通道特点：
（1） ADCSH求高
（2） 处理速度慢
（3） 硬件简单成低
（4） 软件较复杂
综合较方案方案二方案二更适合设计系统模拟量输入求较框图方案二更具备硬件简单突出优点选择方案二作信号输入通道
图21路行模拟量输入通道
图22路分时模拟量输入通道
第三章 系统总体设计
设计基单片机数字信号高敏感控性温湿度传感器产生模拟信号AD模拟数字转换芯片性设计8031基系统核心套检测系统中包括AD转换单片机复位电路温度检测湿度检测键盘显示报警电路系统软件等部分设计
图31 系统总体框图
设计信号采集信号分析信号处理三部分组成
（） 信号采集 AD590HS1100路开关CD4051组成
（二） 信号分析 AD转换器MC14433单片机8031基系统组成
（三） 信号处理 串行口LED显示器报警系统等组成
3．1 信号采集
3．1．1 温度传感器
集成温度传感器AD590 美国模拟器件公司生产集成两端感温电流源
． 特性
AD590电流型温度传感器通电流测量需温度值根特性分挡AD590缀IJKLM表示AD590LAD590M般精密温度测量电路电路外形图32示采金属壳3脚封装中1脚电源正端V＋2脚电流输出端I03脚壳般集成温度传感器电路符号图32示
图32 AD590外形（图1）电路符号（图2）
1流器件电流（μA）等器件处环境热力学温度（开尔文）度数：
I TT1μA K
式中：IT—— 流器件（AD590）电流单位μA
T——热力学温度单位K
2 AD590测温范围55℃ +150℃
3 AD590电源电压范围4V30V电源电压4V6V范围变化电流IT变化1μA相温度变化1KAD590承受44V正电压20V反电压器件反接会损坏
4输出电阻710MΩ
5精度高AD590IJKLM五档中M档精度高55℃～+150℃范围非线形误差±03℃
2 AD590工作原理
测温度定时AD590相恒流源5～30V直流电源相连输出端串接1kΩ恒值电阻电阻流电流测温度成正时电阻两端会1mV／K电压信号基电路图33示
图33 AD590部核心电路
图33利ΔUBE特性集成PN结传感器感温部分核心电路中T1T2起恒流作左右两支路集电极电流I1I2相等T3T4感温晶体两材质工艺完全相T3实质n晶体联成结面积T4n倍T3T4发射结电压UBE3UBE4反极性串联加电阻RR端电压ΔUBE电流I1：
I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R
AD590n＝8样电路总电流热力学温度T成正电流引负载电阻RL便T成正输出电压利恒流特性
输出信号受电源电压导线电阻影响图3中电阻R硅板形成薄膜电阻该电阻已激光修正电阻值基准温度1μA／KI值
图34 AD590部电路
图34示AD590部电路图中T1～T4相图33中T1T2T9T11相图33中T3T4R5R6薄膜工艺制成低温度系数电阻供出厂前调整T7T8T10称Wilson电路提高阻抗T5T12T10启动电路中T5恒定偏置二极
T6防止电源反接时损坏电路时左右两支路称R1R2发射极反馈电阻进步提高阻抗T1～T4热效应设计连接防式C1R4防止寄生振荡该电路设计T9T10T11三者发射极电流相等整电路总电流I1／3T9T11发射结面积8：1T10T11发射结面积相等
T9T11发射结电压互相反极性串联加电阻R5R6写出：
ΔUBE＝（R6－2 R5）I／3
R6T9发射极电流R5T10发射极电流外T11发射极电流R5压降R52／3
根式难出想改变ΔUBE调整R5调整R6增R5效果减R6样结果会ΔUBE减改变R5ΔUBE
影响更显著前面系数较实际利激光修正R5进行粗调修正R6实现细调终250℃总电流I达1μA／K
二． 基应电路
图38AD590测量热力学温度基应电路流AD590电流热力学温度成正电阻R1电位器R2电阻1kΩ时输出电压V0温度变化1mVKAD590增益偏差电阻偏差应电路进行调整调整方法：AD590放冰水混合物中调整电位器R2V02732+252982（mV）样调整保证0℃25℃附较高精度
图35 AD590应电路
三． 摄氏温度测量电路
图35示电位器R2调整零点R4调整运放LF355增益调整方法：0℃时调整R2输出V00然100℃时调整R4V0100mV反复调整次直0℃时V00mV100℃时V0100mV止室温进行校验例室温25℃V0应25mV冰水混合物0℃环境沸水100℃环境
四路检测信号实现
设计系统八路温度信号采集MC14433仅路输入采CD4051组成路分时模拟量信号采集电路硬件接口图36示
图36八路分时模拟量信号采集电路硬件接口
3 1 2 湿度传感器
测量空气湿度方式原理根某种物质周围空气吸收水分引起物理化学性质变化间接获该物质吸水量周围空气湿度电容式电阻式湿涨式湿敏原件分根高分子材料吸湿介电常数电阻率体积发生变化进行湿度测量面 介绍HS1100HS1101湿度传感器应
特点
需校准完全互换性高性长期稳定性快速响应时间专利设计固态聚合物结构顶端接触（HS1100）侧面接触（HS1101）两种封装产品适线性电压输出频率输出两种电路适宜制造流水线动插件动装配程等
图37a湿敏电容工作温湿度范围图37b湿度电容响应曲线
图37a湿敏电容工作温湿度范围 图37b湿度电容响应曲线
相湿度1100RH范围电容量16pF变200pF误差±2RH响应时间5S温度系数004 pF℃见精度较高
二湿度测量电路
HS1100HS1101电容传感器电路构成中等效电容器件电容量着测空气湿度增增电容变化量准确转变计算机易接受信号常两种方法：该湿敏电容置运方租蓉组成桥式振荡电路中产生正弦波电压信号整流直流放AD转换数字信号种该湿敏电容置555振荡电路中电容值变化转成反电压频率信号直接计算机采集
频率输出555测量振荡电路图37示集成定时器555芯片外接电阻R4R2湿敏电容C构成C充电回路7端通芯片部晶体短路构成C放电回路引脚26端相连引入片较器便成典型谐振荡器方波发生器外R3 防止输出短路保护电阻R1 衡温度系数
图37频率输出555振荡电路
该振荡电路两暂稳态交程：首先电源Vs通R4R2 C充电t充电时间Uc达芯片较器高触发电约067Vs时输出引脚3端高电突降低电然通R2放电t放电时间Uc降较器低触发电约033Vs
时输出时输出引脚3端低电突降高电翻覆形成方波输出中充放电时间
t充电C（R4+R2）Ln2
t放电CR2 Ln2
输出方波频率
f1(t放电+t充电)1[ C（R4+R2）Ln2]
见空气湿度通555测量电路转变呈反频率信号表31出中组典型测试值
表31空气湿度电压频率典型值
三路检测信号实现
设计系统八路湿度信号采集采CD4051组成路分时模拟量信号采集电路硬件接口图38示
图38八路分时模拟量信号采集电路硬件接口
3．1．3 路开关
路开关称路模拟转换器路开关通常n模拟量输入通道公模拟输入端通址线址信号n通道中通道输入模拟信号输出实现n线线接通功反模拟信号公输出端输入时 作信号分离器实现1线n线分离功路开关通常种具双力器件
设计中采温湿度双量控制信号采集中两模拟量提取时选路开关必
选CD4051路开关种单片COMS8通道开关该芯片DTLTTLCOMS电转换器带禁止端8选1译码器输入分加控制8COMS模拟开关TG组成CD4051部原理框图图39示
图39CD4051部原理框图
图中功：
通道线INOUT（425112151413）：该组引脚作输入时实现8选1功作输出时实现1分8功
XCOM（3）：该引脚作输出时公输出端作输入时输入端
ABC（11109）：址引脚
INH（6）：禁止输入引脚INH高电禁止通道输出端OUTIN接INH低电允许通道表32关系输出段OUTIN接通VDD（16）VSS（8）：VDD正电源输入端极限值17VVSS负电源输入端极限值17V
VGG（7）电转换器电源通常接+5V5V
CD4051作8选1功时ABC均逻辑0（INH0）址码00013译码输出端OUTIN通道0接通情况输出端OUTIN输出端OUTIN通道接通关系
表 32
输入状态
接通
通道
输入状态
接通
通道
INH
C
B
A
INH
C
B
A
0
0
0
0
0
0
1
0
1
5
0
0
0
1
1
0
1
1
0
6
0
0
1
0
2
0
1
1
1
7
0
0
1
1
3
1
x
x
x
均显示
0
1
0
0
4
3．2 信号分析处理
3．2．1 AD转换
．AD转换器特点
温度湿度检测电路测出模拟信号转换成数字量送CPU处理系统选双积分AD转换器MC14433精度高分辨率达11999MC14433路输入系统检测路温度湿度信号输入选路选择电子开关输入路模拟量
MC14433 AD 转换器
双积分方法二次积分时间较长AD转换速度慢精度做较高周期信号变化干扰信号积分零抗干扰性较
目前国外双积分AD转换器集成电路芯片部分数字测量仪器常35位双积分AD装换器MC1443345位双积分AD转换器ICL7135
二．MC14433AD转换器件简介
MC14433三位半双积分型AD转换器具精度高抗干扰性优点缺点转换速率低约1—10次秒求高速转换场合例低速数采集系统中广泛采MC14433AD转换器国产品5G14433完全相互换
MC14433AD转换器转换电压量程1999mV1999V转换完数BCD码形式分四次送出（高位输出容特殊详见表33）
图310 MC14433AD转换器部逻辑框图
图311 MC14433引脚图
MC14433 框图（图310）引脚（图311）功说明
引脚功：
电源端
VDD： 工作电源+5V
VEE 模拟部分负电源端接5V
VAG： 模拟端
VSS： 数字端
VR： 基准电压
外界电阻电容端
RI： 积分电阻输入端VX2V时R1470ΩVX200Mv时R127KΩ
C1： 积分电容输入端C1 般01µF
C01C02： 外界补偿电容端电容取值约01µF
R1C1： R1 C1公端
CLKICLKO ： 外界振荡器时钟调节电阻RcRc般取 470 KΩ左右
转换启动结束信号端
EOC：转换结束信号输出端正脉效
DU： 启动新转换DUEOC相连AD转换结束动启动新转换
量程信号输出端
OR ： |Vx|›VR量程OR 输出低电
位选通控制线
DS4DS1： 选择十百千位正脉效
DS1 应千位DS4 应位选通脉宽度18时钟周期两相应脉间间隔2时钟周期
图312 MC14433选通脉时序图
BCD码输出线
Q0Q3： BCD码输出线中Q0低位Q3 高位DS2DS3DS4选通期间输出三位完整BCD码数DS1选通期间输出端Q0Q3 表示位01外表示转化值正负极性欠量程量程含意见表33
表33DS1选通时Q3～Q0表示结果
表知Q3 表示12位Q30应1反应0
Q2 表示极性Q21正极性反负极性
Q01表示超量程：Q30时表示量程Q31时表示欠量程
． MC144338031单片机接口设计
MC14433AD转换结果动态分时输出BCD码Q0～Q3HE DS1～DS4总线式MCS51单片机通行IO接口扩展IO接口相连8031单片机应系统说MC14433直接P1口扩展IO口81558255相连面MC144338031单片机P1口直接相连硬件接口接口电路图313示
图313 MC144338031单片机P1口直接相连硬件接口
3 2 2单片机8031
设计系统采8031单片机作控制芯片前通道中非电信号电量采集程传感器采集非电信号传感器出功率放程信号放模数转换成计算机识数字信号送入计算机系统相应端口
8031中片ROM数存储器满足求扩展27626264达存储器求结果通显示器进行显示输出
3 2 2 1 8031片结构
80318部件组成CPU时钟电路数存储器行口（P0～P3）串行口定时计数器中断系统均单总线连接集成块半导体芯片组成单片微型计算机
8031MCS51系列单片机中种
图 314 8031基组成
CPU中央处理器：
中央处理器8031核心功产生控制信号数存储器输入口送CPUCPU数写入存储器送输出端口数进行逻辑算术运算
时钟电路：
8031部频率12MHZ时钟电路单片机产生时钟序列需外接石英晶体做振荡器微调电容
存：
部存储器分做程序存储器数存储器8031中片程序存储器
定时计数器：
8031两16位定时计数器定时器计数器设置成定时方式计数方式中功定时计数结果计算机进行控制
行IO口：
MCS51四8位行IO口P0P1P2P3实现数行输出
串行口：
全双工串行口实现计算机间单片机外设间通信该行口功较强做全双工异步通讯收发器作步移位器
中断控制系统：
8031五中断源外部中断两定时计数中断两串行中断全部中断分高低两输出级
3 2 2 2 8031引脚图
315 8031引脚图
8031制作工艺HMOS采40脚双列直插DIP封装引脚说明：
VCC（40引脚）正常运行时提供电源
VSS（20引脚）接
XTAL1（19引脚）单片机部反放器输入端该放器构成片震荡器提供单片机时钟信号该引脚接外部晶振引脚采外部振荡器时8031言引脚应该接
XTAL2（18引脚）部接述振荡器反输入端采外部振荡器时 MCS51系列该引脚接收外部震荡信号该信号直接接部时钟输入端
RSTVPD（9引脚）振荡器运行时引脚加两机器周期电单片机复位复位应引脚电保持高05V低电保证8031正常工作掉电时引脚接备电源VDD保持RAM数丢失BVCC低规定值时VPD规定电压范围时VPD部数存储器提供备电源
ALEPROG（30引脚）8031访问外部存储器时包括数存储器程序存储器ALE9址锁存允许0输入脉锁存16位址低8位访问外部存储器时候ALE两周期正脉输出频率振荡器频率16访问外存储器候两周期中ALE出现次ALE断驱动8LS TTL负载片EPROM言EPROM编程期间脚输入编程脉PROG
（29引脚）脚输出 单片机访问外部程序存储器读选通信号读取外部指令期间 PSEN非两次周期效期间访问外部存储器时两效PSEN非出现样引脚驱动8LSTTL负载
VPP（31引脚）保持高电时单片机访问部存储器PC值超0FFFH时动转片外存储器保持低电时访问外部程序存储器8031言脚必须接
P0P1P2P3：8031四行口四行口中输出数数双IO口部8位数输出锁存器8位数输入缓器成SFR中CPU数行IO口输出时锁存数输入时缓功途差异P0P2口部均受控制器控制二选选择电路做通IO口外具特殊功P0口
通常做通IO口CPU传送数P2口做通口外具第功P0口外余三准双口
8031全双工串行口串行口程序CPU8位行数变成串行数位位发送数线发送出串行数接受进变成行数CPU种串行发送接收单独进行时进行
8031 串行发送接收利P3口第二功利P31做串行数接收线串行接口电路结构包括串行口控制寄存器SCON电源波特率选择寄存器PCON串行缓寄存器SBUF属SFRPCONSCON设置串行口工作方式确定数发送接收SBUF存放欲发送数起缓作
3 2 2 3 8031程序存储器
MCS51系列单片机部ROM80514KROM87514K光擦写EPROM采8031没片ROM种型号芯片片外扩展达64K片外程序存储器外部程序存储器扩展满足系统求特殊求升级方便采容量片外程序存储器外接程序存储器时候单片机通P2口P0口输出16位址寻址外部程序存储器单元址ALE作低8位址锁存器信号P0口读回指令代码PSEN非作外部程序存储器选通信号
单片机程序计数器PC始终存着CPU读取机器码址单片机工作时PC动加时程序开始序执行单片机程序 访问空间64K需16条址线接08031片外程序存储器中读取指令时片外程序存储器0000H开始编址8031片程序存储器系统中必须接CPU外部ROM中寻址
程序存储器中六单元特定含义：
0000H单元：单片机复位PC0000H处开始执行指令
0003H单元：外部中断0入口址
000BH单元：定时器0溢出中断入口址
0013H单元：外部中断1入口址
001BH单元：定时器溢出中断入口址
0023H单元：串行口中断入口址
时常入口外安放条绝跳转指令程序跳转拥护安排中断处理程序起始址0000H外执行跳转指令跳转户设计初始程序入口
3 2 2 4 8031数存储器
数存储器存放运算中间结果数暂存缓标志位测程序等功
片128BRAM址00H～7FH供户做RAM中间前32单元00H～1FH引址寻址做户RAM常常做工作寄存器区分做四组组8单元组成通寄存器R0～R7时候中组作前工作寄存器通RS0RS1容决定选择工作寄存器
低128字节中20H～2FH16字节位寻址方式访问位128位址30H～7FH80单元户RAM区作堆栈数缓片RAM够时须扩展片外数存储器时单片机通P2口P0口选出6位址ALE作低8位锁存信号P0口写入读出数写时读时做外部数存储器选通信号
3 2 2 5 特殊功寄存器SFR
803121专寄存器理CPUIO口部逻辑部件指令中专寄存器存储单元方式读写专寄存器名称寻址时做专寄存器址片RAM址相连面专寄存器作简单介绍：
累加器A：绝数情况参运算方存放运算结果
寄存器B：进行运算时寄存器B特定途时存放数积高位A中存放数积低位法时B中存放数余数A中存放数商情况作普通寄存器
堆栈指针SP：子程序调中断时暂存数址先进出原存储数八位寄存器指出堆栈顶部片RAM中位置系统复位SP变成07H堆栈00单元开始
数指针DPTR：两字节组成DPH字址83HDPL82H存放16位二进制数做址
程序状态字PSW：七位表征种标志位意义
C AC FO RS1 RS0 OV P
C：进位标志位表示加减运算时高位进位位加法运算中累加器高位进位CY1否CY0减法时位CY1否CY0执行算术逻辑运算时硬件软件置位清CPU进行移位操作会影响该位
AC：进行加法减法运算时产生低四位高四位进位位时AC置1否清0AC0时加减程中A3没A4进位位否正相反
F0：F0常机器指令执行中形成户根程序需进行设置位确定通软件测试决定户程序流
RS1RS0：8031四8位工作寄存器R0～R7户改变RS1RS0状态决定R0～R7物理址
OV：指示运算否发生溢出机器执行指令动形成机器执行指令程中累加器A超8位OV1否0
P：表示累加器A中值1二进制位奇偶数1’数奇数P1偶数P0串行通信中常奇偶校验数传输结果正确性
3 2 2 6 工作方式
工作方式分做复位掉电低功耗方式等
复位方式
MCS5l系列单片机复位引脚RST(全称RESET)出现2机器周期高电时单片机执行复位操作果RST持续高电单片机处循环复位状态
根应求复位操作通常两种基形式：电复位电开关复位电复位求接通电源动实现复位操作常电复位电路图 (315a)中左图示图中电容C1电阻R1电源十5V说构成微分电路电保持RST段高电时间单片机等效电阻作图中电阻R1达电复位操作功图 (315a)中示电开关复位求电源接通单片机动复位单片机运行期间开关操作单片机复位常电开关复位电路图 (315b)示电电容C3充电反相门作RST持续段时间高电单片机已运行中时复位键K松开RST段时间高电实现电开关复位操作
根实际操作验面出两种复位电路电容电阻参考值
图316 单片机复位电路
图(316a)中：Cl＝1030uFR1＝1kO
图(316b)中：C：＝1uFRl＝lkOR2＝10kO
二掉电低功耗方式
程序运行中系统发生掉电障RAM寄存器中数容丢失丢失珍贵数束手策8031掉电保护先数保存备电源进行供电
3 2 3存储器设计
8031芯片外围电路中必须进行程序存储器扩展根系统需进行数存储器扩展8031程序存储器数存储器均进行0000H～FFFFH64K字节址容效寻址前面已讲8031外扩展存储器时P2作高位址输出P0作低位址输出数线
程序存储器扩展
8031部ROM 扩展程序存储器址0000H～FFFFH考虑系统需8031程序存储器扩展4K EPROM采2764作ROM芯片
程序存储器扩展容量256字节EPROM片址线P0口址存储器提供低8位址外需P2口提供干条址线选8K2764 EPROM址线应该13条系统中扩展片EPROM片选信号EPROM 接程序扩展中选址锁存器74LS373
三态门低电时三态门处导通状态允许Q端输出否高电输出三态门断开输出端外电路呈高阻态里低电时G端高电时锁存器输出输入状态相G高电落低电时输入端1D～8D数锁入1Q～8Q中
2764处读方式均低电效VPP+5V时EPROM处读工作方式：时定址信号决定选中存储器单元信息读出数输出端D0～D7维持方式：高电时VPP+5VEPROM处低功耗方式输出端均高阻态输入关编程方式：VPP加+25V编程电源端跨接01uf电容干扰电压瞬间2764进入编程方式编程8位数行方式送数输出断编程校验
27648031连接图317示
图316 程序存储器扩展
选芯片扩展时考虑满足系统求前提电路简化量选择容量芯片减少芯片组合数量芯片型号选择选满足应环境求芯片型号二数存储器扩展
单片机中128 字节数存储器系统求片RAM满足求户选择扩展片外数存储器进行存储系统采集数根系统数采集求采8K静态RAM6264进行扩展动态RAM相静态RAM须考虑保持数刷新电路扩展电路较简单满足系统求
62648K*8位静态机存储器芯片
采CMOS工艺制作单+5V电源供电额定功耗200mW典型存取时间200ms28线双列直插封装
数存储器扩展程序存储器扩展类似读写控制信号8031相连P0口通74LS373A0～A7相连P20～P24A8～A12相连P27相连P0口D0～D7相连作数线时CE2接+5V电源GND接图318示：
图318数存储器扩展
3 2 4数存储器掉电保护
单片机系统RAM数非常容易丢失特珍贵科研数旦丢失果堪设想掉电保护必须做旦电源发生掉电现象掉电瞬间系统动保护RAM中数系统运行状态电源恢复正常供电恢复掉电前工作状态
3 2 5系统时钟设计
时钟电路产生8031单片机工作时必须时钟信号8031身复杂步时序电路保证工作方式实现8031唯时钟信号控制严格时序执行指令进行工作 时钟频率影响单片机速度稳定性通常时钟两种形式：部时钟外部时钟
系统采部时钟方式系统提供时钟信号8031部构成振荡器高增益反放器该放器输入输出引脚XTAL1XTAL2跨接晶体振荡器微调电容便构成激励振荡器
电路中C1C2选择30PF左右电容太会影响振荡频率稳定性快速性晶振频率12MHZ～12MHZ间频率越高单片机速度越快存储器速度求高提高稳定性采温度稳定性NPO电容采晶振频率12MHZ
图319系统时钟
3 3 显示报警设计
3 3 1 显示电路
单片机应系统设计中般键盘显示器放起考虑设计利8031串行口实现键盘显示器接口
8031串行口未作时8031串行口外扩键盘显示器应8031串行口方式0输出方式串行口外接移位寄存器74LS164构成键盘显示器接口硬件接口电路图320示：
图320 键盘显示机硬件接口
图中边874LS164：74LS164（0）～74LS164（7）作8位段码输出口74LS138Y0作键输入线Y2作步脉输出控制线种静态显示方式亮度容易作显示闪烁静态显示优点CPU必频繁显示服务程序必扫描显示器软件设计较简单单片机更时间处理事务
3 3 2 报警电路
微型计算机控制系统中安全生产重参数系统部位设紧急状态报警系统便提醒操作员注意采取紧急措施方法计算机采集数记计算机进行数处理数字滤波标度变换该参数限定值进行较果高限值（低限值）进行报警否作采样正常值进行显示控制
设计采峰鸣音报警电路峰鸣音报警接口电路设计需购买市售压电式蜂鸣器然通MCS511根口线驱动器驱动蜂鸣音发声压电式蜂鸣器约需10mA驱动电流TTL系列集成电路74067407低电驱动晶体三极驱动图中P32接晶体基极输入端P32输出高电1时晶体导通压电蜂鸣器两端获约+5V电压鸣P32输出低电0时三极截止蜂鸣器停止发声
图321简单三极驱动峰鸣音报警电路：
图321 三极驱动峰鸣音报警电路
设计温湿度测量中温湿度限超出提示报警接口位单片机AT89C51P32口温湿度限时P32口置0系统开始工作
1 系统方案
图系统硬件系统结构图：
图1 硬件系统结构图
图系统软件系统结构图：
图2软件系统结构图
2 系统硬件设计
31控设计：
采STM32103VET6作控MCU设计开发板兼USB转TTL载功JLINK调试接口供电模块RS232通信接口
载电路部分：
32传感器设计
传感器需外围器件较少直接购买相关成品模块缩短开发周期部分模块原理图进行分析该基础进行程序开发系统调试
321MQ系列气体传感器
根室空气质量标准（GB 18883—2002）中国家标准值改变MQ模块变阻器调节报警阈值检测害气体超标时够时报警
面该产品MQ2MQ7MQ135气体传感器模块硬件原理图：
模块监测测气体浓度达设置安全阈值时out引脚输出低电点亮发光二极进行报警
322 PM25传感器
光学灰尘传感器（GP2Y1010AU0F）检测非常细颗粒香烟烟雾特效该装置中红外发光二极光电晶体角布置成允许检测空气中灰尘反射光该传感器具极低电流消耗（20mA11毫安典型）搭载高达7VDC传感器输出模拟电压正测粉尘浓度敏感性05V01mgm3原理：传感器中心洞空气流定发射LED光通检测空气中灰尘折射光线判断灰尘含量
323 OLED显示
采中景园096寸OLED显示模块
利MCUSPI方式OLED模块进行控制通讯
324 DHT22温湿度采集
DHT22数字温湿度传感器款含已校准数字信号输出温湿度复合传感器感器包括电容式感湿元件NTC测温元件高性8位单片机相连接该产品具品质卓越超快响应抗干扰力强性价极高等优点温度测量范围40度80度精度正负05度完全满足现实需
325 WIFI发射位机显示
线WIFI传输模块采ESP8266芯片作传输芯片芯片部集成32位CPU作WIFI协议处理器作应处理器频支持80MHz160MHz两种频率支持80111 bgn 24G~25G具SDIO20 HSPISPIUARTI2CI2SHW IR RemotePWMGPIO等丰富外设开发者采官方提供SDK开发者相应固件通处理器进行控制
位机软件实现网络远程状态显示报警
3 系统软件设计
系统软件设计单片机程序设计程序流程图图41
图41程序流程图
系统电首先进行外设模块初始化工作相应控制引脚相应功设置然WIFI模块PC端进行连接程模块说明手册进行相应指令设置终实现PC端软件TCPIP连接停检测传感器否存假传感器存通WIFI进行相关警告信息传输果检测传感器设备存通WIFI检测结果传输PC端根相应检测结果否超安全阈值进行相应报警指示
4 系统创新
（1） 扩展性：作智家居环境监测系统智家居控制系统提供执行动作参考
（2） 低成：系统采低成MQ系列半导体气体传感器提供安全阈值报警功做实时气体浓度显示样满足功需节约成
（3） 灵活性：模块相互独立根需进行取舍：厨房温湿度检测MQ2MQ7检测液化气体否泄露样设计充分考虑实际需实际操作灵活性
5 评测结
次测试系统正常报警正常显示采集温湿度PM25浓度空气质量状况天气预报值基致
附录
总结体会
三周单片机课程设计终完成数字温度计设计然没完全达设计求心底里说高兴毕竟次设计实物做出高兴余深思呀
次设计程中发现问题然前做样设计次设计真长进单片机课程设计重点软件算法设计需巧妙程序算法然前写次程序觉写程序件简单事举例子前写次数加减时BCD码次全部16进制数直接加减显示处理时法删分感觉效果较东西试着做真正掌握学理东西难理解更谈掌握
次课程设计中真真正正意识学中理联系实际学理知识实际中学单机片机更程序常写读程中提高次课程设计中收获
参考文献
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致 谢
文王锦导师悉心指导完成文选题方案证系统研究开发文审阅定稿等整程中王老师予精心指导王老师知识渊博思维敏捷勇创新科研认真负责态度忘工作精神值学谨王导师表示衷心感谢
完成毕业设计期间位老师指导帮助提出宝贵意见表示感谢
帮助学朋友家表示诚挚谢意
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