第1章绪论1.1引言随着现代社会的高速发展，对环境参数的测量监控涉及到工农业生产、国防建设、科学实验、人们生活等各个方面所以对标准测量室环境要求越来越高，尤其在人们的日常家庭生活中人们会需要一个适宜的温度，不是太冷也不是太热同时，人们对室空气质量的要求更显重要抽烟会使室烟雾弥漫，使用液化气也难免会有泄露，这些气体都是对人体有害的因此，把握室的温度、湿度、空气质量的度，来进行妥善调节，从而避免由于这些环境因素的超标对人体造成的伤害就显得尤为重要为了更好的对这些环境参数进行有效快速的测量，传统的人工控制已经不能满足要求随着传感器技术的不断发展，单片机的应用不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善现代家庭环境监测中，对家庭环境的温湿度和有害气体浓度会有一定的要求，房主要随时能观看到房间里的温湿度当温湿度超过或者低于一定的围的时候，人会感觉到不舒服，有害气体浓度超过一定的值的时候，会对人们的身体健康造成危害这就需要对家庭环境进行监测，使家庭环境达到人们要求的围，从享受到到健康舒适的生活。
采用51单片机来对这些参数进行控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，从而能大大提高人们的生活质量本课题要求根据家庭要求的环境参数，设计一个家用环境监测系统，该系统应以单片机为核心，实现对家庭环境的实时监测1.1.1家庭环境监测系统国外发展趋势在过去，室的温湿度主要靠我们的身体感知来感受，对温度的高低没有确切的数值,室的气体主要靠我们的嗅觉来感受但随着社会的发展，我们对这些参数的精度要求也在不断提高，我们要知道温湿度的确切值,要知道有害气体是否超标先是温度计、湿度计和气体检测仪的发明，给我们的生活带来了很大的方便，但是温度计和湿度计在显示上不够明了，精度不够，一些气体检测仪只是仅仅能够检测气体浓度，却不能对有害气体浓度的超标进行报警所以现在市面上有很多以数码管显示，蜂鸣器报警的环境监测器材问世目前，国外开发出了一些基于单片机计算机的环境监测设备，但是价格比较高，其操作系统均为英文，普及性不强环境监测的核心部分是传感器，所以环境监测的发展主要体现在传感器的发展上根据传感器在信号输出方式上的不同，可以分为模拟传感器和数字传感器下面就模拟输出温湿度传感器和数字输出温湿度传感器进行简单介绍。
1、模拟输出温湿度传感器模拟输出温湿度传感器信号采用模拟电压输出方式，具有精度高，可靠性高，一致性好,且已带温度补偿，稳定性好，使用方便及价格低廉等特点，适合对质量，成本要求比较苛刻的企业使用该传感器亮点在于功耗低、体积小、单片机校准线性输出、信号传输距离长，试用于暖通空调，加湿器，除湿机，大气环境监控，测量仪表等应用领域2、数字输出温湿度传感器对于更紧密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求带动了数字温度传感器的发展被测温度信号从敏感元件接收的非电量到转换为微处理器可处理的数字信号，环节较多，而且模拟信号在长距离传输的过程中，受到的干扰较多，误差较大因此，从非电量转换到数字信号，一般将其处理过程集成在单片IC器件体部，这样就形成了功能强大，精确的数字传感器数字传感器与模拟传感器相比，由于采取高集成度设计和数字化处理，在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点，但受半导体器件本身限制，数字传感器还存在以下不够理想的地方：〔1〕数字传感器测量的是其自身管芯的温度，并且管芯温度接近于引线温度，所以每个传感器必须安置在与被监视环境有良好热耦合的位置实际应用时会出现传感器所测温度值要小于环境温度,需要加修正值。
〔2〕数字传感器对温度转换为数字量的时间都较长〔3〕测温围不宽〔均在-40℃至+120℃〕〔4〕数字传感器的传递函数存在有一定的非线性，可由软件校正不过，数字传感器最好在常温下应用，超过常温围它的误差较大所以数字传感器目前还不适用于对温度变化敏感、环境恶劣的行业〔5〕眼下，数字传感器的价格比模拟传感器的高，作大围推广应用时有一定的难度由于它们各自有其优缺点，又各有自己的应用围和市场，数字传感器和模拟传感器会并存很长一段时间，但随着材料科学和半导体技术的深入发展与合作，数字传感器测温精度进一步提高，测温围拓宽，生产成本和销售价格不断降低，其发展趋势必将取代模拟传感器1.1.2设计的目的和意义现代家庭环境监测中，对家庭环境的温湿度和有害气体浓度会有一定的要求，房主要随时能观看到房间里的温湿度当温湿度超过或者低于一定的围的时候，人会感觉到不舒服，有害气体浓度超过一定的值的时候，会对人们的身体健康造成危害这就需要对家庭环境进行监测，使家庭环境达到人们要求的围，从享受到健康舒适的生活由于家庭里空间较大，并且每个房间要求的温度不同，所以就得实现多点采集由于环境参数对于人们生活的重要性，这就要求能有一种有效的、低成本的仪表来实现监测控制功能，使得房主能方便有效地进行房间的监控操作〔温湿度设定，实时显示，超标报警〕。
利用单片机技术对家庭环境进行监控，用户可以方便地构造自己所需要的数据采集系统,在任何时候观察家庭环境的实时信息，提高了用户的生活质量和舒适度，获得了家庭环境的实时管理，实现自动化，智能化微机测量是微机设计的第一步，是微机测量技术的现场部分，即测量家庭环境中的环境参数，并使用单片机对测量的数据进行处理第2章方案设计在对课题进行了深入了解的基础上，形成了最终的设计方案，本章的容为了对本设计方案进行较为详细的说明本次设计的家用环境监测系统主要由以下几部分组成：温湿度传感器、单片机核心控制电路、键盘、温湿度显示电路和报警电路、有害气体浓度报警电路2.1 方案概述本次设计的目的是设计一种基于单片机控制的家用环境监测系统本系统属于多功能系统，可以设定温湿度和有害气体浓度的报警上下限，当温度不在设置围时，则报警提示；当有害气体浓度超过设定值时，则报警提示该设计控制器使用单片机本监测系统由温湿度传感器电路、单片机系统、温湿度显示电路、有害气体浓度监测的A/D转换电路、键盘、报警电路构成其基本工作原理：温湿度传感器部的温度敏感元件和湿度敏感元件分别将温度和湿度转换成电信号，该信号首先进入部的微弱的信号放大器进行放大，然后进入一个14位的部A/D转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号传给单片机系统，单片机系统根据显示需要对数字信号进行处理，再送入液晶显示系统,温湿度值便在液晶屏上显示出来了。
同理，有害气体浓度检测电路接收到电信号，经过A/D转换器将其转换成数字信号传给单片机系统，由单片机系统判断是否超过设定值，超过则报警总体设计方案框图如图2.1所示：图2.1总体设计方框图2.2 设计的总体思路本次设计要实现对家庭环境的监测，首先选择温湿度采集部分、有害气体浓度采集部分、单片机控制部分和显示部分，同时还要设计按键部分和报警部分，根据设计要求与设计思路，确定该系统的具体设计方案2.2.1 单片机的选择现今社会单片机发展很迅猛，出现很多种类单片机如：STC单片机、PIC单片机、PHLIPIS51PLC系列单片机＜51单片机＞等；STC单片机：STC公司的单片机主要是基于8051核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051,速度快8~12倍，带ADC,4路PWMp（串口,有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强适合用于精密仪器和加密仪器但相对家用其性价比太低成本高，很多功能都用不到PIC单片机：是MICROCHIPS司的产品，具突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片适合用于抗干扰领域，相对于家用其成本也是很高，也没法突出其特性如果用有点暴敛大物。
PHLIPIS51PLC系列单片机＜51单片机》:ATME心司的8位单片机有AT89、AT90两个系列，AT89系列是8位Flash单片机，与8051系列单片机相兼容，静态时钟模式；AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、载可编程Flash的单片机，也叫AVR单片机相对AT90来说AT89功能简单但完全能达到家用的功能要求，而AT90的性价比就有点低所以选择了AT89系列AT89C51有40个弓I脚，4k字节Flash闪速存储器，128字节部RAM,32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片振荡器及时钟电路同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作掉电方式保存RAM中的容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位AT895C51有PDIP、TQF吸PLC*三种封装形式，以适应不同产品的需求其外形及引脚排列如图2.2所示Pi，oCPLP】,尤pi.jQPl尤Pl.疝PL点PL7QRSTCismp工仃如物工1[T(TnTTjp^j[T口。
中丸疝E》P3.疝僚1P3.ITAL3[TXTAL1[T3MS9C51ET|vcciJprxUri2/(AD2)可Pl3/(ADJ)5Pl4/(AD^>©PSS/Mi)WP0./ChiU巴*7/LIU力I]WwRE/丽百丽I]P2t7/(A15*HP?,6/(AM*7]P2,5/(A⑶I]P2+4(Ain2?2.3/-AU)3P2.2门Al加3P2.人⑻图2.2at89c51芯片模型主要功能特性：1、兼容MCS5指令系统2、32个双向I/O口3、2个16位可编程定时刚/计数器中断4、2个串行中断5、2个外部中断源6、2个读写中断口线7、低功耗空闲和掉电模式2.2.2温湿度传感器的选择现在的传感器很多，考虑了两种传感器：一种是使用铝电阻温度传感器采集温度，湿敏电阻采集湿度，再经由A/D转换器转换成单片机能够处理的数字信号，然后送到单片机中进行处理变换后，最后将温湿度值显示在显示器上并判断是否超限其中柏电阻可测-200到850C,但其中需要A/D转换，而且连线时占用的I/O口过多另一种是采用SHT11温湿度传感器，它是瑞士Sensirion公司推出的数字温湿度传感器，该传感器高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上,提供二线数字串行接口SCK和DATA接口简单,支持CRC传输校验,传输可靠性高，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能，并且可根据实际要求通过简单的编程实现8-12位的数字值读数方式。
其外形及引脚排列如图图2.3 SHT11芯片模型2.3所小gnd|TDATA[I:SHTliSCK区VDD[4SHT11的性能特点如下:1、全量程标定，两线数字输出2、测量围广；湿度测量围：0~100%RH温度测量围：-40~+120Co3、测量精度高；湿度测量精度：±3%RH温度测量精度：±0.4C4、响应时间短；响应时间：＜4s5、低功耗，尺寸小，可完全浸没6、提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能通过比较，可以看出使用SHT11温室传感器比用铝电阻温度传感器和湿敏电阻方便很多，故选择SHT11作为此次设计的温湿度传感器2.2.3A/D转换器的选择在工业控制和智能化仪表中，常用单片机进行实时控制及实时数据处理单片机加工的信息都是数字量，而被控制或测量对象。