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1、南京理工大学紫金学院 题 目： 环境状况监测系统 课程名： 自动测试系统 姓 名: 张坤 学 号： 120603135 专 业： 自动化 班 级： 自动化一班 2015年11月26日摘要：在社会进步，工业发展的同时，各种污染也无时无刻威胁着人们的居住环境，所以对生活环境中各项指标的监测变得尤为重要。本篇文章将设计一个系统来监测环境中的温度、湿度、二氧化碳、噪声及电磁波等指标，并从可靠性，性价比等方面考虑选择传感器单片机等仪器模块来完成设计。关键词：环境监测；温度；传感器。Abstract: in the social progress, industrial development, all
2、kinds of pollution is also threatening peoples living environment, so the monitoring of the living environment of the indicators become particularly important. This article will design a system to monitor the temperature, humidity, carbon dioxide, carbon dioxide, noise and electromagnetic wave and o
3、ther indicators, and from the reliability, performance and other aspects of the design of such as the choice of sensor chip and other instruments.Keywords: environmental monitoring; temperature; sensor.1引言随着现代社会的高速发展，各种污染层出不穷，人的居住的环境也是越来越苛刻，所以需要对环境进行严格的监测。人们需要一个适宜的温度，不是太冷也不是太热，这就需要实时的监测居住环境的温度来进行温度调
4、节。同时，把握温度、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。此外，近些年来由于工业生产，交通运输，以及其他很多原因带来的噪声污染，电磁波污染也不能忽视，必须建立一套完整的监测体系来确保人居住环境的安全健康。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。2
5、采样设备2.1温度传感器当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。采用AD590，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。M档在
6、测温范围内非线形误差为0.3。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。AD590的测量信号可远传百余米。2.2温度测量电路图1 AD590应用电路图1是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k时，输出电压V0随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法
7、为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只保证在0或25附近有较高的精度。如图1所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0时调整R2，使输出V0=0，然后在100时调整R4使V0=100mV。如此反复调整多次，直至0时，V0=0mV，100时V0=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25，那么V0应为25mV。冰水混合物是0环境，沸水为100环境。2.3湿度传感器测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质
8、的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于2
9、%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。2.4湿度测量电路HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运方与租蓉组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。频率输出的555测量振荡电路如图2所示。集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成了对C的充电回路
10、。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，R3 是防止输出短路的保护电阻，R1 用于平衡温度系数。图2频率输出的555振荡电路该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vs通过R4、R2 向C充电，经t充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33Vs此时输出，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为t充电=C（R4+R
11、2）Ln2；t放电=CR2 Ln2。因而，输出的方波频率为f=1/(t放电+t充电)=1/ C（R4+R2）Ln2。可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号。2.5二氧化碳浓度监测气体检测的传感器，目前按照气敏特性来分，主要分为：半导体型，电化学型，固态电解质型，接触燃烧型，光化学型等传感器。其中又以前两种最为普遍。固态电解质传感器，顾名思义就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化学之间。选择性和灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以得到了广泛的应用。这类传感器具有对二氧化碳反应灵敏，受温度和湿度影响较小，成本低的特点。MS4100在众多二氧化碳传感器中价
12、格比较适中，性能也比较稳定。又综合考虑以上选择的原则。因此该系统选用该型号传感器。二氧化碳传感器的测量浓度单位为：百万分单位ppm。600ppm浓度的二氧化碳意味着：每1000000公升的空气中有600公升的二氧化碳。2.6噪声监测噪声测量一般有如下几个方面的目的：测量声压级以了解噪声对环境的污染情况，检验噪声是否符合有关标准；进行噪声信号的频谱分析，以了解噪声的频率结构；测量噪声源的声功率或声功率级，以客观了解噪声源特性。噪声传感器采用2个驻极体话筒。根据噪声测试分析要求，阻抗匹配电路的响应工作频率为014kHz，不均匀性限制在1dB以内。采用2个驻极体话筒也可制作传感器，其硬件组成为驻极体
13、话筒、功放电路、A/D转换电路和微机。3信号分析处理3.1A/D转换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的有关参量往往是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量等，通过传感器将这些信号转成模拟信号。单片机要处理这种信号，首先必须将模拟量转换成数字量，这一转换过程就是模/数转换，现实的模/数转换的设备称为A/D转换器或ADC。A/D转换电路种类很多，目前在实用、教学方面使用较多的两种A/D转换器是ADC0809和TLC1543。在选择A/D转换器时，主要考虑以下的一些技术指标：转换时间和转换频率、量化误差与分辨率、转换精度、接
14、口形式等。目前，较为流行的A/D转换器很多都采用了串行接口，这使得这类芯片与单片机的硬件连接非常简单。出于成本考虑，本次的设计采用串行接口的TLC1543而非并行接口的ADC0809。3.2单片机MCS51 为了设计此系统，我们采用了8051单片机作为控制芯片，在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程。它由传感器采集非电信号，从传感器出来经过功率放大过程，使信号放大，再经过模/数转换成为计算机能识别的数字信号，再送入计算机系统的相应端口。3.3工作方式它的工作方式可以分做复位，掉电和低功耗方式等。复位方式当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，
15、单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如图 (3-15a)中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如图 (3-15a)中所示。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。4软件设计总体思路及主流程图主程序的功能是，实现对LCD的初始化，然后进行温湿度测量和显示，通过按键设置报警温湿度的上下限，当超出界限时显示报警，对有害气体浓度进行监测，超出设定上限时显示报警。主程序的作用是对各个功能模块的初始化，然后据任务的需要对各个功能模块的函数进行调用，完成数据处理的任务。本系统采用C语言编写，主程序主要由四部分构成,系统通电后首先初始化系统，依次完成温湿度采集、温湿度处理、数据显示、键盘处理等四项功能。温湿度采集部分主要完成
