基于AT89C51的室內(nèi)環(huán)境智能檢測(cè)調(diào)控系統(tǒng)

蘇枳赫*，霍達(dá)，李建東，何采蔚，熊寒冰，劉海浪

（桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西桂林，541004）

基于AT89C51的室內(nèi)環(huán)境智能檢測(cè)調(diào)控系統(tǒng)

蘇枳赫*，霍達(dá)，李建東，何采蔚，熊寒冰，劉海浪

（桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西桂林，541004）

利用AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)和報(bào)警并調(diào)控系統(tǒng)，將傳感器技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫濕度，光照強(qiáng)度，有害氣體的采集和讀取，TFT屏幕顯示，和用電器調(diào)控。介紹了該系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)搭建及系統(tǒng)軟硬件調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了溫濕度，光照強(qiáng)度，有害氣體的監(jiān)測(cè)與控制，達(dá)到了預(yù)期要求。

讀取模塊；DS18B20；TFT彩屏；室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)

引言

微氣候環(huán)境直接影響人的情緒，疲勞程度，舒適感覺，健康和工作效率，其中溫度和濕度對(duì)人的影響最大[1]，室內(nèi)作為人們生活的重要場(chǎng)所，關(guān)注其溫濕度，光照強(qiáng)度，有害氣體顯得尤為必要。隨著社會(huì)的發(fā)展人們生活水平的不斷提高，對(duì)自身居住環(huán)境的質(zhì)量和安全要求也在不斷提高。這使得低成本，高性能，方便使用的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為了日常生活的必需品。本文以AT89C51為控制核心，設(shè)計(jì)了一套基于AT89C51芯片的適用于家庭的室內(nèi)環(huán)境智能檢測(cè)并調(diào)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

利用傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于AT89C51單片機(jī)的環(huán)境監(jiān)測(cè)并調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有單片機(jī)控制模塊、溫濕度采集模塊、光敏電阻模塊、有害氣體采集模塊、TFT屏幕顯示模塊和繼電器模塊、可以實(shí)時(shí)將當(dāng)前環(huán)境的溫濕度，光強(qiáng)，有害氣體數(shù)字顯示在TFT屏幕上，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)控與調(diào)控功能，本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為主體，明確各模塊的原理，編寫所對(duì)應(yīng)的，初始化命令，讀數(shù)據(jù)，寫指令等函數(shù)，開始運(yùn)行后，讀出各模塊數(shù)據(jù)，并將各模塊的數(shù)據(jù)返回到單片機(jī)并進(jìn)行分析，通過程序控制各參數(shù)的范圍，如果超出范圍，那么單片機(jī)將會(huì)給所對(duì)應(yīng)的繼電器低電平，繼電器閉合，所連接的調(diào)適設(shè)備開啟，直到參數(shù)進(jìn)入給定范圍內(nèi)，繼電器斷開，反復(fù)循環(huán)。

該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制模塊

控制模塊采用Intel公司推出的MCS-51系列單片機(jī)：集成 8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器，單片機(jī)可以用于工業(yè)自動(dòng)化：數(shù)據(jù)采集、測(cè)控技術(shù)。智能儀器儀表：數(shù)字示波器、數(shù)字信號(hào)源、數(shù)字萬用表、感應(yīng)電流表。消費(fèi)類電子產(chǎn)品：洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、電視機(jī)、微波爐、手機(jī)、IC卡、汽車電子設(shè)備。通訊方面：調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術(shù)、手機(jī)、小靈通。武器裝備：飛機(jī)、軍艦、坦克、導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、魚雷制導(dǎo)、智能武器。凡是與控制或簡(jiǎn)單計(jì)算有關(guān)的電子設(shè)備都可以用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。其外圍系統(tǒng)主要有時(shí)鐘電路和復(fù)位電路[2]，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)外圍電路圖

2.2 溫度采集模塊

該模塊使用的是數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。

2.3 濕度采集模塊

該模塊使用的是數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有較高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。其內(nèi)部帶有自校準(zhǔn)系統(tǒng)，采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，將采集到的溫度濕度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)對(duì)其傳輸與處理[3-5]。

圖3 濕度采集模塊

2.4 D/A轉(zhuǎn)換器

由圖4可知，該圖為T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，運(yùn)放兩個(gè)輸入端為“虛地”，所以電位都約為0。所以無論開關(guān)在0或者1，最后兩個(gè)2R都是并聯(lián)得R，和電阻R串聯(lián)又為2R,以此類推，那么到最前端，相當(dāng)于兩個(gè)2R的電阻并聯(lián)，可知電流I=Vref/R。I7=I/2,I6=1/2*I/2,由此追溯到I0=I/256,如果Rfb=R，那么V0只與Vref有關(guān)，即V0=Vref*z/256。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換器

2.5 光敏電阻模塊

光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強(qiáng)弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達(dá)1～10M歐,在強(qiáng)光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對(duì)光的敏感性（即光譜特性）與人眼對(duì)可見光（0.4～0.76）μm的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。

圖5 光敏電阻模塊

2.6 MQ-2模塊

MQ-2氣敏元件由微型AL2O3陶瓷管，SnO2敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。同光敏電阻一樣，用數(shù)字量近似表示模擬量，對(duì)不同種類，不同濃度的氣體有不同的阻值，適宜于液化氣，丁烷，丙烷，甲烷，酒精，氫氣，煙霧等的報(bào)測(cè)。

圖6 MQ-2模塊

2.7 TFT顯示模塊

TFT（ThinFilmTransistor）是指薄膜晶體管，意即每個(gè)液晶像素點(diǎn)都是由集成在像素點(diǎn)后面的薄膜晶體管來驅(qū)動(dòng)，從而可以做到高速度、高亮度、高對(duì)比度顯示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色顯示設(shè)備之一，其效果接近CRT顯示器，是現(xiàn)在筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)上的主流顯示設(shè)備。TFT的每個(gè)像素點(diǎn)都是由集成在自身上的 TFT來控制，是有源像素點(diǎn)。因此，不但速度可以極大提高，而且對(duì)比度和亮度也大大提高了，同時(shí)分辨率也達(dá)到了很高水平。TFT的亮度好，對(duì)比度高，層次感強(qiáng)，顏色鮮艷。缺點(diǎn)是比較耗電，成本較高。TFT型的液晶顯示器主要的構(gòu)成包括：螢光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等。

2.8 繼電器模塊

繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量（激勵(lì)量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器內(nèi)部含有線圈和觸點(diǎn)，當(dāng)線圈得電就會(huì)使觸點(diǎn)吸合。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、溫濕度采集模塊、光敏電阻模塊、MQ-2模塊、TFT屏幕顯示和繼電器模塊組成。傳感器將采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳遞給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的處理，將結(jié)果顯示在TFT彩屏上，若超出預(yù)設(shè)值則驅(qū)動(dòng)繼電器工作。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖，軟件程序基于KeiluVision2 開發(fā)平臺(tái)，采用單片機(jī)C 語言編寫。C語言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語言，它兼顧了多種高級(jí)語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。目前，使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已經(jīng)成為軟件開發(fā)的一個(gè)主流。用C語言開發(fā)系統(tǒng)可以大大縮短開發(fā)周期，明顯增強(qiáng)程序的可讀性，便于改進(jìn)、擴(kuò)充和移植。該程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法。

圖7 系統(tǒng)程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。各個(gè)參數(shù)顯示如圖所示，。測(cè)量結(jié)果與測(cè)量值進(jìn)行比較，所差值在＜=2%

圖8 控制系統(tǒng)實(shí)體圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以AT89C51單片機(jī)為控制核心的環(huán)境監(jiān)測(cè)并調(diào)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)各個(gè)環(huán)境參數(shù)并實(shí)現(xiàn)調(diào)控功能。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果，讀數(shù)方便、測(cè)量準(zhǔn)確，耐用性強(qiáng)，能較好地適用于日常環(huán)境的檢測(cè)與調(diào)控。該系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路設(shè)計(jì)可靠，適于各種環(huán)境。

（2）高性能單片機(jī)構(gòu)成的智能主控系統(tǒng)，提高了檢測(cè)的效率。

（3）成本低廉，制造工藝簡(jiǎn)單，適于大規(guī)模推廣。

[1]郭伏,錢省三. 人因工程學(xué)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]鄭鋒,王巧芝,李英建,等. 51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全[M]. 北京： 中國(guó)鐵道出版社,2013.

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[4]于波. 基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 青島： 中國(guó)海洋大學(xué),2011.

[5]薛玲,孫曼,張志會(huì),等. 基于單片機(jī) AT89S51的溫濕度控制儀[J].化工自動(dòng)化與儀表,2013,37(7)： 66-69.

Intelligent Detection and Control System of Indoor Environment Based on AT89C51

SU Zhihe*,HUO Da,LI Jiandong,HE Caiwei,XIONG Hanbing,LIU Hailang
(College of Mechanical Engineering，Guilin University of Electronic Technology,School of architecture and traffic engineering ,Guangxi Guilin,541004,China)

Buy using AT89C51 microcontroller to design a set of intelligent monitoring and alarm control system and indoor environment,the sensor technology and single-chip microcomputer technology are combined to realize the collection of the environmental temperature and humidity,light intensity,harmful gas collection and reading,TFT screen display,and the use of electrical appliances control. The hardware circuit and software design of the system are introduced,and the monitoring and control of temperature,humidity,light intensity and harmful gas are realized by experiment building and debugging of the system software and hardware,and the expected requirement is achieved.

DHT11; DS18B20; TFT screen display; Indoor environment detection

TP 212.9

A

1672-9129(2017)06-0194-03

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.073

蘇枳赫,霍達(dá),李建東,等. 基于AT89C51的室內(nèi)環(huán)境智能檢測(cè)調(diào)控系統(tǒng)[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(6)： 194-196.

Cite：SU Zhihe,HUO Da,LI Jiandong,et al. Intelligent Detection and Control System of Indoor Environment Based on AT89C51[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 194-196.

2017-02-03；

2017-03-12。

蘇枳赫（1998-），遼寧，桂林電子科技大學(xué)本科學(xué)生，研究方向：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程。

Email：87215314@qq.com