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论文基于单片机的二氧化碳检测仪设计

山西农业大学信息学院

本科毕业设计

基于单片机的二氧化碳浓度检测仪

系部名称：机电工程系

专业名称：电气工程及其自动化

学生姓名：张书锋

学 号：2011203341

指导教师： 李凯丽

二〇一五年六月

论文基于单片机的二氧化碳检测仪设计

BACHELOR'S DEGREE THESIS

OF CISAU

Carbon dioxide concentration

detection instrument based on MCU

Department：Electrical and Machanical Engineering Major ：Electrical Engineering Name ：Zhang Shufeng

Student ID ：2011203341

Director ：Li Kaili

June 2015

论文基于单片机的二氧化碳检测仪设计

郑 重 申 明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本人签名： 日期：

论文基于单片机的二氧化碳检测仪设计

基于单片机的二氧化碳浓度检测仪

摘 要

随着当代社会的发展，农副产品成为市场的急需供应品，所以，增加农副产品的产量和品质势不可挡，因此我们研制二氧化碳浓度检测仪并用于日光温室的农业生产，对提高农业科技含量，促进农业增收具有深远意义。

本论文主要针对温室内二氧化碳浓度、温度以及湿度，设计了日光温室检测系统。综合考虑系统的精度、稳定性以及经济性要求这三个方面之后，确定以AT89S51单片机为控制核心，选用性价比比较高的传感器，来实现对二氧化碳浓度、温湿度的准确检测。针对不同的参数，可以通过键盘人为设定作物所期望的上、下限值。当单片机检测到二氧化碳浓度、温湿度有任何一个参数越限时，则启动声光报警，这时检测人员通过主机打开相应的执行机构进行补偿。检测器可以通过RS-232实现和温室主机的串行通讯。

本系统具有易于操作、运行可靠、便于扩充等特点。该系统考虑到温室环境的复杂性增加传感器实现多点多目标因子的检测。系统体积小，操作非常简单，灵活性强，针对不同环境、不同作物的不同要求，可以随时随地修改极限报警值，人机界面友好。该系统具有功能强成本低的特点，适合在各种温室或塑料大棚进行环境因子检测。

关键词：日光温室； 二氧化碳浓度； 温湿度； 单片机； 测控

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Carbon dioxide concentration detection

instrument based on MCU

ABSTRACT

With the development of modern society, agricultural and sideline products become the market in urgent need of supplies and so increase the overwhelming yield and quality of agricultural and sideline products, so we develop the carbon dioxide concentration detector and for sunlight greenhouse agricultural production, to improve the content of agricultural science and technology, promote agricultural income has far-reaching significance.

This thesis presents the measuring and controlling system about temperature, humidity and carbon dioxide's density in the greenhouse, composed of host PC and secondary MCU. Considering the accuracy and economical, this thesis design AT89S52 as the core control apparatus, and choose the sensors with high ration between performance and cost. it achieved accurate measurement and accuracy control. When the parameter has exceeded the limit, including temperature, humidity and carbon dioxide's density, the single-chip microcomputers activate the audible and visual alarm. At the same time, the single-chip microcomputers control the solid state relay to actuate mechanism for compensation .For different parameters, we can use keyboard to set the anticipant range of the crop. The secondary computer communicate with the host computer through RS232.

This system is easy to operate, reliable, easy to expand and so on. The system taking into account the increased complexity of the greenhouse environment to achieve multi-point multi-sensor target of cytokines. System is small, the operation is very simple and flexible for different environments, different requirements of different crops can be modified at any time limit alarm

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value, friendly interface. The system has powerful function and low cost, suitable for greenhouse or plastic tunnel testing of environmental factors.

Key words: Greenhouse； Temperature； Humidity； Carbon dioxide

Single-chip；microcomputer

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目 录

一、 绪论 ............................................................................................................ 1

1.1 研究目的及意义 ....................................................................................... 1

1.3 课题的主要内容 ........................................................................................ 2

二、 系统总体方案设计 ................................................................................ 3

2.1 总体方案设计 ........................................................................................... 3

2.2 详细设计 ................................................................................................... 4

三、 硬件设计 ................................................................................................... 5

3.1 微控制器概述和选用 ............................................................................... 5

3.1.1 AT89S51单片机特点 ...................................................................... 5

3.1.2 AT89S51单片机的主要特性 .......................................................... 6

3.2 二氧化碳数据的采集与处理 ................................................................... 8

3.2.1 二氧化碳传感器的选择 ................................................................. 9

3.2.2 红外二氧化碳传感器的工作原理 ................................................. 9

3.3 温湿度传感器模块设计 ........................................................................... 9

3.4 A/D转换器及其接口电路 ...................................................................... 11

3.5 键盘显示电路设计 ................................................................................. 12

3.6 报警电路 ................................................................. 错误！未定义书签。

四、 系统软件设计 ....................................................................................... 14

4.1 主程序流程图设计 ................................................................................. 14

4.2 ICL7135流程图设计 ............................................................................... 14

4.3 显示流程图设计 ..................................................................................... 16

4.4 按键流程图 ............................................................................................. 18

4.5 仿真与调试 ............................................................................................. 20 结论 ...................................................................................................................... 22 参考文献 ............................................................................................................ 23

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一、绪论

1.1研究目的及意义

目前，我们的科学技术不断的提高，温度测量技术也得到了改进和提高，单片机发展在近些年也在飞速的发展，单片机的应用也渗透到了人们的日常生活和工业生产等各个行业中，在新技术革命浪潮中，微机应用技术得到了蓬勃的发展。在人们的日常生活中，在工业生产中，在农业生产中，都需要明确的知道环境的温度，温度也是一种生产和生活中最最基本参数，所以研究测温装置具有非常好的意义。所以本次设计的主题，它与传统的温度计不同，可以为人们的日常生活提供更多的方便。使用单片机作为本设计的核心，是因为它拥有诸多优点，比如：集成度高，功能强大，通用性好，尤其是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，靠干扰能力强以及使用方便等特点，在数字智能化方面有着广泛的用途。

现代化农业这条道路是中国发展农业的必经之路，伴随着迅速增长的国名经济，越来越受到关注的农业的研究和应用技术,。其中检测与控制农业生产环境的变化得到它的参数是很重要的。例如：二氧化碳浓度、空气的温度、湿度等。

1.2国内外发展状况

我国的温室技术落后于其他西方国家，特别是70年代后，节能日光温室,塑料大棚被国家主要推广，促进了农村的经济发展并且缓和了蔬菜季节性的短缺与矛盾。有一下方面:

1.价格昂贵，国内普遍接受不了,难以普及到农民。

2.温室测控软件的技术不完善,很难达到与我国气候相匹配的条件。日前我国的测控系统成本高,运用低,普及程度也不全面，并且我国的气候特点与当代技术的环境监控系统存在不和谐的地方。

3.控制方式相对简单，软件实现模式呆板,不灵活。

随后，仿造品应运而生并在国内开始泛滥,但1000万亩传统温室的改造工程并没有兴起,阻碍了农业经济的发展。所以，针对传统方法，人们采

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用了温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，并且加强了人工操作如:加热、加湿、通风和降温来控制温湿度。因此，以上产品的应用和使用价值并不高[6]。

伴随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展,在过去的一个世纪里,温室作为设施农业的重要组成部分,自动控制和管理技术不断改进,得到世界各地的巨大发展。温度控制系统在我国发展一般，和国外相比就差得更远了。随着电子技术的发展，各式各样的测量仪器也相继出现在市场中，当然也包括数字式语音温度计。不过现在国外正向着全机械无人化发展，他们的发展速度很快。相较于我国，则对这方面技术起步较晚，在温度控制领域，“点位”控制以及PID控制器为我国比较成熟的温控产品，可是在智能化方面还是无法与国外相比较。随着我国的经济不断的提高，政府和国内的企业也都很看重，并且建立了一些研发中心,还进行了许多创新性研究，凭借这些我国的仪表工业得到迅速发展。

一块小芯片，单片机的大量功能就集中在了上面,虽然它很小,但是它拥有部件可以近似于一个完整计算机：除了拥有外存,还拥有CPU,内存,内外部总线系统，同时集成诸多外围设备,比如定时器等，现在的单片机系统强大到可以将多种多样的复杂的输入与输出系统集成在一块芯片上。

单片机在最早的时候都是8位或4位的，简单方便实用性高，INTEL产的8031获得最好用产品之名，在8031的基础上还开发出了MCS51系列，而且直到现在社会这一系列依然在使用。随着时代的发展，人们在不同领域的要求也不断提高，所以16位单片机诞生了，但是它的性价比实在是太低了，所以可想而知，并没有得到大范围应用。在90年代后，单片机等一系列的电子产品大展起来了。后来32位单片机逐渐取代了16位单片机的地位，而且很顺利的进入了主流的市场。

1.3课题的主要内容

我国要跟上市场的发展需要,针对问题所在，我的论文设计了基于单片机的二氧化碳浓度、温湿度检测系统。该系统充分考虑到元器件的价格和性能，从实际出发对大棚内的二氧化碳浓度、温湿度的在线进行实时检测[8]。

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[9] 实现对二氧化碳浓度、温湿度的调控，使其稳定于计算值。

本论文研究内容有以下几个方面[10]：

1.二氧化碳浓度、空气温度、湿度传感器的应用与选定；

2.实现大棚内的二氧化碳浓度、空气温度、湿度等环境的自动检测；

3.传感器的外形设计。

二、 系统总体方案设计

2.1总体方案设计

阳光温室测控系统由上下位机模型来控制。上位机是温室主机(PC机)，下位机是检测器。检测器用以完成以下工作：脱离主机独立地进行数据采集和处理，通过人机接口（键盘和显示器）实现参数设定、显示和报警等功能；连接主机时能实现通信功能[11]。

检测器基于单片机为核心,整个检测器系统由主模块、数据采集和处理模块、输出控制模块、键盘显示模块和数据通信模块、等数据采集和处理模块可以完成温室二氧化碳浓度,模拟温度和湿度的采集和处理,结果给监控服务器,监控服务器存储或传输的数据存储和管理、输出控制模块主要负责温室当连接到主机的致动器控制;基于RS - 232总线通信模块,双绞线的远程数据传输,实现了检测器和主机通信[12]。本次设计中，既需要软件也需要硬件，它们相互配合才能达到最终目的，当我们把硬件定型的同时其实软件的功能也随之定型。软件的其中一个能力是监控软件用来控制系统的核心，它用来协调各个模块之间的各种关系，另一种是执行程序是则用来完成多样的实质功能，各个执行软件都是一个模块。将各个执行模块规划好才能达到我们最终想要的目的。首先需要分析研究总体的设计的功能来选择各个模块，通过实时的要求，规划各个模块与各个模块的关系，以达到最好的效果

原理框图如图2.1所示。

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图2.1 温室智能测控系统原理图

1、温室内外环境自动测试系统

本设计研究的检测器主要测试温室内二氧化碳浓度、空气温度、湿度等环境参数。室外温度、湿度则由室外固定的传感器检测。

2、温室内环境自动控制系统

根据结果可知系统内的控制系统发出指令,调节信息,为农作物打造一个良好的环境13]。

3、人机对话接口

LED显示系统：显示温室内的所需各种参数。

键盘：用来输入各种所需指令和预定参数。

报警信号：发出警报,提醒工作人员,采取相应措施[14]。

4、通讯接口

实施连接主机与各端口并传输指令,连接系统,

2.2详细设计

本文通过对室内温棚的参数变化并研究，对系统方案进行了详细设计，采用美国公司生产的AT89S51单片机、美国生产的红外二氧化碳传感器6004、温度传感器DS18B20、电容式湿度传感器HS1101。单片机通过

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ICL7135A/D转换器把从传感器输出的模拟信号转换成数字信号。而对湿度传感器HS1101的信号处理完之后的信号为脉冲信号，针对其湿度的变化，脉冲的宽度会发生变化，所以可以直接把HS1101处理完之后的信号送到单片机的外部中断口0（INT0），来实现脉冲信号宽度的测量。当二氧化碳浓度超过我们所设定的值时，系统就会自动报警[15]。

三、 硬件设计

3.1微控制器概述和选用

选用AT89S51单片机是因为它拥有诸多优点，如低电压供电，应用可靠，价格便宜，体积小巧便携等，它一共拥有四个端口，但是只需要两个口就可以满足设计需要。显示电路采用字符型液晶显示器显示，它的优点也是非常的多，其中省电、体积小、抗干扰能力强等是其最大的几个优点。

温度传感器我们选取的是DS18B20，因为它体积小、低功耗、抗干扰能力强等优点，而且由于它的其他诸多特点，可省去传统的信号放大，A/D转换等外围电路，它的测量精度也较高，适合多种场合的使用，也可用于狭小空间内的检测，方便又实用。

3.1.1AT89S51单片机特点

它是一个低功耗，性能高得单片机，并可反复擦写1000次，器件利用了非易失性存储技术，由ATMEL公司生产，通用80C51引脚结构和MCS-51指令系统，功能多种多样的AT89S51芯片内集成了ISP Flash存储单元以及通用8位中央处理器，它可以为提供多种解决方案。

1、 主要特性：

⑴、8位微处理器（CPU）；

⑵、数据存储器（128B RAM）；

⑶、程序存储器（4KB Flash ROM）；

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⑷、4个8位可编程并行I/O口；

⑸、2个可编程的16位定时器/计数器；

⑹、1个通用的全双工的异步收发串行口；

⑺、中断系统具有5个中断源、5个中断向量；

⑻、特殊功能寄存器（SFR）26个；

⑼、1个看门狗定时器（WDT）；

⑽、3个程序加密锁定位。

AT89S51的PDIP封装管脚如图3.1所示。

图3.1 AT89S51引脚图

⑴、电源引脚

电源引脚接AT89S51的工作电源。

①VCC（40引脚）：接电源。

②VSS（20引脚）：接地。

⑵、时钟引脚

①XTAL1（19脚）：使用AT89S51单片机片内的振荡器时，引脚外部接微调电容以及石英晶体，如果本引脚接外部时钟振荡器的信号，就可以采用外部时钟源。

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②XTAL2（18脚）：如果基于反相放大器，它是单片机片内的输出端，晶体固有频率即振荡器频率，如果该引脚外部连接微调电容以及石英晶体，则可使用片内振荡器，若引脚悬空，就需要连接外部时钟源了。

⑶、控制引脚

①RST（9脚）

单片机复位，则需要在此引脚加上的高电平并且保持时间大于两个机器周期，而且如果当这个引脚为低电平并且≤0.5V时，通常单片机正常工作

若这个引脚输出高电平并且长达96个时钟震荡周期时，就是看门狗定时器溢出输出造成。

②EA/VPP（31脚）

EA作为该引脚的第一种功能：外部程序存储器访问允许。

当EA=1时，当单片机内PC值不超出0FFFH（小于单片机内4KB存储器的最大地址范围）时，则单片机执行内程序存储器所产生的信息，若该值超过0FFFH（大于单片机内4KB存储器的最大地址范围）时，则是会自动转去执行片60KB（1000H~FFFFH）程序存储器内的程序。

如果EA=0，单片机内的4KB Flash程序存储器将会不起作用，它就只会访问外部的程序存储器中的指令并执行它，地址范围是0000H~FFFFH。

③ALE/PROG（30脚）

当AT89S51运行时，它会输出正脉冲信号，振荡器频率fosc的1/6，还可以作为外部定时使用。当单片机访问外部RAM时，丢失ALE脉冲一个，也就是说该引脚的输出频率不是准确的fosc的1/6。

若需要禁止ALE操作，不需ALE输出脉冲信号，需要将特殊功能寄存器（8EH）的0位置1，但在执行外存储器操作时，它依然是有效的，不会对访问产生什么影响。

对于它的第二功能，当单片机内Flash存储器进行编程时，PROG可作为编程脉冲输入端。

④PSEN（29脚）

它可以输出负脉冲，不过前提是单片机外程序存储器的读选通信号，如果访问单片机外程序存储器。

⑷、并行I/O口引脚

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①P0口：P0.0~P0.7引脚

当单片机访问外部存储器和I/O端，则会提供低8位多分路复用的地址总线端口。如果是准双向，则需要上拉电阻，这样I/O口可驱动8个LS型TTL负载，这时为准双向口。

②P1口：P1.0~P1.7引脚

P1是一个具有内部上拉电阻的准双向I/O口，可以驱动4个LS型TTL负载，在进行Flash存储器串行编程和校验时，P1.5口是穿行数据输入，P1.6口是串行数据输出，P1.7口是移位脉冲引脚。

③P2口：P2.0~P2.7引脚

P2与P1口相同，然而P2口还有两个功能，首先它可作为通用I/O口使用，其次也可以在单片机扩展外存储器和I/O口时作为并输出高8位地址。

④P4口：P3.0~P3.7引脚

3.1.2AT89S51单片机的主要特性

AT89S51具有如下特点：与MCS-51 兼容；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式。

主控制器由51单片机控制，这样的话就可以利用它的优点，编程自由大，可实现各种算法和逻辑控制，外在的话小巧便携，硬件的实现也很容易，安装也十分方便。既可以与微机通信上传数据，也可以单独对多DS18B20控制工作，另外AT89S51的应用也十分的广泛。

该系统通过AT89S51单片机控制DS18B20进行温度检测并通过显示电路显示出来，能够快速的检测温度，还可以还可以自己设置报警温度，这样就可以达到报警的功能。而且相较于扩展性，该系统也是十分强的，如果想获取时间数据的话，加入时钟芯片DS1302在该系统中即可，方便温度数据的采集和整理

3.2二氧化碳的采集与处理

采用温度传感器DS18B20测量温度，这里选取它量是因为它实在是太简单易操作了。而且最重要的是，它的各方面性能非常的稳定，在许多场

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合都可以适用。当温度在0℃-100℃时，它可以精确到小于1摄氏度。当然，它最大的特点还是采用单总线的数据输出，这样的设计可以直接输出温度的数字信号，这样的话整个系统就达到了简单的目的，而且体积小。

3.2.1二氧化碳传感器的选择

红外传感器好用,方便,经济便宜。所以我用了它

3.2.2红外传感器的工作原理

其测量精度：二氧化碳浓度相对误差<2%；检测重复性<1%；测量范围：二氧化碳浓度0～5%。

3.3温湿度传感器的设计

检测的话采用低温热偶，其中热电偶的组成是由两个焊接在一起的异金属导线组成的，热电偶产生的热电势是由单一导体以及两种金属接触组成。通过将参考结点持续保持在已知的温度，然后进行检测此处的电压，检测结点的温度就能得到，数据采样部分，被测温度的电压和电流是变化的，我们通过用带有A/D通道的单片机将其进行采集，然后A/D转换，数据就可以通过单片机进行处理，测的温度就可以通过显示电路被显示出来，工作范围非常广，体积小，这些都是热电偶的优点，但是由于输出电压小，它也存在着许多的缺点，常见的就是漂移较高，而且这些都用到A/D转换电路，感温电路会比较麻烦。

系统主要包括对以下几种信号输入输出电路，A/D0809的数据采样经单片机处理，自动手动工作方式检测也经单片机处理，经单片机处理的还有温度的显示等。而且还有现场输入硬件，A/D转换芯片，手动复位键，报警器等。

它的温度转换时间延迟为750ms，在温度高的时候，晶振会随温度变化而变化，产生的就会输送给信号输入计数器2。然而在温度低的时候，对它的影响反而很小，会固定给计数器1输入脉冲信号。预置将被重装并重新开始计算，若温度寄存器停止累加，需要这样一直重复循环到计数器2计数到0时，此时就会得到想测的温度的数值。

温度传感器DS18B20的特点有很多，主要有：

1、测温范围-55℃~+128℃，在-10℃~85℃时的测量误差仅±0.5℃；

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2、与单片机连接只需一根I/O线，而且可挂多个DS18B20温度传感器；

3、低电压3V~5V即可供电，供电方式可本地供电，也可以从数据线窃取电源；

4、可编辑9~12位数据，最大转换时间750ms；

5、每一个DS18B20都一个6 4位序列号，而且这个序列号单独并且不可以修改；

6、可以自由设定报警上下限；

7、可以直接将得到的温度的数值转换为数字量并传送到终端。

DS18B20有以下几个主要数据部件：

1、温度传感器在出厂前就有固定的序列号，这个号就是它的地址序列码，这样，每一个传感器都会不同，也就可以挂多个DS18B20温度传感器而且只需要一根总线。

DS18B20温度传感器如图3.2所示。

温度控制系统在我国发展一般，和国外相比就差得更远了。随着电子

技术的发展，各式各样的测量仪器也相继出现在市场中，当然也包括数字式语音温度计。不过现在国外正向着全机械无人化发展，他们的发展速度很快。相较于我国，则对这方面技术起步较晚，在温度控制领域，“点位”控制以及PID控制器为我国比较成熟的温控产品，可是在智能化方面还是无法与国外相比较。随着我国的经济不断的提高，政府和国内的企业也都很看重，并且建立了一些研发中心,还进行了许多创新性研究，凭借这些我国的仪表工业得到迅速发展。

一块小芯片，单片机的大量功能就集中在了上面,虽然它很小,但是它拥有部件可以近似于一个完整计算机：除了拥有外存,还拥有CPU,内存,内外部总线系统，同时集成诸多外围设备,比如定时器等，现在的单片机系统强大到可以将多种多样的复杂的输入与输出系统集成在一块芯片上

图3.2 DS18B20温度传感器

其引脚功能：

1、GND为电源地；

2、DQ为数字信号输入/输出端；

3、VDD为外接电源输入端。

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基于以上为由本设计管理人。hs1101传感器湿度适当。

电容式湿度传感器HS1101，它做工要求高,电容稳定,精度高；极好的线性输出；1～99％湿度量程；-40～100的温度范围；湿度输出安全稳定,快捷,方便；稳定性强。

HS1101的主要特性如下：

1、在理想状态下稳定安全；

2、脱湿速度快,牢靠；

3、专利的固态聚合物结构；

4、可用于线性电压或频率输出；

5、快速反应时间。

3.4A/D转换器及其接口电路

在常用的A/D转换芯片（如ADC0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135的与众不同在于，它是一个超级大国发明的一个双积分式A/D转换集成电路。

ICL7135的主要性能有其主要特点如下：

1、出电流典型值1PA；

2、所有输出端和TTL电路相容；

3、输出为动态扫描BCD码；

4、转换速度:3次/秒；

ICL7135的管脚图如图3.3所示。

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图3.3 ICL7135引脚图

3.5键盘显示电路设计

本文设计了4个按键，具体如下：

参数控制键K1：继续摁按钮,持续3秒数码管闪烁,进入状态表示:“按照状态控制设备除去按钮的价格,k2或一个k3数字馆持续增加或减少必要的价格,甚至为了以及按钮touch大学设置媒介daum、等待,二氧化碳浓度、温度和湿度控制媒介设置的所有的媒介桌和完成后设置置硬盘重针平4按钮,立即恢复了状态,退出。目前二氧化碳浓度、温度和湿度。

加一键K2：正常状态的数字闪烁状态,按下按钮观察控制仪器的价值,数码管,温度设置值设置控制时代又反过来控制,那么二氧化碳密度,亦可年龄k4立即退出按钮开始恢复状态。目前,当二氧化碳浓度。关键2号,控制价值状态(状态)得主闪烁数码管数值方法建立。内障超过3秒设置值增长迅速。

减一键K3：连续按键会迅速减值。

复位键K4：控制清零。

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蜂鸣器报警电路及LED发光二极管报警电路如图3.6所示：

（a）蜂鸣器报警电路

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（b）发光二极管报警电路

图3.6 声光报警

四、系统软件设计

4.1主程序流程图设计

程序主要实现的功能：通过本设计的方案论证，软硬件的设计，系统的仿真和调试。关于单片机方面的资料也查阅了许多，不仅是我的知识层面有了一个进一步的提高，还使我学习到了许多额外的知识。通过本次设计对我来说是受益匪浅的，不仅提高了我的知识面，还提高了在实际生产生活中的动手能力。这些对于我这种将要离开校园生活走向社会的应届毕业生来说是十分重要的一笔经验。其流程图如图4.1下所示。

4.2ICL7135流程图设计

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oqkm.html