病房空气质量监测系统的设计 - 图文

陕西理工学院本科毕业设计任务书

院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信工程(通信1201) 学生姓名 王奔 一、毕业设计题目 病房空气质量监测系统的设计 二、毕业设计工作自 2015 年 12 月 22 日 起至 2016 年 6 月 18 日止

三、毕业设计进行地点: 物理与电信工程学院实验室 四、毕业设计应完成内容及相关要求：

对于医院的患者来说，病房是患者长期活动的场所，对空气质量有很高的要求。如果病房的PM2.5浓度居高不下，将逐步对患者的呼吸系统、心脑系统和神经系统造成较大的损伤，将阻碍患者的康复和加大患者并发症的患病率。而PM2.5无色无嗅，单靠医护人员的观察，很难判断当前的浓度值，也无法进行必要的措施；现有的PM2.5测装置过于昂贵和庞大，用于实时监测病房细颗粒物环境存在很大的问题，基于这种背景，要求设计一款病房PM2.5实时监测系统，具有成本低廉体积较小的特点，能够实时显示当前病房的PM2.5浓度值，当病房PM2.5 浓度过大时，提醒医护人员

及时采取有效措施，降低患者对PM2.5 的吸入率。 五、毕业设计应收集资料及参考文献：

1、应收集与课题相关文献12篇（其中包括一篇英文文献），文献的发表年限应为2010年至2016年； 2、除了文献之外，所参考的书目不能超过3篇；

3、所有的参考资料要留存电子版，在交论文时一并打包交予指导教师。 六、毕业设计的进度安排：

1、必须查阅大量资料（包括一定数量的外文资料），了解课题的研究背景、意义，熟悉设计中要用到的相关电路知识；完成开题报告；并完成一篇外文文献的全文翻译工作； （1月1日－3月18日） 2、进行系统的概要设计；（3月19日－4月10日） 3、熟悉设计软件，并提交中期报告；（4月10日－4月20日） 4、系统的设计与实现；准备作品的验收；完成论文第一稿；（4月21日－5月10日） 5、根据要求对对论文及作品进行完善，完成论文第二稿；（5月11日－5月20日） 6、制作答辩PPT，准备答辩材料，准备答辩，并完成后续工作；（5月21日－6月10日）

7、必须定期与指导老师见面，汇报进展情况，按时完成论文的撰写工作。 指导教师签名 刘亚锋 专业负责人签名 王战备 学院领导签名 熊晓军 批准日期 2016-01-10

病房空气质量监测系统的设计

王奔

(陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业1201班，陕西 汉中 723003)

指导教师：刘亚锋

[摘要]室内空气污染会影响人体系统和各种器官，威胁到人的身体健康。因此,保持空气清新健康是很有必要

的。本文设计了一种采用单片机监测病房空气质量的系统。该系统把传感器技术与单片机控制技术以及AD转换技术相结合，实现对病房中PM2.5的采集以及温湿度的采集。本系统采用STC89C52单片机为控制中心，由夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器测量空气粉尘浓度，DHT11温湿度传感器测量温度和湿度，LCD1602显示当前空气PM2.5浓度、湿度和温度。当病房空气质量超过设置的上限值，蜂鸣器将自动报警，提醒医护人员采取一定措施。本设计系统操作简单，成本低廉，体积较小，测试精度也较高，方便医院等场所使用，具有一定的实用价值。

[关键词] 空气质量；监测系统；粉尘浓度；灰尘传感器

The design of ward air quality monitoring system

Wang Ben

(Grade12,Class 01,Major in Communication Engineering,School of Physics and

telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,Shaanxi)

Tutor: Liu Yafeng

Abstract: Indoor air pollution can affect various organs and body systems, and threat to human health. Therefore,

keep the air fresh and healthy is necessary. This paper presents a single-chip system to monitor air quality in the ward. The system is the sensor technology and control technology and single-chip AD conversion technology, to achieve the ward and PM2.5 collected temperature and humidity acquisition. The system uses STC89C52 microcontroller control center, measuring the concentration of airborne dust by Sharp GP2Y1010AU0F dust sensor, DHT11 temperature and humidity sensors measure temperature and humidity, LCD1602 display the current air concentration of PM2.5, humidity and temperature. When the air quality exceeds the upper limit of the ward setting, the buzzer will automatically alarm to alert medical personnel to take certain measures. The design of the system is simple, low cost, small size, high accuracy test, hospitals and other places convenient to use and practical value.

Key words: air quality ; monitoring system ; dust concentration ; dust sensor

目 录

引言 ............................................................................................................... 1 1课题背景及研究概况 ............................................................................... 2

1.1课题的背景 ........................................................................................... 2 1.2国内外研究现状 ................................................................................... 2

2系统方案论证与选择 ............................................................................... 3

2.1主控制器模块选择 ............................................................................... 3 2.2按键的选择 ........................................................................................... 3 2.3显示模块的选择 ................................................................................... 3 2.4总体方案设计 ....................................................................................... 3

3系统主要器件 ........................................................................................... 5

3.1 GP2Y1010AU0F传感器 ......................................................................... 5 3.2 ADC0832模数转换器 ........................................................................... 7 3.3 LCD1602液晶屏 ................................................................................... 8 3.4 STC89C52单片机 ............................................................................... 10 3.5 DHT11温湿度传感器 ......................................................................... 11

4 系统硬件设计 ........................................................................................ 13

4.1主控制模块的设计 ............................................................................. 13 4.2显示模块电路的设计 ......................................................................... 13 4.3报警模块的设计 ................................................................................. 14 4.4按键模块的设计 ................................................................................. 14 4.5粉尘模块电路设计 ............................................................................. 14

4.6污染级别提醒电路设计 ..................................................................... 15 4.7 温湿度传感器模块设计 .................................................................... 15

5 开发软件与硬件调试 ............................................................................ 17

5.1 Keil的应用 ....................................................................................... 17 5.2 Proteus的应用 ................................................................................. 17 5.3软件设计 ............................................................................................. 17 5.4软件调试 ............................................................................................. 18 5.5焊接测试 ............................................................................................. 19

结束语 ......................................................................................................... 21 致谢 ............................................................................................................. 22 附录A 英文文献原文 ............................................................................... 24 附录B 英文文献译文 ............................................................................... 32 附录C整体电路原理图 ............................................................................ 40 附录D 源程序 ........................................................................................... 41 附录E 元器件清单 ................................................................................... 47

陕西理工学院毕业设计

引言

医院与我们的健康息息相关，医院病房主要是弱势群体聚集的地方，空气质量并不怎么好，这让细菌、病菌滋生繁殖，造成更多人生病，这是一个重要的问题。病房的空气污染源主要有PM2.5，细菌，二氧化氮，二氧化硫和异味等，而大多数人85%～90% 的时间是在室内度过的，这使得他们

[1]

很容易遭受室内空气污染从而引发疾病。空气中的细颗粒物( PM2.5) 是地球大气成分中含量很少的组成部分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。由于环境的污染、气候的异常，PM2.5造成呼吸道疾病频繁发生，影响身体健康。据相关部门调查显示，2012年北京、上海因PM2.5污染分别造成早死人数为2349和2980人，分别占当年死亡总人数的比例为1.9%、1.6%，经济损失分别为

[2]

18.6、23.7亿元。可见，PM2.5对人类的危害极大。医院中的病房，房间数有限，每间房住的不止一个人，尤其是冬季，不开窗户，病房内空气质量当然很糟糕。患者长期活动居住的场所就是病

[3]

房，保持室内通风和清洁，是非常有必要的。特别是对于心、肺、脑等疾病患者，需要严格控制空气中PM2.5的浓度，湿度和温度等，避免传染病扩散，细菌繁殖等。病房适宜的温度冬季为18～22 ℃，夏季19～24 ℃，相对湿度为50%～60%，应根据季节等适当地调节室内温湿度，使病人感到心境愉悦。调节病房内温湿度，减少空气中的灰尘量，利于病体康复。因此，病房内空气质量更显重要，对病房室内进行环境监测，是一项很有意义的工作，对于患者治疗与康复是有很大益处的。

医院空气质量监测的目的是降低医院感染率，提高消毒灭菌数量。保持病房等室内清洁卫生，提高医务人员预防和控制医院感染的认知，使他们意识到控制医院空气质量的重要性，树立医院空气监测与控制的自觉性，总之，医院病房空气质量的定期监测，对预防感染和病人的恢复有很大益处，对提高医院医疗水平、确保医护质量、降低医院感染率等都有着重要意义。

本文设计的目的是制作一个简易的病房环境监测装置，既可以用来检测人们平时的生活环境，也可以帮助医院病房检测PM2.5、温度和湿度等环境值，及时提醒医护人员采取相应措施，使更多的医院病房空气质量得到保证，为病人创造一个优良的治疗和康复环境。

第1页共47页

陕西理工学院毕业设计

1课题背景及研究概况

1.1课题的背景

粉尘又称可吸入颗粒物，它能进入人的呼吸道，直径为10um，对人的眼睛、鼻腔和上呼吸道都非常有害。可吸入粉尘能长驱进入肺泡且沉积时间长，可导致心肺病、心血管疾病。粉尘容易携带病菌，传播散入空气中，极易传播疾病。生产中许多及其工作环境对粉尘浓度也有要求，工厂中的很多粉尘携带有毒化学物质，人们长久呼吸或长久散落皮肤上容易导致癌症的产生。美国专家研究发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20多种，致病病毒200多种。危害较大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”，也成为全世界各国共同关注的问题。所以粉尘携带这些有毒物质对人体健康和生产会产生巨大的危害性，近年来，医院感染发生率呈上升趋势，美国为5%～10%，国内统计数字为9.7%～16.45%。医院重症监护病房（ICU）患者基础病情严重，机体免疫力下降，侵入性诊疗操作较多，容易导致医院感染的发生，医院感染还和ICU室内空气质量密切相关。国外调查显示，ICU空气中浮

233

游菌数为7.0×10～1.8×10cfu/m有发生经空气感染的危险。在治疗周期中动态掌握病房室内空气

[4]

状况，进行及时有效的清洁等，对于病人的康复有重要意义。

现在人们生活空气质量每况愈下，空气质量监测系统是非常有必要的，尤其是家庭、工厂，医院等场所，有很大实用性。 1.2国内外研究现状

在国内大多采用先进的测试技术，有的是β射线原理[5]，其吸收量只与吸收物质的重量有关，而与吸收物质的物化性质无关完全等同于称重法，可直接读粉尘浓度。并且配不同的采样入口装置，可实现对总粉尘、可吸入粉尘、呼吸性粉尘进行监测。使用称重法比较，其相关系数大于97%，相对偏差小于10%。仪器采用的射线源符合核安全标准，可长期稳定工作。

袖珍式激光粉尘仪光源是激光管，原理主要是采用前向光散射。该仪器适用于公共场所可吸入颗粒物浓度的快速测定以及环境保护，医疗卫生等方面粉尘浓度检测、工矿企业生产现场粉尘浓度的监测。

美国EPA（美国环保局）从1987 年开始了对PM10 的网络化观测，从1999年开始了PM2.5 的观测；欧洲EMEP（欧洲空气污染物长程飘移监测和评价）从1998 年开始PM10 的网络化观测，目

[6]

前已有十几个国家参与，部分国家也对PM2.5 进行观测。

2011 年12 月，中国环境监测总站开始进行PM2.5自动监测方法适用性比对测试工作，并制定了《PM2.5自动监测方法适用性比对测试实验方案》。参考美国EPA 对PM2.5 自动监测仪器的认证方法，以我国手工监测标准方法为基准，对不同厂家、不同原理的环境空气自动监测仪进行单机比对测试，以全面了解PM2.5监测中的β射线法、β射线法联用湿度补偿、振荡天平（TEOM）法、震

[7]

荡天平联用膜补偿测量法（TEOMFDMS）和光散射法。

第2页共47页

陕西理工学院毕业设计

2系统方案论证与选择

本设计系统主要是为了监测病房空气质量状况等环境值，下面介绍具体方案的选择。 2.1主控制器模块选择 方案一：

采用复杂可编程逻辑器件CPLD 作为主控制器。CPLD可以实现规模较大、各种复杂的逻辑功能。规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，最适合作为大规模控制系统的控制核心。 方案二：

采用STC89C52单片机作为整个系统的核心，用其控制计算PM2.5浓度以实现其既定的性能指标。单片机的优势是控制简单、方便、快捷。它可以发挥其资源丰富、强大的控制功能及可位寻址操作功能等。STC89C52单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也已满足，另外价格也非常低廉。

本设计不需要复杂的逻辑功能，并且单片机是软件方法实现，CPLD是硬件实现。而且从使用及经济的角度考虑我放弃了方案一，选择方案二，所以采用了单片机来作为主控器。 2.2按键的选择 方案—：

采用矩阵式键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接，所以当按键比较多时可以降低占用单片机的I/O口数目，缺点是电路比较复杂，编程难度也较大。 方案二：

采用独立式按键电路，在由单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用的最多的是独立式键盘。每个按键单独占有一根I/O接口线，每个I/O口的工作状态互不影响。缺点主要是当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多，优点为电路设计简单，编程也相对容易实现。

综合考虑两种方案，由于系统资源是有限的，所以采用了第二种方案。 2.3显示模块的选择 方案一：

用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，价格便宜，使用简单，显示效果更佳清晰得到广泛应用。只是由于要显示英文及其他复杂字符，用数码管显示内容单一无法满足课题要求，所以我放弃了此方案。 方案二：

用LCD液晶进行显示。LCD由于发光点小而密集，显示内容丰富、清晰，显示信息量大而且驱动电压低，编程也相对较容易。

综合考虑对于此系统选用1602液晶能够很好的满足多种显示要求，因此我选择了方案二。 2.4总体方案设计

本设计采用由STC89C52单片机最小系统、GP2Y1010AUOF粉尘传感器、DHT11数字温湿度传感器、ADC0832模数转换器模块、LCD1602液晶模块、电源模块、蜂鸣器报警模块和按键模块组成。单片机实时通过ADC0832转换芯片采集GP2Y1010AUOF粉尘传感器的粉尘的浓度，通过单片机的数据转换处理后在液晶屏上显示空气中的质量，当测量空间中的粉尘浓度大于设置粉尘浓度时，蜂鸣器发出报警，其中粉尘的浓度报警值可以通过按键进行设置。系统总体框图如图2.1所示。

第3页共47页

陕西理工学院毕业设计

粉尘传感器 ADC0832 LCD1602液晶显示 数字温湿度传感器 单片机 STC89C52 按键模块 污染等级LED提示 电源模块 蜂鸣器报警 图2.1总体结构框图

第4页共47页

陕西理工学院毕业设计

3系统主要器件

3.1 GP2Y1010AU0F传感器

GP2Y1010AU0F是一个采用光学传感系统的灰尘传感器。该设备由红外线发光二极管（IRED）和一个光电管成对角布置而成。它通过检测空气中的尘埃的反射光。特别是，它能够有效地检测到像

[8]

香烟烟雾等非常细的粒子。此外，他可以通过脉冲模拟输出区分房子内的烟雾和灰尘。传感器内部原理图如图3.1所示。

图3.1 内部原理图

粉尘传感器性能参数如表3.1所示。

表3.1 粉尘传感器性能参数表

主要参数 灵敏度 输出电压 供电电流 体积规格 兼容性 供应电压Vcc 输入终端电压 适应温度

技术条件 0.5V/(0.1mg/m3) 0.9V(TYP) 11mA 46.0×30.0×17.6

兼容 -0.3～+7.0 -0.3～Vcc -10～65

备注 无灰尘 单位mm 无铅RoHS指令

单位V VLED单位V 单位

不接电容电阻接线示意图如图3.2所示。

第5页共47页

陕西理工学院毕业设计

图3.2 接线示意图

添加一个电阻和一个电容之后，接线如图3.3所示。

图3.3 接线示意图

GP2Y1010AUOF通上电后，1秒内会稳定、正常地工作，可以进行检出。从输出的电压来做判定，首先测出无尘无烟时的电压值。灰尘和烟检出时输出的区别：从输出电平大小的变化及输出电平时间的变化来看，可以知道检出对象物是什么。通常，香烟的烟是细微粒子，密度高，会扩散式地进行大范围的漂移。灰尘粉尘是一个一个的大颗粒，密度低，不连续地进入传感器的检出区域。如图3.4所示，烟是连续的表现出较高的输出电压，而灰尘是间隔的表现出较高的输出电压。因此，根据传感器的输出电压值在时间上的推移向微机软件的读取，判断是无尘无烟、有烟、有灰尘等状态，

[9]

包括污染灰尘浓度大小，都可以检出。

无尘时输出电压的更新：无尘时的输出电压是灰尘、烟的检出有无的判定级别的基准。无尘时

[10]

的输出电压是根据发光二极管输出的低下、盒子内部灰尘的附着、周围温度等来进行变化的。发光输出低下，无尘时输出电压下降；器件盒子内部的灰尘附着能使无尘输出电压有上升的倾向。一般，发光二极管在长期通电的情况下，输出会降低，导致无尘输出电压及检出感度也会随之降低。此时就要根据标准进行输出电压及感度的补正。另外，也要定期清理器件盒子内部的污染物。

第6页共47页

陕西理工学院毕业设计

图3.4 灰尘状态与输出波形图

夏普光学灰尘传感器（GP2Y1010AU0F）在检测非常细的颗粒，如香烟烟雾，是特别有效的，并且是常用的空气净化器系统。该装置中，一个红外发光二极管和光电晶体管，对角布置成允许其检

[11]

测到在空气中的灰尘反射光。该传感器具有极低的电流消耗，可以搭载高达7V/DC的传感器。输出的是一个模拟电压正比于所测得的粉尘浓度，敏感性为0.5V/0.1mg/m3。电压与粉尘浓度特性如图3.5所示。

图3.5 粉尘浓度与输出电压关系图

3.2 ADC0832模数转换器

ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。它有8只引脚，其中CH0和CH1为模拟输入端，CS为片选引脚，CLK是它的时钟输入端。在转换过程中采用的是串行数据链。

ADC0832 主要具有以下特点：

第7页共47页

陕西理工学院毕业设计

? 分辨率为8位 ? 双通道A/D转换 ? 最高分辨可达256级

? 工作频率为250KHZ，转换时间为32μS ? 一般功耗仅为15mW

? 8P、14P—DIP（双列直插）、PICC 多种封装 芯片顶视图如图3.6所示。

图3.6 ADC0832芯片顶视图

芯片接口说明：

（1） CS_ 片选使能，低电平芯片使能。

（2） CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 （3） CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 （4） GND 芯片参考0 电位（地）。 （5） DI 数据信号输入，选择通道控制。 （6） DO 数据信号输出，转换数据输出。 （7） CLK 芯片时钟输入。

（8） Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。 ADC0832 与单片机的接口电路如图3.7所示。

图3.7 ADC0832 与单片机的接口电路

在进行单片机和ADC0832的连接时，因为DI和DO并不是同时使用，所以DI和DO可以共用单片机的一条I/O线，再加上一条时钟线和一条片选线就可以实现单片机和ADC0832的连接。 3.3 LCD1602液晶屏

HJ1602A 是一种工业字符型液晶，可以同时显示16x02 即32个字符。原理是通过电压来改变填充在两块平行板之间的液晶材料内部分子的排列状况，以达到遮光和透光的目的来显示深浅不一，错落有致的图象，而且只要在两块平板间再加上三元色的滤光层，就可实现显示彩色图象。液晶是具有流动特性的物质，所以只需外加很微小的力量即可使液晶分子运动。

如今液晶显示模块已作为很多电子产品的普遍器件，如在计算器、彩幕屏、电子表及家庭娱乐等，用来显示数字、特殊符号和图形等。

第8页共47页

陕西理工学院毕业设计

在单片机系统中使用液晶显示器作为输出器件有下面几个优点： 1）位数多，可显示32位，32个数码管体积相当庞大了； 2）显示信息量很大，可显示所有数字和大、小写字母等；

3）程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而1602自动完成此功能； 4）液晶显示器件在使用中不会产生软X射线或电磁波辐射，而辐射可以造成医院环境污染和信息的泄露，而液晶显示器件不会产生此类问题，它是理想的显示器件。

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2行等模块。LCD1602分为带背光和不带背光两种，带背光的比不带背光的厚，本次设计采用的是带背光的，显示效果更加清晰直观。

1602字符型液晶显示器实物如图3.8和3.9所示。

图3.8 液晶屏正面

图3.9 液晶屏背面

（1）引脚说明：

第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平，R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。

第9页共47页

陕西理工学院毕业设计

3.4 STC89C52单片机

主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用，需要检测键盘，温度传感器等各种参数，同时驱动液晶显示相关参数，在我的设计中选用了51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52有40个引脚，32 位I/O 口线，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，3个16位定时/计数器。

STC89C52单片机的基本组成框图如图3.10所示。

XTAL2时钟电路XTAL1ROM/EPROM/Flash 4KBRAM128BSFR 21个定时/计数器3VccCPU总线控制中断系统5个中断源2个优先级串行口全双工1个4个并行口VssRSTEAALEPSENP0P1P2P3

图3.10 STC89C52单片机结构图

STC89C52单片机主要特性：

1)一个8 位的微处理器(CPU)； 2）8K字节程序存储空间； 3）512字节数据存储空间；

4）内带4K字节EEPROM存储空间；

5）可直接使用串口下载，不用ISP下载器； 6）具有看门狗功能和断电保存功能。 STC89C52单片机引脚图如图3.11所示。

第10页共47页

陕西理工学院毕业设计

图3.11 STC89C52单片机引脚图

3.5 DHT11温湿度传感器

温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。

鉴于测量温湿度的范围不大，精度要求不高故采用数字温湿度传感器DHT11。它是一款国产的湿温度一体化的数字传感器，实物如图3.12所示。

图3.12 DHT11实物图

DHT11具有的特性：相对湿度和温度测量、全部校准，数字输出、卓越的长期稳定性、无需额外部件、超长的信号传输距离、超低能耗、4引脚安装和完全互换。

主要性能指标如下：

? 电压范围：3.5V～5.5V ? 湿度测量范围：20～90%RH ? 温度测量范围：0～50℃ ? 采样周期：1s

? 湿度分辨率：1％RH 8位 ? 温度分辨率：1℃ 8位

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的

第11页共47页

陕西理工学院毕业设计

数字模块采集技术和温湿度传感技术。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。它已成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

第12页共47页

陕西理工学院毕业设计

4 系统硬件设计

4.1主控制模块的设计

主控制最小系统电路如图4.1所示。单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路。 STC89C52 单片机的工作电压范围：4V～5.5V,所以通常给单片机外接5V直流电源。连接方式为单片机中的40脚接正极5V，而20脚应接电源地端。

单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RSET上外接电阻和电容，就可以实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位是有效的。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。复位电路一般分为按键复位和上电自动复位。上电复位需要在单片机引脚RESET上连接一个电容到VCC,再接一个电阻到GND,这样形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RESET引脚上有足够时间的高电平进行复位，随后又回到低电平进入正常状态，所接的电阻和电容一般为10K和10uF。

时钟电路控制着单片机的工作节奏。时钟电路其实就是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，实际采用的是外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，所接的高频瓷片电容C1、C2值一般越低越好，偏大虽有利于振荡器稳定但会增加起振时间，常用的一般为15pF～30pF。

图4.1 单片主控电路

4.2显示模块电路的设计

显示模块采用LCD1602液晶显示器，能够清晰的在液晶上显示字符和数字，看到能让人感觉到舒服感。1602液晶显示模块可与STC89C52直接接口，液晶的命令操作脚是RS、RW和EN分别接在单片机的P3.5、P3.6和P3.7脚,数据脚D0～D7分别接单片机的的P1口。具体电路图如图4.2所示。

图4.2驱动电路

第13页共47页

陕西理工学院毕业设计

4.3报警模块的设计

本设计中声光报警电路采用NPN型S8550三极管驱动，当单片机的P1.3口输出低电平时，三极管的Ve>Vb>Vc>0。三极管的发射结正偏，集电结反偏，三极管饱和导通，此时发光二极管和蜂鸣器发出声光报警，当单片机的P1.3口输出高电平时，三极管截止，声光报警停止工作。具体电路图如图4.3所示。

图4.3 蜂鸣器工作原理图

4.4按键模块的设计

空气质量检测系统的灰尘参数可以通过按键进行设置。一个参数加键，一个参数减键,一个设置键。K1、K2和K3分别连接单片机的P3.5～P3.7三个引脚。具体电路图如图4.4所示。

图4.4按键模块电路图

4.5粉尘模块电路设计

夏普光学灰尘传感器（GP2Y1010AU0F）在检测非常细的颗粒，如香烟烟雾，是特别有效的，并且是常用的空气净化器系统。传感器的第一脚接了一个220uF的电解电容和150欧姆的电阻。第二脚接到单片机的P32外部中断0口，第五脚是粉尘浓度的模拟量输出脚，接在模数转换器ADC0832的通道1上。具体电路图如图4.5所示。

第14页共47页

陕西理工学院毕业设计

图4.5粉尘模块电路

4.6污染级别提醒电路设计

根据不同的浓度范围提醒当前污染级别的电路，采用了绿，黄，红三个LED灯，使用了单片机的P2.2，P2.1，P2.0实现其提醒功能，设计如图4.6所示。

图4.6 LED提醒电路

4.7 温湿度传感器模块设计

DHT11数字温湿度传感器是我后来才增加的模块。产品为4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。单片机的P2.0口用来收发串行数据，即数据口。连接传感器的Pin2（单总线，串行数据）。由于测量范围电路小于20m,因此在传感器的Pin2口与电源之间连接一个5K电阻，传感器的Pin1和Pin4分别接单片机的VCC和GND端。电路原理图如图4.7所示。

引脚介绍： Pin1：(VDD)，电源引脚，供电电压为3～5.5V。精 Pin2：（DATA），串行数据，单总线。 Pin3:（NC），空脚，请悬浮。 Pin4（VDD），接地端，电源负极。精

第15页共47页

陕西理工学院毕业设计

图4.7 DHT11电路原理图

第16页共47页

陕西理工学院毕业设计

5 开发软件与硬件调试

5.1 Keil的应用

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，Keil C51是众多单片机应用开发软件中最优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，甚至ARM，它集编辑，编译，仿真等于一体，它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。

Keil C51软件提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。本次使用的版本为Keil μVision4。

5.2 Proteus的应用

Proteus是英国Labeenter electronies公司研发的多功能EDA工具(仿真软件)，它具有功能和强大的ISIS智能原理图输入系统，友好的人机交互界面，有丰富的菜单与工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、Avr系列、Pic12系列、Pic16系列、Pic8系列、Z80系列和Hc11系列以及各种外围芯片。

Proteus不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。 5.3软件设计

本设计系统使用STC89C52作为微控制中心的单片机芯片，软件系统设计主要分为系统初始化模块、驱动传感器模块，A/D模数转换模块，PM2.5数值计算和显示等模块，各个模块都有不可磨灭的作用各自发挥着主要功能，单片机STC89C52通过软件程序实现对硬件设备的控制，测量并通过LCD显示出来PM2.5的值。系统的主流程图如图5.1所示。

第17页共47页

陕西理工学院毕业设计

开始 初始化 是 检测是否按下设置键？ 更改报警值上限 否 控制传感器采集数据 A/D转换，计算浓度值 是 大于报警值？ 蜂鸣器报警 否 对应浓度范围LED灯亮 液晶显示当前PM2.5浓度，湿度和温度

图5.1 主流程框图

5.4软件调试

本次系统设计用的是C语言软件程序对单片机进行操作控制，也就是说通过一个系统的软件Keil uVision对我编写的程序进程的调试过程，观察一下是否有不正常或者是错误的现象，首先，我要把程序烧录进去，同时在编写程序的时候也会出现很多的系统本自带的问题，有可能在软件的设计过程中的延时有的过长，有的过短的过程，比如说按键的消抖过程中，如果时间比较短暂的情况下，就会很容易导致数值连续等，在此过程中经过不断地修改最终如图5.2所示。

第18页共47页

陕西理工学院毕业设计

图5.2 编译界面

软件设计主要遇到的问题是显示出来的数值不稳定，一直在变化，由于刚开始程序里边一直是采集数据然后显示，单片机一直在做这个事，这样就会导致显示不稳定，解决方法是隔固定时间以后采集一次，而不是一直在采集。

5.5焊接测试

拿到电路板后，焊接各元器件，在焊接过程中要对各元件做逐一检查，例如二极管极性、电容容量及电阻值大小等。在元件与芯片焊接完毕后，要认真检查元件与元件之间引脚裸露部分有无相互接触现象，焊接面的各焊点间、焊点和近邻线有无连接，否则会造成短路等故障。最后，再给电路板空载上电(未插芯片)，检查线路板各管脚及插件上的电位是否正确，特别是单片机管脚上的各点电压。若上述的一切都测试正常，则硬件调试的准备工作完成。

常见故障主要是以下三点：

(1)元器件失效，主要是因为器件本身已损坏或性能不符合要求，或者是由于安装错误造成的元器件失效、损坏，例如电解电容、二极管的极性错误，芯片安装方向错误等。

(2)在焊接过程中，对焊锡用量要控制恰当，用量过多，形成焊点的锡易堆积大块，造成短路，焊锡过少则不足以包裹焊点。焊锡时没能充分融化焊锡，也易造成疏松的现象，不能很好地起到导电的作用。

(3)蜂鸣器不响，刚开始以为是蜂鸣器的引脚输出电流还不足以驱动蜂鸣器，后来我又加了一个三极管来驱动蜂鸣器。不过在接口那里加的电阻比较小的时候还是不能驱动，这可能是因为电阻太小，换成10K电阻以后总算能发出吱吱的声响，但不连续，最后换成24K以上后再接上单片机控制端以后就正常发声了。

遇到的困难与解决方法：

刚开始我的硬件作品只能检测当前空气中PM2.5浓度，功能比较单一，通过老师指导，我意识到空气中除了粉尘还有其他数据也需要监测，于是我后来又改造了一下原来的实物，增添温湿度监测模块，难点是东西焊好后又要增加模块，比较不容易了，所以得弄清楚重要的线连接导通情况，必须确定湿温度传感器和单片机公用电源电路部分与接地部分，传感器的数据端接单片机的I/O口，然后重新找个合适的位置进行焊接，焊接好后重新编程与下载程序，并将测得数值在LCD1602液晶屏上显示出来，现在它既可以监测病房空气PM2.5浓度，也可以监测湿度和温度等。程序设计也是一大难点，程序编写好后要不断调试，修改，以达到较高的稳定性，比如有时候程序编写错误导致PM2.5检测出来的数值明显异常。这些都花费我不少精力与时间，最后终于解决，成功达到课题要

第19页共47页

陕西理工学院毕业设计

求。

硬件实物图如图5.3和图5.4所示。

图5.3 实物图正面

图5.4 实物图背面

第20页共47页

陕西理工学院毕业设计

结束语

本系统综合利用传感器技术、自动监测技术和微控制器技术，设计了一套病房空气质量监测系统。该系统软硬件设计合理，操作方便，简洁实用。在本设计中GP2Y1010AU0F粉尘传感器采集空气中PM2.5的浓度值，经过STC89C52单片机处理后，在LCD1602上显示，检测的PM2.5浓度值超过报警值后，蜂鸣器报警，报警值可以用按键手动设置大小。另外，在实时检测浓度的同时，根据当前检测浓度亮起相应的灯，最后又增加了温湿度模块，还可以显示当前病房空气湿度和温度环境情况。本课题实现了对病房空气质量的实时PM2.5浓度、湿度和温度采集，经过转换，单片机计算，LCD显示功能，测量精度相对比较高，可达1ug/m3。本系统具有实时检测、实时报警、价格低廉、体积小、携带方便和检测结果清晰直观的特点，是一种高使用价值的产品，既可以方便医院等场所，也可以适用于家庭、工厂车间等领域。

但因为我的水平有限，此病房空气质量监测设计中也存在一定的不足。就比如刚开始只考虑到监测PM2.5浓度，所以后期又改进完善。对于本系统更进一步的设想，系统可以开发成多机监控模式，这就能同时监测多个病房室内的空气质量，通过串行通信传到上位机进行综合处理。另外还可以设计为多路气体检测，未来可以实现更多的检测功能。为了突出智能化和人性化，例如可以适用于病人，他们可以把舒适的环境的指标通过相应的按键来控制，按下按键后，通过本系统控制相应的设备调节来达到病人的健康环境。例如现代空调都是针对空气温湿进行调节，可以将本设计加入空调内部，使其既能控制温湿度，还可以对空气中的各种气体进行检测，并通过控制病房“新风系统”改善空气各方面的质量。

第21页共47页

陕西理工学院毕业设计

致谢

毕业设计对我个人而言，凝聚了许多努力和汗水，也经受住了不少挫折。毕设和课程设计不同，由于毕业设计的综合性，几乎用到所学的全部知识，而且是我第一次接触传感器的使用，对我来说这是一个全新的考验。由于基础过于薄弱，专业知识有限，一开始其实并不怎么顺利。

从研究课题，搜集材料，到正式投入设计，我花费了很多时间和精力。对于这次全新的设计，老师给了我很大的自由空间，可以充分发挥自己的创造思维。但是，对于很多新的尝试，我还是有所拘束，心想肯定是很难做到的。也可能是性格使然吧，每当遇到问题，设计处于茫然状态之时，我便总是逃避，总是推到明天，让我迷失了方向。又是刘老师在繁忙的时候，给我做细致的分析指导，空气中除了PM2.5还有其他环境数据也可以检测，让我茅塞顿开，使设计得以延续直至顺利完成。

通过此次的毕业设计的检验，发现自己有很多的不足，需要提高的还有很多，同时在待人接物的方面也需要提高，做到和同学良好的沟通，讲究团队合作的能力。从刘老师那里，我学到了许多专业知识和实践经验，刘老师是一位严谨负责的老师，对我在论文的指导上也是不厌其烦，让我受益匪浅。最后，再次对刘亚锋老师表示真诚的谢意和崇高的敬意，同时也对所有帮助过我的同学表示衷心的感谢。

致谢人：

2016年6月5日

第22页共47页

陕西理工学院毕业设计

参考文献

[1] 郭钰坚.基于C8051F330 单片机的医院病房二氧化碳监控终端设计[J].中国医疗器械信息,2010,16(07):13-16. [2] 王啸东.PM2.5粉尘颗粒检测仪的研制[J].电子世界,2013,16:96-96. [3] 马浩,刘亚侠.病房PM2.5监测系统的研究[J].医疗装备,2014,27(02):28-30.

[4] 安育林,王艳,肖利军等.重症监护病房空气质量的研究现状与进展[J].中国医学前沿杂志:电子版,2014,08:157-160.

[5] 但德忠.环境空气PM2.5监测技术及其可比性研究进展[J].中国测试,2013,39(02):1-5. [6] 王媛.PM2.5的监测技术及现状[J].科技致富向导,2013,17:52-52. [7] 何强,文卉.基于单片机和DSM501测量PM2.5[J].电子世界,2014,16:27-28. [8] 徐连成.基于单片机空气质量检测系统[J].电子技术,2015,07:23-25.

[9] 刘少军,王瑜瑜.基于单片机控制的空气质量检测系统的设计[J].机械与电子,2015,01:53-56. [10] 兰冰芯,谌海云,陈东等.基于单片机的PM2.5测试仪的设计与实现[J].物联网技术,2014,11:32-34.

[11] MA Pillai，S Veerasingam，D Yaswanth Sai. CAN based smart sensor network for indoor air quality monitoring.IEEE International Conference on Computer Science & Information Technology,2010,08:456-460. [12] 王昊,孔令荣.PM2.5浓度无线检测系统设计[J].电子科技,2015,28(07):133-136.

[13] 朱颖.基于单片机的室内粉尘与异味检测系统设计[J].自动化与信息工程,2015,36(01):37-40. [14] 邵欣.基于STC89C58RD+单片机的空气质量检测系统[J].信息通信,2013,06:46-47.

[15] 吕广娜,李荣山.大气细颗粒物PM2.5对人体损害及致病机制的研究进展[J].中国医药指南,2013,29:43-43.

第23页共47页

陕西理工学院毕业设计

附录A 英文文献原文

CAN Based Smart Sensor Network for Indoor Air Quality Monitoring

Minu A Pillai, Sridevi Veerasingam, Yaswanth Sai D

Department of Instrumentation and Control National Institute of Technology Tiruchirappalli India

minuapillai@yahoo.com,sridevi@nitt.edu, yaswanthsai@gmail.com

Abstract:Good indoor air quality (IAQ) can contribute to the safety, health and comfort of the people. Since indoor exposure to air contaminants penetrating from the indoor air contaminant sources depends on a number of parameters such as the ventilation rate, the geometric characteristics of the indoor environment, the indoor removal mechanisms and the concentration of air contaminants released, the implementation of smart sensor network is a promising solution to ensure good indoor air quality.This paper focuses on the application of CAN (controller Area Network) in forming a smart sensor network. The nodes are physically distributed where the serial common bus communication network CAN provides a robust means of interconnecting the nodes in the network. This paper proposes Atmel CANary based sensor nodes and motor control node for the monitoring and control of indoor air quality. The system output is a prototype of IAQ monitoring and control system which is evaluated through hardware tests. Keywords:Indoor Air Quality;Networked systems;Controller Area Network I.INTRODUCTION

Indoor air quality refers to the physical, chemical, and biological characteristics of air in the indoor environment within a home, building, or an institution or commercial facility. In many countries energy efficiency improvements sometimes make buildings relatively airtight, reducing stale air exhaust and air exchange with the outside. It can result in poor indoor air quality which may lead to occupant health and structure durability problems. Indoor pollution sources that release gases or particles into the air are the primary cause of indoor air quality problems at homes, industries and in air conditioned cabins.

A typical smart sensor network is made up of nodes that have different functions. Some nodes will only transmit data, some will receive data, and some may have multiple functions. A typical smart sensor node is made up of both digital and analog components, which allow the sensor data to be captured, transformed, analyzed, and transmitted to other nodes in the system [1]. With a networked system with distributed sensor nodes, display node and a motor control node indoor air quality can be continuously monitored and controlled [10]. Applying the CAN protocol to a smart sensor network is a natural progression from existing sensor networks. The CAN bus provides an ideal platform for interconnecting nodes and allows each node to communicate with any other node.

A networked system which requires fast and robust communication and where data should maintain high integrity, Controller Area Network protocol (CAN) can be used for the communication between nodes [3]

, as CAN protocol was optimized for systems that need to transmit and receive relatively small amounts of information reliably to any or all other nodes on the network [6]. The CAN protocol is robust and uses sophisticated error checking and handling [2], which allows errors and failures to occur without shutting the entire system down which is useful in the motor control node. The error containment also allows sensor nodes to be added to or removed from the system while the network is in operation.

The objective of this paper is to design a CAN based networked indoor air quality monitoring system with two sensor nodes and a motor control node with display. The paper is organized into VI sections including this introduction. Section II explains the proposed system which also gives the CAN protocol 2.0 specifications. Section III gives the detailed description of hardware design of CAN nodes. Section IV explains the software design of the CAN nodes. Real time results are shown in section V. Finally conclusions are presented in section VI. II. THE PROPOSED SYSTEM

第24页共47页

陕西理工学院毕业设计

A.Controller Area Network based smart sensor network for indoor air quality monitoring

The schematic of proposed system is shown in Fig.1 with two sensor nodes and a motor control node with display. The sensor nodes continuously takes the readings which shows the presence of volatile organic compounds and other gaseous air contaminants for a particular time and sends the data out on the bus. As the maximum sensor output voltage is greater than the reference voltage of the inbuilt ADC of the microcontroller a scaling circuit is used. The scaling circuit is a simple inverting amplifier whose gain is adjusted so as to scale the sensor output, followed by another amplifier in inverting mode with unity gain.

Figure 1. Schematic of the proposed system

The inbuilt CAN controller fulfils communication functions prescribed by the CAN protocol. The CAN transceiver connects the CAN controller to the CAN bus. The bus transceiver converts the standard logic signals from the CAN controller to the physical levels used on the physical CAN bus [5]. It also adapts signal levels from the bus to levels that the CAN controller supports.

Through the CAN bus interface the sensor data is transmitted to the third node where the concentrations of the gaseous air contaminants can be easily be monitored and controlled. If the concentration of the gases increases the sensor output will increase and the same data is received at the motor control node where the data limit is set. If the received data exceeds the predefined limit, the alarm will turn on and the motor will start, which will make the exhaust fan associated with the motor to run continuously. As the fan expels the contaminated air out of the cabin the sensor output will decrease. When the sensor output is less than the predefined limit the fan will stop. The received sensor data is also continuously displayed at this node. The CAN bus is a differential two wire interface which is terminated at the two ends with 120Q resistors to minimize reflected waves occurring from mismatched impedances. The two lines of the CAN bus is CAN_H line and CAN_L line. A.CAN 2.0 protocol specifications

CAN is a serial bus protocol especially suited for networking intelligent devices as well as sensors and actuators within a system or subsystem.CAN (Controller Area Network) was originally developed for automotive applications in the early 1980’s [2]. It is an asynchronous serial communication protocol which

efficiently supports distributed real-time control with a very high level of security. CAN 2.0 is a broadcast digital bus designed to operate at speeds from 20kb/s to 1Mb/s [2]. CAN 2.0 is an attractive solution for embedded control systems because of its low cost, light protocol management, the deterministic resolution of the contention,and the built-in

features for error detection and retransmission [4].

CAN is a serial bus system with multi-master capabilities, that is, all CAN nodes are able to transmit

第25页共47页

陕西理工学院毕业设计

data and several CAN nodes can request the bus simultaneously. It covers the lowest two layers of the ISO/OSI reference model which includes the data link and physical layer. The Datalink layer recognises and understands the format of messages [5]. CAN protocol define messages as frames. Embedded in the data frames are arbitration fields, control fields, data fields, cyclic redundancy check sum (CRC) fields, a 2 bit acknowledge field, and an end of frame. The arbitration field prioritizes messages on the bus. For a standard data frame, the arbitration field consists of 11 bit identifier and for extended data frame 29 bit identifier [8], [9].

The physical layer specifies the physical and electrical characteristics of the bus. Most CAN systems implement the physical layer of the protocol by using some kind of transceiver which connects the CAN_H and CAN_L pins to the CAN bus with a differential signal of 0–3 V. ISO 11898- 2 is the most used physical layer standard for CAN networks in which data rate is defined up to 1 Mbit/s with a theoretically possible bus length of 40 m at 1 Mbit/s. The high-speed standard specifies a two-wire differential bus with a maximum of 30 nodes [9]. The bus level is determined by a potential difference between the CAN_H and CAN_L wires. The CAN bus line can have one of two logical states: recessive and dominant. Typically, the voltage level corresponding to recessive (logical 1) is 2.5 V and the levels corresponding to dominant (logical 0) are 3.5 V for CAN_H and 1.5 V for CAN_L. The voltage level on the CAN bus is recessive when the bus is idle.

The CAN protocol handles bus accesses according to the concept called Carrier Sense Multiple Access with Arbitration on message priority. If two or more bus nodes start their transmission at the same time after having found the bus to be idle, collision of messages are avoided by bitwise arbitration. Each node sends the bits of its message identifier and monitors the bus level. When a dominant bit is being sent, the resulting bus state according to wired-AND principle is also dominant. Otherwise, if a recessive bit is being sent, the resulting bus state depends on what other nodes are sending in the same time [8], [9]. The recessive bus state means that there is no collision, the dominant state means that at least one node is sending dominant bit. When the node receives a dominant bit during sending a recessive one, it loses the arbitration and withdraws from the transmission. It means that messages with lower ID values higher priority. Nodes that lose arbitration automatically try to repeat their transmission once the bus return to the idle state.

III. HARDWARE APPROACH A.Sensing Module

In the proposed system the sensing nodes are designed and implemented using low cost gas sensors. The used gas sensors are sintered SnO2 semiconductor heated sensors provided by Figaro [7]. The TGS 2620 is a volatile organic compound sensor and TGS 2600 is air contaminant sensor. TGS 2620 has high sensitivity to the vapours of organic solvents as well as other volatile vapours. It also has sensitivity to a variety of combustible gases such as carbon monoxide, making it a good general purpose sensor. TGS 2600 has high sensitivity to gaseous air contaminants such as hydrogen and carbon monoxide. In the presence of a detectable gas, the sensor's conductivity increases depending on the gas concentration in the air. A simple electrical circuit can convert the change in conductivity to an output signal which corresponds to the gas concentration.

B.Signal Conditioning Module

The output of the sensor is in the range of 0-5V. But the maximum analog input the inbuilt ADC can support is 3V. So a scaling circuit using the operational amplifier LM741 is used as the signal conditioning circuit. The gain of the op- amp and the input determines the output of the circuit. C.Microcontroller Module

AT89C51CC03 is an 8-bit microcontroller with inbuilt 10-bit resolution ADC and CAN controller from Atmel Corporation. The proposed system uses the very thin quad flat package IC. An adapter is used

第26页共47页

陕西理工学院毕业设计

as the IC cannot be programmed directly. The conditioned sensor output is given to one of the analog input channel of the ADC, which converts it into corresponding digital output. The digital output is given to the CAN message channel of the inbuilt CAN controller. The sensor data is processed by the CAN controller based on the CAN protocol version 2.0A. D.CAN Transceiver Module

The ATA6660 is a high speed CAN transceiver from Atmel Corporation. It is especially designed for high speed CAN Controller differential mode data transmission between CAN Controllers and the physical differential bus lines. It supports a maximum transmission speed of 1Mb/s. Fig. 2 shows the circuit connection for the microcontroller and the CAN Transceiver. E.Motor Control and the Alarm Module

This module consists of an exhaust fan controlled by +5V brushless DC motor and a motor driver ULN2803 which is connected to the microcontroller. If the received sensor data is higher than the predefined limit the motor starts and the exhaust fan will start rotating continuously. At the same time alarm will also turn on. As the voltage from the microcontroller is not sufficient to run the motor, the motor driver ULN2803 is used which supplies sufficient voltage to the motor to run.

Figure 2. Microcontroller and CAN Transceiver connection

The alarm unit mainly consists of a buzzer. The triggering of the alarm unit is directly controlled by the microcontroller. As the fan rotates it expels out the contaminated air out and fresh air will replace it. As the concentration of gas decreases the sensor output decreases and when it becomes less than the limit the fan will stop. F.Display Module

LED display is used to display the received data in hex values.LCD display also can be used, which will show the corresponding ASCII values of the received data. The display node can also contain a computer which continuously monitors the data coming from the sensor nodes. IV.SOFTWARE IMPLEMENTATION

Keil μVision 2 IDE is used to develop the application software. Fig 3 shows the flowchart to transmit CAN signal to CAN bus by the sensor node and fig. 4 shows the flowchart to receive CAN signal from CAN bus by the motor control node with display. The program is written in Keil C language and simulated using Keil μVision IDE to generate the hex file. This hex file is then downloaded into the microcontroller for it to function as programmed. As the functions related to CAN are readily available in Keil μ Vision IDE the compilation and there after development process is easy. V.EVALUATION

The sensor data is transmitted and received as either standard or extended format based on the CAN standard being used. Here the data is transmitted as CAN standard format with 11-bit identifier. Fig. 5 shows the Digital Signal Oscilloscope (DSO) output of CAN signal for sensor node 1 and fig. 6 shows the

第27页共47页

陕西理工学院毕业设计

DSO output of CAN signal for sensor node 2. This is used to verify CAN data and estimate the CAN timing. The transmission speed of CAN is set to 1Mb/s.The identifier set for sensor 1 node is 123 and for sensor 2 nodes is 214. As CAN arbitration is based on wired AND mechanism the sensor 1 node will transmit the data first as it has the lowest identifier number which has got highest priority. Start Reset CAN Clear CAN Interrupts and message buffer Set transmission rate and enable CAN controller Initialize ADC Select analog input channel and start conversion No End of conversion Yes Select channel for transmission and set its ID Store the value in CAN message buffer Enable transmission Figure 3. Flowchart of CAN transmission program

第28页共47页

陕西理工学院毕业设计

Start Reset Can Controller Initialize CAN interrupts and message buffer Configure the CAN bit transmission rate Enable CAN controller Select channel, set channel ID and enable reception No Signal Received ? Yes No CAN ID Matches? Yes Display to LED Delay No Data limit exceeds ? Yes Motor starts Alarm turn on Reset buffer LED off Figure 4. Flowchart of CAN receiver program

第29页共47页

陕西理工学院毕业设计

Figure 5. DSO output of CAN signal for sensor node 1

Figure 6. DSO output of CAN signal for sensor node 2

Fig. 7 shows the experimental set up of the proposed indoor air quality monitoring and control system. The motor control node action is checked with +5V brushless DC motor with fan which is used in CPU for cooling purpose. The maximum concentration of gases which the sensor can sense is 10000ppm which gives the maximum output voltage of 5V.When the concentration of gases exceeds 6000ppm, the output voltage will go beyond 2.85V. Then the alarm will turn on and the fan will start rotating. I.CONCLUSION

CAN based smart sensor network for indoor air quality monitoring has been designed with two transmitter nodes and one receiver node. The transmitter nodes are designed as sensor nodes and the receiver node as the motor control node with display which accepts messages from the sensor nodes and uses the information to switch on and off the fan, there by controlling the concentration of air contaminant gases. CAN communication between the two sensor nodes and the motor control node has been implemented through the CAN physical layer standard ISO 11898-2, which defines CAN bus as two wire differential bus.

第30页共47页

陕西理工学院毕业设计

Figure 7. Experimental setup of the proposed system

Because the protocol is message based, any node can send a message to any other node. This gives tremendous flexibility to the system designer. The small size of the CAN transceiver IC and the microcontroller with integrated CAN solution reduces the size and cost of the node considerably. With the use of high speed CAN transceiver the data is transmitted and received in faster rates with high level of integrity. The processing time associated is also small.

REFERENCES

[1] O. Postolache, M. Pereira and P. Girao, “Smart Sensor Network for Air Quality Monitoring Applications”, Proc. of Instrumentation and Measurement Technology Conference, pp. 537- 542, May 2005.

[2] Mazran Esro1, Amat Amir Basari , Siva Kumar S, A. Sadhiqin M I and Zulkifli Syariff, “Controller Area Network (CAN) Application in Security System”, World Academy of Science, Engineering and Technology,pp. 299- 302, 2009. [3] M. Farsi, K. Ratcliff and Manual Barbosa, “An overview of Controller Area Network”, Computing and Control Engineering Journal, pp. 113-120, June 1999.

[4] Hanxing Chen and Jun Tian, “Research on the Controller Area Network”, International conference on Networking and Digital Society, pp. 251-254, 2009.

[5] Kyung Chang Lee and Hong-Hee Lee, “Network-based fire-Detection System via Controller Area Network for Smart Home Automation”, IEEE Trans. Consum. Electron, 1094 vol. 50, no. 4, pp. 1093-1100,July 2004.

[6] Mario Alves, Miguel Pereira, Helena Geirinhas Ramos, “CAN protocol: A laboratory prototype for Field Bus Applications”, XIX IMEKO World Congress, Fundamental and Applied Metrology, pp. 454-457, September 2009. [7] Figaro “Gas Sensor Catalog”, Figaro Inc., www.figarosensor.com.

[8] Robert Bosch GmbH, Stuttgart,“CAN Specification Version 2.0”, 1991,CANLiteraturehttp://www.can.bosch.com/content/Literature.html [9] Marco Di Natale, “Understanding and using the Controller Area Network”, October 2008.

[10] Martin Torngren, “A perspective to the Design of Distributed Real– time Control Applications based on CAN”, Proc. of the 2th International CAN Conference ICC 1995, pp. 9-2 to 9-11. 第31页共47页

陕西理工学院毕业设计

附录B 英文文献译文

基于智能传感器网络的室内空气质量监测

Minu A Pillai, Sridevi Veerasingam, Yaswanth Sai D

仪表和控制系

蒂鲁吉拉伯利国立技术学院

印度

minuapillai@yahoo.com,sridevi@nitt.edu, yaswanthsai@gmail.com 摘要：良好的室内空气质量（IAQ）有助于人民的安全，健康和舒适。室内空气污染源取决于多项参数，如通风量，室内环境的几何特征，室内去除机制和空气污染物的释放的浓度，智能传感器网络的实施是一种很有前途的解决方案，以确保良好的室内空气质量。本文重点介绍CAN（控制器局域网络）形成智能传感器网络应用。串行总线通信网络可以提供一个稳定的手段在使物理分布的节点在网络中互连。本文提出了一种监测和室内空气质量控制基于爱特梅尔传感器节点和电机控制节点。系统的输出是一个室内空气质量监测和控制系统，通过硬件测试评估。 关键词：室内空气质量，网络系统，局域网控制器 一. 介绍

室内空气质量指的是在家庭室内环境，建筑物内的空气或一个机构或商业设施里空气的物理，化学，生物特性。在许多国家，能源效率的提高，有时使建筑物相对密闭，减少污浊的空气排出，并与外界空气交换。它会导致室内空气质量差，这可能导致对居住者的健康和构造的耐久性问题。该释放气体或颗粒进入空气室内污染源是在家庭，工业和在空调的舱室内空气质量问题的主要原因。

一个典型的智能传感器网络是由具有不同功能的节点。一些节点仅传输数据时，有些人会接收数据，有些可能具有多种功能。一个典型的智能传感节点是由数字和模拟部件，它允许将传感器数

[1]

据被捕获，转化的，分析的，并在系统传送到其他节点。与分布式传感器节点，显示节点和一个

[10]

马达控制节点室内空气质量可连续监视和控制的联网系统。运用CAN协议到智能传感网络是从现有的传感器网络的一个自然的过程。CAN总线提供用于互连节点的理想平台，并允许每个节点与任何其他节点进行通信。

这就需要快速和可靠的通信并且其中数据应保持高完整性的联网系统，控制器区域网络协议

[3]

（CAN）可用于节点之间的通信，如CAN协议被用于需要传送系统进行了优化和可靠地接收相对少

[6][2]

量的信息对任何或所有其他节点在网络上的。CAN协议是健壮和使用复杂的错误检查和处理，它允许在不关闭整个系统下降，这是在电动机控制节点有用的发生的错误和故障。错误遏制还允许传感器节点被添加到或当网络处于操作从系统中除去。

本文的目的是设计一个CAN基于网络的室内空气质量监测系统具有两个传感器节点和与显示的马达控制节点。全文分为六部分，包括本节介绍。第二节说明该系统还提供了CAN协议2.0规范。第三节给出的CAN节点硬件设计的详细描述。第四节介绍了CAN节点的软件设计。实时结果显示在第五节，最后的结论在第六节介绍。 二. 设计的系统

A.基于智能传感器网络的局域网控制室内空气质量监测

设计的系统原理图图如图1所示具有两个传感器节点和与显示的马达控制节点。传感器节点将连续拍摄其示出的挥发性有机化合物和其它气态空气污染物的特定时间的存在的读数和数据发送总线上。作为最大的传感器输出电压小于用于缩放电路的微控制器内置的ADC的参考电压。定标电路是一个简单的反相放大器的增益被调整，以使缩放的传感器输出，随后在与增益反相模式另一个放大器。

第32页共47页

陕西理工学院毕业设计

图 1 本系统的原理图

内置的CAN控制器符合CAN协议规定的通信功能。CAN收发器连接的CAN控制器到CAN总线。

[5]

总线收发器从CAN控制器的标准逻辑信号转换为物理CAN总线上所使用的物理水平。同时它还采用信号电平从总线到CAN控制器的支持水平。

通过CAN总线接口的传感器数据被传输到那里的气体的空气污染物的浓度可以很容易地进行监视和控制的第三节点。如果该气体的浓度增加，传感器输出将增加，并且在同一数据在那里的数据限制设置电动机控制节点被接收。如果接收到的数据超出了预设的限制，报警器会打开，电机启动，这将使与电机连续运行相关的排气扇。作为风扇排出的被污染的空气从机舱的传感器输出将降低。当传感器输出小于预定义的极限的风扇将停止。接收的传感器数据也被连续地在该节点显示。CAN总线是其在两端终止120电阻，以尽量减少不匹配的阻抗发生反射波的差分双线接口。 CAN总线的两条线是线CAN_H和CAN_L线。 B. CAN 2.0协议规范

CAN是一种串行总线协议，特别适合于系统或subsystem.CAN（控制器区域网络）内联网的智能

[2]

设备以及传感器和执行器在1980年初的汽车应用所开发出来。它是高效率地支持分布式实时控制具有非常高的安全级别的异步串行通信协议。 CAN 2.0是一个广播数字总线设计成在从20Kb/s到

[2]，[8]

的1Mb/s的速度进行操作。CAN2.0是一个有吸引力的解决方案的嵌入式控制系统，简单协议管

[4]

理，用于误差检测和重传的内置功能的解决方案。

CAN是一种串行总线系统，多主控的能力，也就是所有的CAN节点都能够传送数据和几个CAN节点可以同时请求总线。它涵盖了ISO/ OSI参考模型，其中包括所述数据链路和物理层的最低两层。

[5]

数据链路层识别和理解的消息的格式。 CAN协议定义消息作为帧。嵌入在数据帧是仲裁字段，控制字段，数据字段，循环冗余校验和（CRC）字段，一个2比特确认字段，应答场和帧结束。仲裁域

[8][9]

优先传送的消息。对于标准数据帧，仲裁场由11位标识符和扩展的数据帧29位标识符。

物理层规定了总线的物理和电气特性。最能系统通过使用某种类型的收发其中CAN_H和CAN_L引脚与ISO11898-20-3 V的差分信号连接到CAN总线实现协议的物理层是CAN最常用的物理层标准网络，其中数据速率定义高达1Mbit/s与1Mbit/s为40微米的理论上可能的总线长度。高速标准指

[9]

定具有最大30个节点的一个两线的差分总线。总线电平由CAN_H和CAN_L导线之间的电势差来确

第33页共47页

陕西理工学院毕业设计

定。CAN总线线路可以有两个逻辑状态中的一种：隐性和显性。通常情况下，相应的电压电平，以隐性（逻辑1）为2.5 V，对应于主导（逻辑0）的水平是3.5V为CAN_H和1.5伏为CAN_L。 CAN总线上的电压电平是隐性当总线空闲。

CAN协议处理根据调用仲裁的消息优先载波侦听多路访问概念总线访问。如果两个或多个总线节点在找到一个总线空闲之后开始的同时它们的传输，消息的碰撞由位仲裁避免。每个节点都发送报文标识符位，并监视总线电平。当根据线与原则显性位被发送，由此产生的总线状态也占优势。

[8]，[9]

否则，如果正在发送的隐性位，将所得总线状态取决于其他节点都在同一时间发送。隐性总线状态意味着没有碰撞，占主导地位的状态是指至少一个节点发送显性位。当节点发送一个隐性之一期间接收一个显性位，它失去仲裁并从发送退出。这意味着具有较低ID消息值更高的优先级。那些仲裁失败节点就会自动尝试重复一旦总线返回到空闲状态的传输。 三. 硬件模块 A. 传感模块

在该系统的传感节点设计，并使用低成本的气体传感器来实现。所用的气体传器是由费加罗提

[7]

供烧结的SnO2半导体加热传感器。的TGS2620是挥发性有机化合物传感器和TGS2600是空气污染物传感器。

TGS2620具有有机溶剂的蒸气的高灵敏度以及其它挥发性蒸气。它也有各种可燃气体，如一氧化碳，使其成为一个良好的通用传感器的灵敏度。TGS2600具有气态空气污染物如氢和一氧化碳的高灵敏度。可检测气体的存在下，传感器的导电率的增加依赖于在空气中的气体浓度。一个简单的电路可以在导电性的变化转换为对应于气体浓度的输出信号。 B. 信号调理模块

传感器的输出是在0-5V的范围内。但最大的模拟输入内置的ADC可以输出3V。所以使用运算放大器LM741定标电路用作信号调节电路。运算放大器和输入的增益确定了电路的输出。 C. 微控制器模块

AT89C51CC03是一个8位微控制器内置10位分辨率ADC，可从爱特梅尔公司控制器。所提出的系统采用非常薄四方扁平封装IC。使用适配器作为IC不能直接编程。经调节的传感器输出被提供给ADC的模拟输入通道，将其转换成相应的数字输出中的一个。数字输出被提供给内置CAN控制器的CAN消息的信道。传感器数据通过基于CAN协议版本2.0A CAN控制器处理。 D. CAN收发器模块

该ATA6660是一种高速可从爱特梅尔公司的收发器。它是专为高速CAN控制器CAN控制器和物理总线差分线之间的差模数据传输。它支持的1Mb/s的最大传输速度。图2示出了微控制器与CAN收发器电路连接。

第34页共47页

陕西理工学院毕业设计

图2 微控制器和CAN收发器连接

E. 电机控制和报警模块

此模块包括通过+5V无刷直流电动机和一个电机驱动器ULN2803控制一个连接到微控制器的排气扇。如果所接收的传感器数据大于预定极限更高电机开始和排气风扇开始连续旋转。与此同时警报也将开启。作为来自微控制器的电压不足以运行马达，马达驱动器ULN2803被用作给电动机运行提供足够的电压。

报警单元主要由一个蜂鸣器。警报单元的触发直接由微控制器控制。随着风扇的旋转它驱逐出了受污染的空气出和新鲜空气将予以更换。作为气体的浓度降低了传感器的输出减小，并且当它变成低于极限风扇停止。 F. 显示模块

LED显示屏用来显示十六进制接收到的数据值。LCD显示所接收的数据也可以使用，这将显示出所接收数据的相应的ASCII值。该显示节点也可含有连续监视从传感器节点传来的数据的计算机。 四. 软件实现

Keil μVision 2 IDE用来开发应用软件。通过传感器节点和示意图图3显示出了发送CAN信号到CAN总线的流程图。图4显示接收与显示电机控制节点可以从CAN总线信号的流程图。该程序是用Keil的C语言和模拟采用Keil的μVisionIDE生成hex文件。然后，这个十六进制文件下载到微控制器为它充当编程。由于涉及到CAM的功能在Keil μvision IDE编译还有之后的发展过程很容易。 五. 评价

传感器数据被发送和接收或正在使用基于CAN标准或扩展格式。这里的数据作为可与11位标识符的标准格式传送。图5示出的CAN信号的数字信号示波器（DSO）的输出为传感器节点1和图6示出的CAN信号的DSO输出为传感器节点2。这是用来验证CAN数据，并估计在CAN定时。 CAN的传输速度被设定为1Mb/s。传感器1节点的标识符集是123,传感器节点2标识符集是214。CAN仲裁是基于有线与机构的传感器1个节点将首先传输数据，因为它已经得到了最高优先级最低的标识号上。

第35页共47页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/se7g.html