家庭室内环境检测系统设计 毕业论文

天津工业大学毕业论文

家庭室内环境检测系统设计

姓学专

名院

XXX电气工程与自动化

业电气工程及其自动化

XXXXXX

指导教师职

称

2015年6月1日

摘要

我们知道温湿度和有害气体浓度是标定环境不可或缺的参数，对其准确的测量具有重要意义，本系统是针对人们的长期居住场所或者工作场所的室内空气质量而设计的。当前，人们随着生活水平的不断提高，对室内的环境舒适度要求也明显提高，居室和住宅不仅是家庭团聚和生活的场所，而且还是人们生活的重要物质保障，但是随着生活用品的普及和装修材料的大量使用，家庭环境的隐患大幅度提高。在室内有害气体浓度的大小上和温湿度的影响上都有体现。由于室内装修的复杂性和污染源的广泛性，大多是人们对于室内环境保护意识有很大不足之处，对人们的生命安全造成很大威胁。由此，人们越来越关注甲醛浓度的监测，据有关部门的数据统计表明，每年由室内环境污染造成死亡或患病的人数比例有明显的上升趋势，室内环境污染已经严重的威胁到人们的健康。目前在市场内的室内环境的监测仪器价格比较昂贵，并且功能单一，主要是针对有害气体的检测，据调查迫切需要一个综合检测系统，且适合家用室内有害气体体和温湿度的检测。

1，为实现对甲醛浓度、环境温湿度和燃气浓度的采集与读取的功能，我们将采用单片机控制技术和传感技术相结合，达到检测的效果。

2，利用蜂鸣器报警功能，当甲醛浓度值和温湿度值超过设定的标准值时，实现自动报警功能。通过LED数码显示技术实时显示出环境的温湿度及显示电路的设计。

3，利用发光二极管遥感性强的特点进行有害气体浓度超限和温湿度报警。4，采用单片机简单易操作的特点控制启动换气扇和关闭燃气阀门。关键词：传感技术；单片机；数码显示；报警

Abstract

Weknowthatthetemperatureandhumidityandconcentrationofharmfulgasesisindispensableparametercalibrationenvironmenthasimportantsignificanceforitsaccuratemeasurement,thissystemisdesignedforpeopleinlong-termplacetoliveorindoorairqualityintheworkplace.Currently,peoplewiththecontinuousimprovementoflivingstandards,indoorenvironmentalcomfortrequirementsarealsosignificantlyimproved,bedroomandhomeisnotonlyaplaceforafamilyreunionandlife,butalsoanimportantmaterialtoprotectpeople'slives,butwiththepopularityofdailynecessitiesandextensiveuseofdecorationmaterials,hiddenfamilyenvironmentgreatlyimproved.Onthesizeoftheindoorconcentrationofharmfulgasesandtheinfluenceoftemperatureandhumidityarereflected.Duetothecomplexityoftheinteriordecorationandthebreadthofsources,mostpeoplehaveagreatawarenessofenvironmentalprotectionfortheinteriordeficiencies,onpeople'slivesandsafetyofposingagreatthreat.Asaresult,thereisgrowingconcernformaldehydeconcentrationmonitoring,accordingtorelevantstatisticsshowthateachyearfromindoorpollutioncausedbytheratioofthenumberofdeathsorillnesshaveaclearupwardtrend,indoorpollutionhasbeenaseriousthreattopeople'shealth.Currentmonitoringinstrumentsinthemarketpriceoftheindoorenvironmentisrelativelyexpensive,andsinglefunction,mainlyforthedetectionofharmfulgases,accordingtothesurveyurgentneedforacomprehensivedetectionsystem,andissuitableforthedetectionofharmfulgasesbodiesandhouseholdindoortemperatureandhumidity.

1.Toachievetheformaldehydeconcentration,temperatureandhumidityandgasconcentrationandfunctionalcollectionread,wewillusethesingle-chipcontroltechnologyandsensortechnology,toachievetheeffectofdetection.

2.Usebuzzeralarmfunction,whenthestandardofformaldehydeconcentrationandtemperatureandhumidityvalueexceedsthesetvalue,automaticalarmfunction.LEDdigitaldisplaytechnologythroughthedesignofreal-timedisplayoftemperatureandhumidityenvironmentanddisplaycircuits.

3.Theuseoflight-emittingdiodecharacteristicsofremotesensingandstrongconcentrationofharmfulgasesandtemperatureandhumiditygaugealarms.

4.SCMfeaturessimpleandeasytooperateandcontrolthestartventilatorshutoffthegasvalve.

Keywords:sensortechnology；single-chip；digitaldisplay；alarm

目录

第一章绪论.............................................................................................1

1.11.21.31.4

设计背景及意义.............................................................................................1室内监测系统的现状.....................................................................................2设计目的及内容.............................................................................................3本章小结.........................................................................................................4

第二章系统设计方案论证以及总体框架设计.....................................5

2.1设计方案论证.................................................................................................5

2.1.1单片机模块的选择及论证..................................................................52.1.2温湿度监测模块选择与论证..............................................................52.1.3煤气监测选择与论证..........................................................................62.1.4甲醛气体监测模块选择与论证..........................................................62.2总体硬件电路框架.........................................................................................62.3本章小结.........................................................................................................7

第三章硬件系统设计与连接.................................................................8

3.1温湿度检测模块设计.....................................................................................83.2甲醛监测模块设计.........................................................................................9

3.2.1甲醛传感器..........................................................................................93.2.2A/D转换器...........................................................................................93.2.3甲醛模块设计....................................................................................103.3燃气监测模块设计.......................................................................................11

3.3.1MQ-5传感器.......................................................................................113.3.2燃气监测模块设计............................................................................123.4控制模块设计...............................................................................................12

3.4.1AT89S52单片机.................................................................................123.4.2AT89S52单片机时钟电路.................................................................163.4.3AT89S52单片机复位电路................................................................163.4.4换气扇控制电路设计........................................................................173.4.5燃气阀门控制电路设计....................................................................173.5显示电路设计...............................................................................................183.6报警模块设计...............................................................................................183.7电路电源部分设计.......................................................................................193.8本章小结.......................................................................................................19

第四章系统软件设计...........................................................................20

4.1编程语言选择...............................................................................................204.2程序设计流程...............................................................................................20

4.2.1温湿度测量模块................................................................................204.2.2燃气监测模块....................................................................................23

4.2.3甲醛监测模块....................................................................................244.3本章小结.......................................................................................................25

参考文献...................................................................................................27附录一:英文原文.....................................................................................28附录二:中文翻译.....................................................................................37谢辞............................................................................................................44

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第一章

1.1设计背景及意义

绪论

从发展的角度来看，人们生活质量正处于稳步上升趋势，我国社会经济也在快速发展着。在这快速发展的时代，人们也越来越重视室内空气的质量，人们的身体是否良好和室内环境的质量有着不可分割的关系。从新时代开始，由建筑、室内修饰、家具和家用电器与办公器材等引起的室内环境污染，让一些免疫力较低人群的生命造成巨大的威胁，所以我们要提高自我保护意识和环境保护意识。我国的环境保护事业有如早晨的红日，正在缓缓升起，室内环境保护已成为环境保护事业重要课题，我们每个人对它都应该给予足够的重视[2]。大多数的城市居民在室内长期生活，出现了头晕眼花、咳嗽、身体易疲劳等多种不适症状，还有一些更严重的病，比如肺癌、气管癌等。法国的研究人员调查发现，无论是呼吸道疾病还是肺病都与室内环境污染有着直接联系。在室内空气中的甲醛、一氧化碳、苯类有机物等气体浓度都要高出室外好几倍，据调查发现现在的大部分人都喜欢选择在家里休息，而不是在室外活动，这造成了人们每天在家里吸入体内的污染物比在室外的多。很多疾病的引发就是我们忽略的室内污染源，从现在做起时刻关注室内环境，并加以改善。据调查全球几乎1/2的人都是在室内度过，室内环境污染已经造成很多人患有慢性肺病，以及16%的气管炎、肺气肿和鼻炎，还有一些患者由普通疾病转变，病情恶化，最终死亡；正是我们自己对环境污染度的粗心大意才导致这么严重的后果。在调查中尤其指出在室内装修过程当中购买劣质材料会使空气污染更恶劣，直接威胁到了人们的生命，这些污染特别是对5岁以下的小孩儿的成长造成很大威胁。经过日本有关组织研究表明，在建筑物的建造期间，全世界大约有24.5%的建筑物都存在着对人们身体健康有害的空气，其中甲醛浓度超标影响最为严重。抵抗力弱的群体在室内环境污染中更容易受到侵害，如果家中有老人、小孩儿以及怀孕的妇女，应该多在室外活动，做到每天开窗通风2小时，及时清理生活垃圾，并对室内环境问题给予足够重视[3]。

一年中每个季节的温、湿度都会变化，随着温、湿度变化频率不一或多或少都会对人们的身体健康有一定的影响。美国研究人员调查表明：适合人体健康温度的范围是18.5℃到23.6℃，健康湿度范围是42.6℃到63.7℃RH，如果在这种室内环境的情况下生活人体内细胞活跃度会有一定的上升，与受到污染的环境相比它还会使人精神愉悦，人体寿命更长久一些。每当空气的湿度低于42.6%RH的时候，人体的支气管和粘膜组织细胞的新陈代谢会减缓，病菌、灰尘等杂物非常容易破坏粘膜组织的细胞，使得流感病毒、链球菌和其他病菌快速繁殖，进而破坏身体的其他组织结构，然后引发更多生理疾病，对人们的生命安全造成巨大威胁。当空气的湿度超过63.7%RH时，人体内部会分泌过多的松果激素，从而

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抑制体内的生长激素和甲状腺激素的分泌，使得受体蛋白减少，调节作用紊乱，与此同时，人就会感到精神不振，浑身乏力。如果在长时间的湿度较大的范围内2004从事工作，容易造成骨头变形，肢体酸痛，结果导致人体免疫系统遭到破坏。年我国发布第一部“室内空气质量标准”的行为准则，这个准则提出室内空气成份含量标准数据及防治办法，很大程度上引起社会广泛关注这个问题，指出室内环境的健康指数并且在一定程度上体现出人们对室内环境的认识有所提高。在此同时，并且室内环境检测的仪器的研发急需解决，检测仪器的发明给市场上给商人带来很大的商机[1]。由此可知，我们对《家庭室内环境检测系统》这个课题的探索是有着重大意义。

1.2室内监测系统的现状

在国内，我国正处于社会主义发展阶段，各方面实力还有欠缺，基于我国目前状况在我国环境监测系统的研究进程缓慢，监测设备和技术相对于发达国家还是比较落后，还没有达到监测智能化的水平。但是随着时代的发展和人们在主体思维模式上的日益重视，我国对有很多研究人员对环境监测系统进行研究，研究成果也在持续发。例如：大连理工大学陈凯杰以MSP430F449为基础，通过安装DS18B20和HS1101以及光照度传感器研究出专门用于环境监测的仪器，这个检测器可靠性强，非常耐用[4]。河北工业大学张超基于ARM11和Linux的室内环境监测系统的设计[5]，论文以ARM11做主要模块，加入DHT90模块，BH1750模块，还有尘埃颗粒传感器等模块；该仪器在空间设计上非常完美，它还具有非常耐用、结构稳固等特点，从而实现了对环境的实时监测仪器。武汉大学赵东设计的基于DHT21和nRF925的多信号无线检测系统[6]，该装置包括精准度较高的数字温度传感器模块DHT21和无线传输模块nRF925共同实现信号采集处理功能。还有江西南昌大学李晓东在列车车厢进行车内检测里面的空气质量[7]。这些仪器都是以单片机为主要核心部分，在把微处理器与各类传感器和报警模块完美结合起来，实现多模块共同检测的目的。由此可见，就我国目前情况来讲对室内环境质量监测的仪器应经研发出来，还需继续完善。这些系统大多数都是以单片机为主要模板进行设计，从而实现对环境的检测功能。

在国外，由于他们的环境监测技术比较发达，相关产品在使用上都得到普及。朝春阳等人就针对家庭的室内空气质量问题，经过不断改善，最终研发出一种智能多功能空气质量监测仪器[8]。Bartholomew等人设计的基于固态传感器阵列的价格实惠室内空气质量检测仪[9]。埃布尔等人研究了了一种是对无线传感功能的商业环境检测仪[10]。澳柯玛公司也在优化相关检测产品，他们主要是研发和生产室内环境监测净化设备，主要功能是为了净化室内空气，该设备能快速去除室内的污染气体，比如煤气、一氧化碳等，同时还有加湿清除细菌的功能，大大提高WK检测技术公司也研发出用于检测室内空气成份数了空气中有益成份的比例。

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据的产品[11]，通过这些设备很快的检测出室内空气中有害气体的相应数据。

我国对于环境监测系统的研究虽然起步晚，但向发达国家学习的精神是一直以来不可动摇的，很多厂家或者研究所都在学习和引进国外先进的环境监测技术方案。我国北京科华恒运有限责任公司引进多种国外先进技术和产品，其中只空气环境质量监测仪器就有各种不同的产品[12]，其中包括体积小的单一气体检测仪（德国）、天然气检测仪等多种气体监测设备，通过借鉴研究外国先进的检测技术我国自主研发的步伐正在向成功挺进。

我国室内监测技术与国外先进技术相比，正处于发展阶段，并且还有很大的差距。在传感器方面，还不能实现智能化，其产品还没有得到大量使用。因此，我们的首要目标是让我们的产品走向生产自动化、产品智能化、使用数字化。此设计所研究的内容有很大的理论意义和重要的实际使用价值。

1.3设计目的及内容

通过研究人员的不断努力，已经研发出一些可由于检测的产品，在该产品市场上的占有率也只是一小部分，其中大多数是对空气中小部分成份的检测，价格相对比较昂贵，使用功能的种类较少，因此根据市场的调查，在这种检测仪器及其缺少的时候，我们有必要设计一款适合在家里使用的室内有害空气成份及温湿度的综合监测系统，来检测我们的生活环境，以助于提高人们的生活质量。该设计的最终目的是为了实现检测空气中有害气体成份、湿度和温度在空气中的占有量并适合家用的多功能监测仪器，还要达到实时监测的效果，这对我们的要求比较严格，并且要达到操作简单方便、价格低廉的目的。能够达到对办公楼房、公寓等室内的实时监测，这是人们及时采取相应措施的必要保障，同时也大大减少了因室内环境引起的疾病的发生。本设计是以单片机和多种传感器为主体，采用了声光报警模块和数码管显示模块等，把室内环境质量控制及检测功能有机的联系在一起，从一定程度上增加了人体安全指数。设计的主要内容如下：

（1）温湿度模块：采用DHT11传感器，该传感器将数字采集技术和信号处理功能结合在一起，很大程度上提高了它的工作效率，并且也是产品走向智能化的重要标志。我们还采用LED显示技术实现对电路显示模块及温、湿度模块设计。

（2）主控制器模块：采用单片机来和光电耦合器有效结合，通过处理器控制耦合器，发出命令进行燃气开关的关断及换气扇启动的动作。

（3）报警模块：采用在外部的电路上连接蜂鸣器的方法；当大于空气中有害气体浓度的设预设值时，处理器输出指令，实现快速报警的功能。

（4）气体检测模块：将单片机控制模块和传感模块有效结合在一起，完成了对室内空气中有害气体浓度及温、湿度的数据采集与读取。该模块的实现意味

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着在室内威胁人们身体健康状况的因素降低了许多。

（5）显示模块：利用发光二极管的发光特性，显示煤气、及甲醛气体浓度超过设定值时实现自动报警，同理，温、湿度模块也是如此。

1.4本章小结

通过对法国、日本等国家的调查，在家庭里更容易患病，家庭环境检测设备的研发是必要的。与我国技术相比较国外技术更加先进，我国还需借鉴国外技术。本章提出方案目的和内容，将各个模块进行详细介绍。

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第二章

2.1设计方案论证

系统设计方案论证以及总体框架设计

2.1.1单片机模块的选择及论证

方案一：选用AT89C51为主控芯片，其包括一个低电压、4K字节闪烁性能不低8位只读存储器，它具有可编程及可擦除的功能。在存储器中还能将三级程序快速锁定，32个I/O接口，可适用于串行通道模式，两个16位定时器和相同数量的计数器，128*8位内部RAM，功率消耗低的闲置和掉电特有模式，5个中断控制源，片内包含振荡器和发出脉冲的时钟电路。

方案二：选用AT89S52为主控芯片，其包括8k字节Flash和32位I/O口线，内部设有看门狗定时器，已达到实时监测功能，256字节RAM，三个16位定时器和相同数量的计数器，还有2个数据指针。AT89S52还能降低到0Hz状态下进行编程，可提供2种软件都能在该单片机执行节电模式操作。当CPU处于空闲操作状态时，它是不运行的，但支持RAM、定时器/计数器、中断还能持续运行。当单片机处在掉电模式时，RAM的内部数据进行存储，振荡器停止工作，单片机全部的功能均处于睡眠状态，一直等到下一个中断信号到来或者复位命令执行，单片机才开始在次工作。通过两种单片机的对比我们发现：AT89C51为更好的达到抵抗外界干扰的效果，我们要在内部设计一款防止信号干扰的软件，或外接其他电路，而AT89S52已在内部安装了看门狗计时器，实现抗干扰功能。AT89S52不仅能够用于ISP在线路功能还可用于并行编程，相比较来讲AT89C51只能用于并行编程。在计算速度方面，AT89C51D的运行频率只有24MHz，而AT89S52极限运行频率可达33MHz。AT89S52从输出编程电压的情况可以看出，仅仅为4-5V，而AT89C51不止要支持正常运行工作5V还需要Vpp供电12V。所以选用AT89S52单片机。

2.1.2温湿度监测模块选择与论证

方案一：采用独立元器件连接电路。把温度传感器LTC2996与湿度传感器TC623CEOA一起连接到单片机上，从单片机显示模块上读取参数数值后送入显示电路。采用这种方法组成的电路很麻烦，编程比较困难，并且许多元器件在焊接的过程中操作容易出现错误，调试起来更复杂一些，与此同时大大提高了连接电路的成本。

方案二：采用数字温度传感器DHT11连接电路。它是由数字采集技术和温度传感器技术组成，有较好的实用性和稳固性。它有效的温度范围是0～50℃，测量准确度是5%，湿度的范围是20%～90%，非常符合系统的需要。DHT11的信号传输距离至少20m，是用单总线数据传输，有利于各种MCU进行连接。它

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的电压范围仅有3.3～5.5VDC，分辨率为湿度1%RH，温度1℃，具有长期的稳定性，完全互换和超低能耗等功能。

综上所述，方案二不仅操作简单，成本低，而且大大降低了外界对系统的干扰，并且测量精度较高。数字传感器的本质上简化了系统的程序，并减少了利用空间。可从单片机上直接读取经过A/D转换器信号转变输出的数字信号。经过分析比较，故采用第二种方案。

2.1.3煤气监测选择与论证

方案一：催化燃烧式传感器是将空气中可燃气体经过传感器的催化燃烧作用检测它在空气中所占比例浓度是否达到爆炸燃点。它是通化学反应是金属表面电阻率发生改变从而构成惠斯登检测桥路。当空气中含有可燃性气体接触到检测元件上时，该气体快速无焰燃烧，并产生热量，随热量的增加金属表面的电阻值逐渐增大，从电桥上会产生一个电压信号，此电压信号强弱与检测到的可燃气体浓度成正比。它的优点是：稳定性好、反应时间短、灵敏度高、错误率低、可控性能强、使用时间约为3年[15]。

方案二：可燃气体传感器MQ-5选择的材料是电阻较大的SnO2，它是通过可燃气体贴在SnO2表面并且在这个表面上发生化学反应从而使电阻跟随其变化。SnO2传感器之所以能够被很多科学研究人员所重视原因在于它在低温的环境下能够运行、性能相对比较稳定、检测范围比较广泛等特点。

经过两种方案对比，半导体式传感器操作简单，功能强大，并且经济实惠更适用于家用。综上所述，本设计采用半导体式传感器MQ-5。

2.1.4甲醛气体监测模块选择与论证

甲醛类传感器种类繁多，功能类似，其中电化学传感器最具有代表性。由于光化学传感器价格昂贵，操作复杂不能达到实时监测的效果，因此不能被选用。生物化学传感器相对来讲针对性比较强，但是酶的活性容易受到外界因素的影响，不适用于家庭检测。而对于电化学传感器相对于其他种类传感器而言操作方便，价格经济实惠，运行情况相对稳定，在有效范围内能够正常工作，检测的效果比较准确，大体上能实现对室内环境的实时监测。所以采用电化学传感器CH20/C-10。

2.2总体硬件电路框架

该系统的设计是用AT89S52单片机做电路中的主要结构，整体结构包括A/D模块的信号转换，作用于温湿度传感器的信号处理模块，温湿度的自动报警功能，数码管显示及单片机控制等部分。通过传感器来检测室内的可燃气体浓度、温湿度的数值，把检测的数据与设定好的数值相比较，若大于预设值则报警模块启动，若小于则不启动。通过风扇的启动或停止来控制可燃气体的浓度，开关的关断，

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实现对温湿度、可燃气体的浓度等数据的处理功能，并且和声光报警系统相连接，在数码管上显示检测数据，使得人们能够及时处理。流程图如下图2-1所示：

数码管显示接口电路单片机报警电路晶闸管控制电路煤气传感器A/D转换器温湿度传感器甲醛传感器图2-1

系统整体框架图

换气扇阀门2.3本章小结

通过不同型号的单片机、甲醛气体传感器、温湿度传感器、煤气传感器的对比，选择出更适合的元器件，达到操作简单，使用方便，并且价格低廉更适用于家庭的目的。此设计是针对家庭住宅、公寓等室内环境设计的系统，通过各个模块实现实施监督的功能。经过传感器检测环境变化采集信号，该信号经过处理并与已经设定好的数值进行比较，若大于预定值那么系统中的报警模块工作，否则不工作。

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第三章

3.1温湿度检测模块设计

硬件系统设计与连接

DHT11是将数字采集与温湿度传感器集成一体、并能够准确的将信号传输给单片机综合型传感器，此产品的开发为人们家庭环境检测提供了重要的保障，它包含耐用、工作性能稳定、供电电压低等特点。传感器内部有两个元件，连接AT89S52单片机[13],如图3-1所示。数据都是经过校验箱处理，然后输出准确的信号传给单片机。校验箱输出的数据都是以程序方式存储在存储器里，传感器在检测温湿度时调用校验箱中存储器的程序，并将采集信号进行处理。单线制串行接口，让电路连接更加方便。超强的稳定性、使用的持久性，信号传输距离上有着质的飞跃，此产品适用于各种环境，在类似的产品中体现出其独特的功能，它是采用单排引脚封装技术[14]，如图3-2所示。

将数字传感器DHT11的引脚不同功能也不相同，把2号引脚和单片机P1口的引脚连接起来，使得检测到的温度数据直接快速的进行传输。

VCCDHT111234R35KP11单片机GND图3-1DHT11接口电路

图3-2温湿度芯片DHT11

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表3-1温湿度传感器DHT11技术参数

参数名称供电电压测量范围

技术条件3.3-5.5VDC

湿度20-90%RH，温度为1-50℃

分辨率长期稳定

湿度1%RH，温度为1℃<±1%RH/年

互换性

可完全互换

参数名称输出测量精度

技术条件单总线数字信号湿度±5%RH，温度±2℃

3.2甲醛监测模块设计3.2.1甲醛传感器

甲醛传感器内部包含小型探头和CH20传感器。当室内空气中含有的甲醛气体与传感器接触后，在其内部会产生电流信号，该信号与空气中含有的甲醛成份形成正比，经过电流电压转换器的转换，把电流信号转变成电压信号，然后把电压信号传输到AT89S52单片机，通过数据显示器读取此时的甲醛浓度值，如果大于预先设定值时报警，否则不报警。具体参数如表3-2所示[16]。

表3-2

参数名称测量范围最大负载工作寿命

技术条件0—10ppm50ppm空气中2年1200±300A/ppm

输出信号分辨率基准线

800±200nA/PPM0.05ppm典型信号漂移—2ppmto0ppm

推荐加载电阻

10Ohm

甲醛传感器CH20/S-10技术参数

参数名称温度范围响应时间（T90）湿度范围

技术条件—20℃to45℃<50sec15%to90%

3.2.2A/D转换器

ADC0832为8位分辨率在其内部设有模/数转换芯片，另外还有两个通道可调换的特性,分辨等级很高。工作时每次模/数转换间隔只用32μS，大大提高了运行效率而且可靠性高。通过使能端控制DI接口，对信号的进行处理，从而达到所需的通道。该转换器具有运行效率高、可靠性强等特点，所以我们采用ADC0832为模数转换器件[17]。1.ADC0832的特点:

(1)有8位的分辨率；

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(2)通道之间可以相互转变；(3)电压的兼容性强；(4)0-5V之间输入电压；

(5)转换时间是32μS，250KHz工作频率；2.ADC0832与单片机的连接

ADC0832引脚与单片机的连接，分别是CS、CLK、DO、DI。CS输入高电平指令时A/D芯片不运行，其他端口的电平没有限制。只有当转换器进行信号转换时，AT89S52单片机才发出低电平的指令，将CS端口与P10连接变为低电平，并且持续一段时间等到电平信号转换完成，转换器芯片才开始信号转化，单片机P12引脚与CLK端相连并发出时钟脉冲指令，DI端则与单片机P13引脚相连，然后进行数据信号输入。DI端在第一个脉冲下降沿到来之前时钟是高电平，这表明信号已输入。输入信号后，第2、3个脉冲信号的上升沿之后，DI端输入高电平，只有CH1工作，CH0端不工作。当DI输入“00”或“01”指令时，CH0为正向输入端、CH1为负输入端，等到第2个脉冲的上升沿之前，DI端则不会工作，该数据经过芯片转换可从DO端读取。从第3个脉冲上升沿开始，DO端工作，DO开始工作之后，每到脉冲下降沿时DO端直接发出，输出下一位数据指令，等到第11个脉冲发出的时候，DO输出数据，指令结束[18]。由于DI、DO的工作状况不一样，和单片机连接不能一起工作，所以我们将DI、DO的引脚直接连接在一起，如图3-3所示。

图3-3ADC0832与单片机连接图

3.2.3甲醛模块设计

ADC8032传感器具有灵敏度高、稳定性强、易操作等特点。它的工作原理是从检测到的有效信号送到转化器，再通过信号转化为电信号，该信号经过A/D转换器输出数字信号，经过单片机识别后控制报警电路。检测电路如下图3-4所示。

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图3-4甲醛传感器检测电路

3.3燃气监测模块设计3.3.1MQ-5传感器

MQ-5气敏传感器无论在家庭使用的煤气还是工业上的石油气、液化气等可燃性气体都有很好的检测效果，从检测可燃性气体的角度来讲，专一性比较强；对其他气体几乎不响应，可靠性强，体积小，使用寿命比较长久；并且测试电路简单方便等优点。

MQ-5实物图如图3-5所示，SnO2敏它构造主要包括微型AL2O3陶瓷管、感层和一小块加热器，把SnO2器件放在用硬塑料或金属硬质材料做成的凹槽内，加热器是SnO2不可缺少的重要组成部分。成品气敏原器件有6个引脚，它上面有4个引脚是用来接收信号，剩下的2个引脚通过加热器输出电流[19]。MQ-5MQ这类气体传感器是由活性很大的金属经过一系数据如表3-4、表3-5所示。列化学反应得到的其氧化物从而构成半导体材料。由于该半导体加在空气中热到一定条件，空气中的氧原子就会扩散到半导体的周围，半导体就会失去电子带有正电荷，而空气中的氧气就会变成O2-，让该导体表面的电势能增大，极大的抑MQ-5的电阻变化就是在该过程中实现的。制了电子流动。在条件允许的情况下，传感器还可以作为还原物，带有负电荷的O2-和此条件下的半导体发生一般化学反应，使半导体表面的氧气减少，以至于该导体表面电势能减小，从而让传感器的阻值降低[20]。在气体浓度值适当的情况下，传感器的电阻值与气体浓度接近成反比，可用以下公式表示：

RS=A[C]-α

(3-1)

Rs表示传感器电阻；A表示常数；[C]表示气体浓度；α表示曲线斜率。

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表3-3

符号VcVHRLRHPH

参数名称回路电压加热电压负载电阻可调加热电阻加热功耗

MQ-5标准工作条件

技术条件≤15V5.0±0.2V

备注ACorDCACorDC

31?±3?≤900mVV

温室

表3-4

符号Rs

参数名称敏感体电阻

MQ-5灵敏度特性

技术参数10K?-60K?(1000ppm甲烷）

备注探测范围：300-5000ppm液化气，天然气，煤气

Α1000ppm/5000pmCH4)准工作条件

浓度斜率≤0.6

温度：20℃±2℃Vc：5.0V±0.1V相对湿度：65%±5%Vh：5.0V±0.1

预热时间不少于24小时

3.3.2燃气监测模块设计

MQ-5传感器接触到可燃气体时，它会立刻做出反应输出电信号，也就是说将可燃气体经过传感器转变成电信号，这个电信号经过信号放大器将信号放大后传给A/D转换器，该信号经过该转换器把信号转化为数字信号，最后把信号送入单片机内部，再由单片机发出指令进行下一步操作。

由单片机发出指令，指令直接传给A/D转换器的D0/D1端、CLK端和CS端，当CS端接到命令时，它是必须经过转换器，若从D1引脚输出信号则是燃气，则相应模块动作；若D0发出信号则甲醛监测模块动作。具体接线图如3-5所示。

3.4控制模块设计3.4.1AT89S52单片机

AT89S52是一种持久耐用、稳定性好、操作简单的单片机，它有存储器模块并支持在线编写程序的功能，适合C51单片的程序也能在AT89S52单片机上

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图3-5MQ-5传感器与ADC0832转换器连接

运行。利用它的在线编程的强大功能和较强CPU处理能力，在编程过程中更加便捷，系统处理更快，运行时间更短。AT89S52单片机设有能够单独运行的位处理机，所以在信号处理方面比其他单片机更快[21]。一、主要特性[22]

1、兼容MCS-51指令系统；

2、8K反复擦写（>1000次）ISPFlashROM；3、时钟频率为0-33HZ；4、支持在线编程；

5、有两个异步收发传输器串行中断口线；6、不工作条件下比较省电；7、26个特殊功能寄存器；8、中断唤醒省电模式；9、3级加密位；10、看门狗定时器；

11、灵活的IPS字节和分页编程；12、双数据寄存指针；

二、引脚功能

AT89S52引脚结构图如3-6所示

1.并行输入输出引脚[22]

P0口：P0口是一个8位双向I/O口。当它作为信号输出口时，P0口在外部需要连接上拉电阻（大约9.8K?），不然的话P0不能正常工作；P0口如果作为输入口时，不用外接电阻只需在操作命令下达之前“1”命令写入锁

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图3-6AT89S52引脚结构

存器。它也是访问外部储存器的多路低位地址街数据总线（这是它有内部上拉电阻)。当Flash程序需要在单片机上运行下载时，P0是输入端口接收外部信号，在程序需要校验时，P0用作输出端口，发出信号，并且在外面要接入上拉电阻信号才能传输。

P1口：P1口在内部已经安装上拉电阻，I/O接口既有输入功能又有输出功能。当P1口用作输出口时，由于在其内部装有上拉电阻，对于外接电路可以直接连接，不需要再接入上拉电阻；当P1口作为输入端时，与P0口操作步骤一样，一定要输入“1”命令。在对程序进行校验时，P1口传输低电平信号。P1口部分引脚具有其他功能，P1.0可用作定时/计数器输入端和时钟的输出端，P1.1可以对触发信号进行处理；具体如表3-5所示。

表3-5

引脚号P1.0P1.1P1.5p1.6P1.7

P1口引脚的功能

第二功能

T2（定时器/计数器T2的外部技术输入），时钟输出T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

MOSI（在系统编程可用）MISO（在系统编程可用）SCK（在系统编程可用）

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P2口：P2口可以用作I/O接口，既有输入功能又有输出功能，具体操作过程与P1口完全相同。还具有与P0相同的访问外部储存器的多路低位地址街数据总线功能。

P3口：P3口的功能比较广泛，它有串行输入功能、外部中断功能等。当然该端口也可作为I/O口，工作过程与P1口一样。如表3-6所示。

表3-6

引脚号P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7

P3口引脚的第二功能

第二功能RXD(串行输入）TXD（串行输入）INT0（外部中断0）INT1（外部中断1）T0（定时器0外部输入）T1（定时器1外部输入）WR（外部数据存储器写选通）RD（外部数据存储器写选通）

2.控制线引脚[22]

RST：振荡器在正常运行时，它的引脚上有2个工作时间段，会出现高电平信号，把该信号传递给单片机，然后使其触发复位命令，重新工作。

ALE/PROG:在其他部分储存器进行寻址时，它的锁存地址会输出低电平信号，并同意该命令输出。

PSEN：外部程序储存器具有选择是否发出输出命令的功能。如果在外部程序存储器输入命令时，PSEN在运行程序时每到一个周期之后都会出现3次，在此期间它没有时钟脉冲信号。

EA/VPP：外部程序存储器选择调用输入信号的指令。当EA端口接地时，单片机外部存储器中直接读取相应命令。而当EA端口与VCC端口相连接时，单片机首先把内部的程序命令调出，在次之后执行自动由内部转换向外部指令。在对内存程序进行编写时，EA可接入12V电压。3.电源及时钟引脚

XTAL1:反相放大器接到外部信号的指令时，外部振荡器的输出端，必须接地。

XTAL2:在选取外部的反相放大器的输出指令和内部时钟的输入命令时，外部振荡器必须写入有效的数字信号。

VCC:电源端。GND:接地端。

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3.4.2AT89S52单片机时钟电路

单片机的时钟信号有2类表现特点：一种是在其内部发生振荡，另一种是在它的外部产生振荡。

1、内部振荡方式：由于单片机在它内部已经设置有时钟电路，所以，只要把单片机上的时钟引脚端接上一个震荡元器件：晶体振荡器和一个小电容，就可以组成一个能持续工作的处理器。

2、外部振荡方式：将时钟信号导入微处理器内部。采用这种方式可以让AT89S52单片机的信号与振荡器的时钟相统一[23]。具体如下图3-7所示。

图3-7单片机时钟电路

3.4.3AT89S52单片机复位电路

不仅振荡电路与单片机工作状态有关，复位引脚同样影响着单片机工作的进行。复位命令就是处理器返回开始状态，然后再一次执行开始命令。当RES引

图3-8单片机复位电路

脚得到处理器输入低电平的指令时，该处理器立刻进入复位状态，直到下一次RES引脚得到处理器输入的高电平指令，处理器就可以继续运行[24]。该系统采用按键操作方式，按下开关S键，RST引脚得到处理器发出的高电平命令，处

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理器立刻执行复位状态。如3-8所示。

3.4.4换气扇控制电路设计

当燃气浓度大于传感器预设值时，处理器发出高电平指令，经过振荡器的反向该器件，指令则变成低电平信号，并使得光耦开关导通，从而触发双向可控硅的阀门，使风扇启动，所以本设计采用了可控型耦合器MOC3041控制换气扇的启动和停止。如图3-9所示。

图3-9换气扇控制电路

3.4.5燃气阀门控制电路设计

燃气的阀门启动和关闭包括可控硅、电磁阀和光电耦合器器件。该阀门特点为：能稳定性强、灵敏度高等特点。当单片机反向脉冲命令发出时，它处于关闭状态，这时候的电源切断阀门是关闭状态；当处理器输出正向脉冲指令时，该阀门处于开启的运行状态，电源切断阀门则关闭。电路图如3-10所示。

图3-10燃气阀门控制电路

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3.5显示电路设计

利用单片机控制数码管断码，通过按键来选择燃气浓度、温湿度和甲醛浓度值。如果检测到燃气浓度发生变化，数码管立即做出相应变化，以达到实时显示的目的。电路图如3-11所示。

图3-11数码管显示电路

3.6报警模块设计

声、光报警功能是由微处理器4根引脚控制，蜂鸣器和LED共同实现声光报警功能。由于燃气浓度大于预设值，引脚得到高电平信号，VT管导通，从而使得蜂鸣器和发光二极管导通。声光报警电路图如3-12、3-13所示。

图3-12声报警电路

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图3-13光报警电路

3.7电路电源部分设计

当高压通过电源变压器后将电压调到12V，再通过晶体管整流作用将电压变为直流电压，最后通过电容滤波功能将高次谐波滤掉。电源电路如图3-14。

图3-14电源电路

3.8本章小结

详细的介绍各模块的功能，温度模块采用DHT11温湿度传感器是由于精准度较高、能耗小、操作简单方便等特点；甲醛传感器采样产生电信号，并在数码管上显示出甲醛浓度；燃气模块选择MQ-5传感器性能上具有电路简单、性能可靠、使用寿命长等特点；单片机则是选择AT89S52，其性能稳定，通过单片机控制气扇的关断和报警功能。

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第四章

4.1编程语言选择

系统软件设计

C语言是在国际上应用最广泛的编程语言之一，它既可以直接对计算机产生控制作用，又涵盖了编程语言的大部分优点，其结构丰富多变，运用起来更加便捷，语言句式简便，程序构造清楚，可用于多种编程平台适应性更强。

4.2程序设计流程4.2.1温湿度测量模块

与温湿度测量电路设计相对应来设计软件模块，将DHT11传感器感应到的实测值，通过微处理器进行A/D转换成数字信号显示在数码管上。以这个数值和预设值相比较，若设定值在10~24摄氏度之间时不报警，若在此范围外，则红色二极管亮起，报警电路启动。如果下次监测得到的实测值在此范围内，则二极管报警电路停止工作[25]。

微处理器发出启动信号，DHT11从低耗能模式开启到高速运转模式，主控制器完成启动信号后，温湿度传感器发出40bit的数据，同时开启采集电路，当数据采集结束后，会自动调整回到低耗能模式。微处理器和温湿度传感器交互中：总线保持在高电压位置，主控制器会将电压降低以此等候温湿度传感器的回响。如4-1所示。

开始初始化延时采集温度值读取温度值数值转换传送数码管N温湿度超出预设值Y报警程序结束图4-1温湿度软件设计流程图

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温湿度监测模块部分程序：#includecharread_data(void);sbitDHT=P1^1;sbitled1=P2^4;

sbitLHJ_A=P2^0;//管脚定义74HC138（3-8）译码器输入控制信号线sbitLHJ_B=P2^1;sbitLHJ_C=P2^2;

/********************///宏定义,定义数码管显示第几位

#defineSMG_1LHJ_C=0;LHJ_B=0;LHJ_A=0//译码器的输入脚，全0选择第一位数码管。#defineSMG_2LHJ_C=0;LHJ_B=0;LHJ_A=1//译码器的输入脚，001选择第二位数码管。#defineSMG_3LHJ_C=0;LHJ_B=1;LHJ_A=0//同上类推#defineSMG_4LHJ_C=0;LHJ_B=1;LHJ_A=1#defineSMG_5LHJ_C=1;LHJ_B=0;LHJ_A=0#defineSMG_6LHJ_C=1;LHJ_B=0;LHJ_A=1#defineSMG_7LHJ_C=1;LHJ_B=1;LHJ_A=0#defineSMG_8LHJ_C=1;LHJ_B=1;LHJ_A=1unsignedcharledTable_P[]=

{0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef,0x40,0x3e,0x00};unsignedcharledTable[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x77,0x7C,0x39,0x5E,0x79,0x71};unsignedcharshiZ,shiX,wenZ,wenX,check;unsignedchartr_shiZ,tr_shiX,tr_wenZ,tr_wenX;unsignedcharflag;unsignedintn=20,m;voiddelay_1ms(unsignedinti)

{unsignedintj=88;or(;i>0;i--){while(j>0)j--;}}voiddelay_10us()

{unsignedchari;i--;i--;i--;i--;i--;i--;}

/******************************************//************初始化及采集程序**************//******************************************/voidread_init()

{DHT=0;//主机使DHT11低电平并延时至少18msdelay_1ms(21);

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DHT=1;//主机置DHT11高电平20~40us,并等待从机相应delay_10us();delay_10us();delay_10us();delay_10us();DHT=1;if(!DHT)//从机发出相应信号

{flag=2;while((!DHT)&&flag++);flag=2;while(DHT&&flag++);//开始采集数据tr_shiZ=read_data();//采集湿度整数部分tr_shiX=read_data();//采集湿度小数部分tr_wenZ=read_data();//采集温度整数部分tr_wenX=read_data();//采集温度小数部分check=read_data();//采集校验位DHT=1;}}

/******************************************//*************温湿度读取函数***************//******************************************/charread_data()

{unsignedchari,num,temp;num=0;for(i=0;i<8;i++){flag=2;while((!DHT)&&flag++);delay_10us();delay_10us();delay_10us();if(DHT==1){temp=1;flag=2;while(DHT&&flag++);}else

temp=0;num<<=1;num|=temp;}return(num);}voidmain()

{unsignedchartemp;EA=1;ET0=1;PX0=1;PT0=0;TMOD=0x01;TR0=1;EX0=1;IT0=0;while(1){

read_init();

temp=tr_shiZ+tr_shiX+tr_wenZ+tr_wenX;if(check==temp)

{shiZ=tr_shiZ;shiX=tr_shiX;wenZ=tr_wenZ;wenX=tr_wenX;}}}voiddisplay()interrupt1

{TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%6;for(m=3;m>0;m--){if(wenZ>24||wenZ<10)led1=1;if(wenZ<24&&wenZ>10)led1=0;

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SMG_1;P0=ledTable[wenX];delay_1ms(50);SMG_2;P0=ledTable[wenX/10];delay_1ms(50);SMG_3;P0=ledTable_P[wenZ];delay_1ms(50);SMG_4;P0=ledTable[wenZ/10];delay_1ms(50);SMG_5;P0=ledTable[shiX];delay_1ms(50);SMG_6;P0=ledTable[shiX/10];delay_1ms(50);SMG_7;P0=ledTable_P[shiZ];delay_1ms(50);SMG_8;P0=ledTable[shiZ/10];delay_1ms(50);}}

4.2.2燃气监测模块

如果燃气浓度超过预设好的值的时候，微处理器AT89S52通过CHO引脚将数字量转变成模拟量，触发声光警戒系统，并且阀门切断、排气扇自动开启，直到燃气浓度低于设定的值，蜂鸣器停止工作，LED指示灯依旧一直保持开启的状态。如4-2所示。

开始程序初始化气体浓度采集A/D转换采集数据>设定值Y报警程序N延时程序关闭蜂鸣器结束图4-2燃气模块程序流程

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4.2.3甲醛监测模块

该装置在检测甲醛气体时，通过ADC8032气体感应传感器将感应到的电信号通过专用器件转变成电压信号，经过微处理器AT89S52的DI引脚将电压信号转为数字信号（即模拟信号改成数字信号）。当测量数值超过设定值时，二极管发出报警。如4-3所示。

开始程序初始化气体浓度采集A/D转换采集数据>设定值Y报警程序N延时程序关闭蜂鸣器结束图4-3甲醛检测模块软件流程图

甲醛浓度采集主程序如下所示：/*----------------------------初始化AD

----------------------------*/voidInitADC()

{P1ASF=0x01;//P1^0作为模拟功能AD口

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ADC_RES=0;//Clearpreviousresult

ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL;//开AD电源，设置为最高速,最后三位为0P1^0作为AD输入delay(2);//ADCpower-onanddelay}//得到转换值u8GetADCResult()

{u8i;u16n;for(i=0;i<10;i++){ADC_RES=0;//高八位数据清零

ADC_CONTR|=ADC_START;//启动AD转换

while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG));//等待ADC_FLAG位置一,转换完成

ADC_CONTR&=0xe7;//关AD，清ADC_FLAG位n=n+ADC_RES;//只取八位}

returnn/10;//取10次转换结果的平均值}

u8ppm_v(u8ad)//返回ppm值{floatvo;u8i;

vo=ad/51.2;//八位转换结果，得到电压值for(i=0;i<24;i++){

if(vo

{if(i==0)returnppm[i];if((vo-vin[i-1])<(vin[i]-vo))returnppm[i-1];else

returnppm[i];}

return75;//最高测75ppm}

4.3本章小结

选择适当的汇编语言，对各模块画出流程图并进行编程，做出仿真，在对仿真进行调试，实现各模块的功能。

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第五章总结与展望

随着大家生活水平的不断提高，对室内的环境质量要求也明显提高，室内不仅是家庭团聚和生活的场所，而且还是生活的重要物质保障，但是随着生活用品多元化和各种装修材料的大量使用，家庭环境的危险系数大幅度提高。本系统实现了声光报警、换气扇的启动及阀门的开断，温湿度及有害气体的检测功能。本设计内容如下：

1、为达到监测甲醛浓度、环境温湿度和燃气浓度的采集与存储的功能，我们将采用单片机控制技术和传感技术才能达到检测的效果。

2、利用蜂鸣器报警功能，在甲醛浓度值和温度变量湿度变量超过标准值时，实现自动报警功能。通过LED数码显示技术实时显示出环境的温湿度及显示电路的设计。

3、依靠发光二极管遥感性强的特点对有害气体浓度超过安全值时或者温湿度超过设定值时报警。

4、采用单片机简单易操作的特点控制启动换气扇和关闭燃气阀门。通过近一段时间的研究发现还有一些不足，在以后的工作中，当燃气泄漏时可设置无线通信装置，一方面可以及时联系维修人员，另一方面可以快速控制阀门以减小人员伤亡。为了达到操作简单快捷的目的，所以该装置的发展方向是变得更加智能化。

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参考文献

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附录一:英文原文

DesignofIndoorTemperatureandHumidityMonitoringSystemBasedonCC2430andFuzzy-PIDAbstract-Aimingattheactualdemandofenvironmentalinformationmonitoring,anindoortemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonfuzzy-PIDstrategyisdesigned.ThesystemusesCC2430asthecoretodevelopwirelesssensornodeswhichfollowtheZigBeecommunicationprotocol,usesthedatacollectionterminalwithhigh-precisiontemperatureandhumiditysensortocollecttemperatureandhumiditydataoftheenvironment,usesZigBeetechnologytoachievenetworkingofwirelesssensorsandtheautomaticaggregationofmonitoringdata,andusesthefuzzyPIDcontrolalgorithmtoimprovetheaccuracyoftestdata.TheindoortemperatureandhumidityregulationisachievedbasedonfuzzyPIDcontroltechnology.Themanagementfunctionofvarioussensornodesandalargenumberofenvironmentaldataisachievedbasedonembeddeddatabase.Themonitoringresultsfortemperatureandhumidityhaveshownthatthissystemisstable,highreliableindatatransmissionandeasytouse,andcanbewidelyusedinvariousareasofautomaticmonitoringofenvironmentalparameters

Keywords-CC2430;FUZ7J'-PIDStrategy;TemperatureandHumidityMonitoring

I.INTRODUCTION

People'sdailylifeiscloselyrelatedtotemperatureandhumidityofthesurroundingenvironment,andtherearealsohigherrequirementsfortemperatureandhumidityinindustry,agricultureandotherfields.Therefore,ithasbecomeaveryimportanttechnologyonthetemperatureandhumiditymonitoringandcontrolintheproductionprocess.Thelayoutoftraditionalindoortemperatureandhumiditymonitoringsystemaremostlywiredcommunication,suchasfieldbus,distributedcontrolbus,whichiscomplicatedwiringandisnotconducivetochangeandmaintainthesystemlayout.Therapiddevelopmentofembeddedsystemsprovidesanewideaforthedevelopmentofindoortemperatureandhumiditycontrolsystem.Therapiddevelopmentofwirelessnetworksmakestheremotedatatransmissionwidelyused.Usingawirelesssensornetworktobuildthemonitoringsystemhastheadvantagesofeasydeploymentandlowcost,caneffectivelyachieveenvironmental

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informationcollectionandtransmission,andcantimelyadjustmanagementstrategies,whichcanprovideanovel,low-costsolutionforthedetectionofindoorenvironmentalparameters.

Anindoortemperatureandhumidityintelligentcontrolsystemisdesignedusingwirelesssensornetworktechnology,advancedcomputertechnology,microprocessorcontroltechnologyandintelligentsensordataacquisitiontechnology.DatacollectionterminalismadeupoftheCC2430wirelesscommunicationmodules,whichcanmonitorcontinuouslyon-siteenvironmentaltemperatureandhumidityinreal-time.FuzzyPIDcontrolalgorithmisappliedtoprocessparametervalues,whichimprovethecontrolaccuracy.ThePCinthemonitoringcentercaneffectivelycontrolthedatacollectionterminalandcandisplay,storage,analysisandprocessdatainreal-time,whichachievethecontrolpurposestotheindoorenvironmentalparameters.

II.OVERALLDESIGNOFMONITORINGSYSTEM

A.SystemRequirementsAnalysis

Thecontrolledobjects,suchastemperatureandhumidityinindoorenvironment,havethecharacteristicsoflongdelayandlargeinertiaandsoon.Throughinvestigationandanalysis,theapplicationsofenvironmentalmonitoringsystemincludethatthefactorsofenvironmentaresampledandprocessedinreal-timein24hoursandputintoadatabaseforthequery,thesampleddataaretransmittedandaggregatedinreal-timebylow-cost,low-powerwirelesscommunicationinordertoprovidediagnosis,limitalarmfunction,theintuitivesystemmanagementplatformisprovidedtocompletefunctionssuchassensormanagement,environmentalinformationprocessing,storage,analysisandsoon,informationisprocessedonthebasisofthedetection,andcontrolsignalsareformattedandoutputbasedonpredeterminedcontrolstrategy.B.SystemArchitectureDesign

TheoverallstructureofsystemisshowninFigure1,whichisbasedonZigBeetreetopologyandincludessensornodescomposedofZigBeeterminalnodes,gatewaynodesservedbytheZigBeecoordinator,andthemonitoringcentercomposedofaPCandrelatedmanagementsoftware.Thetaskofsensornodeistocollectindoortemperatureandhumidityandtransmitthedatatothegatewaynode.Gatewaynodeisresponsibleforreceivingdatainformationandcommunicatingwiththemonitoringcenterbytheserialport.Themonitoringcenterprovidesagraphicaloperatingenvironmentanddisplaysdataforthestafftoquery.

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III.SYSTEMHARDWAREDESIGN

A.Thehardwaredesignoftheterminalnode

Inthebackgroundofindoorenvironmentalmonitoringapplications,forthedesignofsensornodethesefactorssuchaslow-cost,lowpower,stability,andreliabilityarespeciallyconsidered.ThehardwareblockdiagramofterminalnodeisshowninFigure2.

Figure2.Terminalnodehardwaredesign

TheCC2430istheprocessorandwirelesscommunicationunitofsystem,whichisarealZigBeewirelessSOC(System-on-Chip),equippedwithahighperformance2.4GHzDSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum)RFtransceivercoreandanenhancedindustry-standard8051MCU.TheCC2430convertsthedatacollectedfromtheterminalnodeintodigitalsignalsusingADconverter,thenthedataaretransmittedtothegatewaynodebywirelessmulti-hopmode.

Takingintoaccountthespecifictaskofthegatewaynode,thatistoprocessand

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transmittheinformationcollected,aswellasthecharacteristicofitsstoragecapacityandcommunicationsrequirementsformonitoringtemperatureandhumidity,thegatewaynodecanstillusetheCC2430,whichissimilartothesensornodes.Thefunctionofgatewaynodeistocompletethecorrectionandfusionofdata,sendingthedatatothemonitoringcenter,gettinginstructionsandsendingtheinstructionstothecontrolequipmentafterprocessing.

B.Thehardwaredesignofsensormeasuringcircuit

Theterminalnodesneedtocompletetheacquisitionofvariousenvironmentalfactorsandtheinformationacquisitionisdonebythesensor,requiringsensorswithhigheraccuracyandlowerpowerconsumption.Inthisdesign,digitalsensorchipSHT71isselected,whichchieflyconsistsoftemperatureandhumiditysensor,amplifier,AIDconvertercircuitandmemory.Thesalientfeaturesofthischipareasfollows:operatingcurrentis550f.JA,standbycurrentisonly0.3f.JA,temperatureaccuracyis±0.3'Crespectivelyandhumidityaccuracyisnotmorethan1.8%,two-wiredigitalinterface,fullydigitaloutput,whichisI2CbusandcanbedirectlyconnectedwiththeMCU.

IV.FuzzyPIDCONTROLSTRATEGYANDDESIGN

A.FuzzyPIDcontrolstrategy

Inviewofthecharacteristicsoftheindoorairtemperatureandhumiditycontrol,thatis,multi-variable,largeinertia,nonlinear,couplingparameter,puredelayandalongertimespentinthecontrolandregulationandproducingsignificantovershoot,aprecisemathematicalmodelcannotbeestablishedandusingtheclassicalcontrolmethodisdifficulttoachievesatisfactorycontrolprecision.Fuzzycontrolstrategyisagoodchoiceandasanimportantbranchofthefieldofintelligentcontrol,itmimicsthehumanthoughttocontrol,withsimpledesignandrobustadvantages.Therefore,selectingafuzzycontrolalgorithmistocontroltheenvironmentalfactorsofthesystem.

B.TheimplementationofFuzzyPIDControl

Thefuzzycontrollerisnotrequiredtomastertheprecisemathematicalmodelofthecontrolledobject,andaccordingtothemanualcontrolrulestoorganizecontroldecisiontable,andthenthesizeofcontrolamountisdeterminedbythistable.CombiningfuzzycontrolwithPIDcontrolhastheadvantagesofflexibleandadaptableofthePIDcontrol,butalsohastheadvantagesofhighaccuracyofthePIDcontrol.Parameteradjustmentiscarriedoutbycalculatingthetemperatureerroranderrorchangerateecofthecurrentsystem,usingfuzzyrulesforfuzzyreasoningand

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queryingfuzzyruletable.ThestructureoffuzzyPIDcontrollerisshowninFigure3.

Figure3.FuzzyPIDtemperaturecontrollerstructure

AfuzzyPIDcontrollerisappliedtotemperaturecontrolinthisdesign,andtheinputlinguisticvariablesofthetemperaturefuzzycontrolleraretheerroreanditschangerateetc,whiletheoutputlinguisticvariableisthechangeofcontrollingamount,whichwillhelptoensuresystemstability,reducetheovershootofresponseprocessandweakentheoscillation.CombiningfuzzycontrolwithPIDcontrol,expressingtheconditionsandoperationoftherulebyfuzzyquantityintermsofthebasicprinciplesandmethodsoffuzzymathematics,thesefuzzycontrolrulesarestoredintothecomputerknowledgebaseandthenusingfuzzyreasoning,thecomputercouldtoachievethebestadjustmentofthePIDparametersbasedontheactualcorrespondingcircumstances.

Tomeetthedifferentrequirementsofcontrolparametersfromdifferenterroreanditschangerateetc,thefuzzyrelationsbetweenthe3parametersofPIDcontrolleranderroreanditschangerateetcareidentifiedandthe3parametersareadjustedaccordingtothefuzzycontrolprinciple,sothatthecontrolledobjecthasagooddynamicandstaticperformance.

TABLE!.FuzzyCONTROLQUERYTABLEOFTEMPERATURE

Bysummarizingthetechnologyandoperatorexperience,thecontrolrulestatements

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areaccessedandthetemperaturefuzzycontrolruletableisestablished.Butmicro-controllercannotdosuchalargeamountofcomputation,sothesolutionistoproduceafuzzycontrolquerytableshowninTable1andtocarryoutfuzzycomputingbysoftwarequery.

TheimplementationmethodofsoftwareistostorerespectivelythefuzzycontroltableofMp,MiandMdcalculatedoff-lineinthememory,thenevery30msperiodicinterruptcallsthesubroutineofqueryingfuzzycontroltable,thatis,accordingtothequantitativevalueofeandectoqueryfuzzycontroltableandtoobtainquantitativevaluesofMp,MiandMd'TheprogramflowchartisshowninFigure4.

Figure4.FuzzyPIDTemperaturecontrolflowchart

V.SYSTEMSOFTWAREDESIGN

A.Thesoftwaredesignofterminalnode

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ThedevicecomplyingwithZigBeeprotocolcanautomaticallyadjustthetransmitpowerandcanconsumeminimumequipmentenergyonthepremiseofensuringthecommunicationlinkquality.Inthisdesign,wirelesssensornetworkusingatreetopologystructurehastheadvantagesofbetterfunctionandlargercoveragethanthestarstructure,whileeasiertoimplementandmaintainthanthemeshnetwork.Inthesoftwaredesignofnodes,bycallingtheAPIfunctionsprovidedZigBeeprotocolstacktocompletetheinitializationofdevice,theconfigurationofthenetworkandthestartingupnetworkofnetworkmanagementlayer,thewirelessadhocnetworkconsistedofwirelesssensornodesdistributedinanumberofgreenhousesareachieved.Tofurtherreducenodepowerconsumption,thesystemalsohasthefunctionoftheregulardatacollectionandregularsleepandwake-up,whichfunctionisflexibleanddynamicallyconfigurable.ThemainprogramflowchartoftheterminalnodesisshowninFigure5andtheflowchartofinterruptserviceroutineisshowninFigure6.

Figure6.Flowchartofinterruptserviceroutine

Figure5.Mainprogramflowchartoftheterminalnodes

B.Thesoftwaredesignofthemonitoringcenter

Themonitoringcentermanagementsystemisinchargeofsendingacquisitioncommand,receivingcollecteddata,whilereleasingdataontheservertomeettheclient'sbrowsing.Itsmaintasksincludesynchronousmonitoringofallflowmeterstoachievetheonlinemonitoringfunctionofexcessivealarmetc,collectingdataandperformingcyclicredundancycheck(CRC)toensurereliabledata,storingautomaticallythemonitoringdataandtimeinformationinthedatabaseserver,andsoon.theprogramflowchartisshowninfigure7.

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