環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)畢業(yè)論文

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1、國家職業(yè)資格全國統(tǒng)一鑒定維修電工技師論文（國家職業(yè)資格二級）論文題目：環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)姓名： 身份證號：320481199202171218準(zhǔn)考證號：所在省市：江蘇無錫所在單位：無錫技師學(xué)院 目目 錄錄目目 錄錄.I摘摘 要要.1前前 言言.2第第 1 章章 系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述.31.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要原理.31.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案.41.2.1 微控制器的選擇.41.2.2 濕度傳感器的選擇.51.2.3 溫度度傳感器的選擇.61.2.4 氣體傳感器.61.2.5顯示方案的確定.71.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案.71.3.1微控器軟件設(shè)計(jì)方案.8第第 2 章章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).112.

2、1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu).112.2 主控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì).122.2.1 ATmega16簡介.122.2.2 引腳圖及引腳介紹.132.2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì).142.2.4 復(fù)位電路設(shè)計(jì).152.2.5 晶振電路設(shè)計(jì).162.3 濕度傳感器檢測模塊設(shè)計(jì) .172.3.1濕度傳感器HS1101簡介.172.3.2濕度傳感器電路設(shè)計(jì).192.3.3相對濕度檢測系統(tǒng)方框圖.2024 溫度檢測模塊設(shè)計(jì) .202.4.1 DS18B20的性能特點(diǎn).202.4.2 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu).202.4.3 DS18B20工作時(shí)序.242.4.4 ROM操作命令.262.4.5 DS18B20的

3、測溫流程.272.5 氣體檢測模塊設(shè)計(jì) .272.5.1氣體傳感器MQ-2簡介.272.5.2 MQ-2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo).282.5.3 MQ-2檢測電路設(shè)設(shè)計(jì).312.5.3 MQ-2檢測系統(tǒng)方框圖.312.6 LCD12864 顯示模塊設(shè)計(jì).312.6.1 LCD 12864 系列中文圖形液晶顯示模塊的主要特性.312.6.3 原理圖設(shè)計(jì).33 I2.6.5 8位并行模式下時(shí)序.342.6.6 字符地址表.352.6.7 驅(qū)動(dòng)LCD12864流程圖.3527 串口通訊模塊設(shè)計(jì).362.7.1串口通訊簡介.362.7.2串口通訊硬件設(shè)計(jì).362.7.3 部分串口電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì).

4、38第第 3 章章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).393.1 LCD12864 驅(qū)動(dòng)程序模塊.393.2 濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序模塊.453.3 溫度傳感器驅(qū)動(dòng)程序模塊.473.4 氣體傳感器驅(qū)動(dòng)程序模塊.513.5 串口通訊程序模塊.533.6 主程序.56結(jié)束語結(jié)束語.58參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).59 0摘摘 要要在日常生活或者工業(yè)現(xiàn)場，要營造一個(gè)安全舒適的環(huán)境，就必須對其環(huán)境的溫度，濕度，以及當(dāng)前環(huán)境中可燃?xì)怏w含量的精密監(jiān)測， 。本文論述了基于室內(nèi)環(huán)境測控技術(shù)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)以 AVR 單片機(jī) ATmega16 為硬件核心，通過實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)處理能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測環(huán)境，采用 1286

5、4 液晶輔助顯示模塊，顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度、可燃?xì)怏w含量。并且用 PC 機(jī)作為上位機(jī)為系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)串口通信，文中重點(diǎn)講述系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，著重闡述了信號采集處理、單片機(jī)及擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。在目前的試用中，該系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定、具有推廣應(yīng)用價(jià)值。目前的試用中，該系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定、具有推廣應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：溫度傳感器；濕度傳感器；氣體傳感器；AVR 單片機(jī)。 1前前 言言數(shù)據(jù)采集是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中進(jìn)行監(jiān)控所必需的環(huán)節(jié)，本課題是對嵌入式技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用，即用流行的 AVR 單片機(jī)平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與顯示。近年來隨著計(jì)算機(jī)在社會領(lǐng)域的滲透，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷

6、地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。目前 AVR 單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機(jī)、攝象機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。AV

7、R 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，AVR 單片機(jī)的應(yīng)用如此廣泛而又潛力，因而也不用質(zhì)疑其生命力。本課題需要完成一個(gè)完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涉及到電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與控制技術(shù)等多學(xué)科知識，是一個(gè)硬軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)性題目。本課題融知識性與趣味性于一體，提供了一個(gè)有力的了解小家電設(shè)計(jì)技術(shù)的平臺，能提高檢索文獻(xiàn)資料的能力、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力、實(shí)際動(dòng)手的能力。而且可以通過這次設(shè)計(jì)，很好的掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作流程、開發(fā)步驟；熟悉單片機(jī)開發(fā)的通用編程語言。 2第第 1 章章 系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述本章分為三個(gè)部分，主要介紹本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)

8、原理，給出硬件選擇以及軟件設(shè)計(jì)的最終方案。1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要原理系統(tǒng)由濕度傳感器，溫度傳感器，氣體傳感器，顯示單元，單片機(jī)構(gòu)成，由于每種傳感器應(yīng)用的范圍不一樣，精度有高有底，價(jià)格有高有低。各種傳感器產(chǎn)生的得的信號是不一樣的，有電壓大小，有的是電流大小，有的是頻率的高低，有的傳感器還是需要一定的通訊協(xié)議的，所以傳感器的選型會導(dǎo)致硬件電路的復(fù)雜，設(shè)計(jì)應(yīng)使使用的電源最少，通過單片機(jī)對各種傳感器獲得信號進(jìn)行處理、計(jì)算，最終送去顯示單元和串口，本地能夠通過顯示單元獲取到當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境中的：濕度，溫度，有害氣體含量的數(shù)值。遠(yuǎn)程監(jiān)控室能，也能通過串行通信獲取到遠(yuǎn)處檢測器所在的環(huán)境中是怎么樣

9、。能夠讓監(jiān)控人員對各種情況及時(shí)的去處理。如圖 1-1-1 是完成后的硬件圖。 圖 1-1-1 實(shí)際硬件圖 3 上位機(jī)程序使用網(wǎng)絡(luò)上共享的串口調(diào)試工具進(jìn)行調(diào)試，如圖上位機(jī)能在串口調(diào)試工具中獲取環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)值，如圖 1-1-2. 圖 1-1-2 串行通信圖1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案1.2.1 微控制器的選擇微控制器的選擇目前，再電子系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)中，常用的微控器有 MC51 單片機(jī)、PIC 單片機(jī)、AVR 單片機(jī)和 ARM 芯片。方案一：方案一：采用 ARM 作為微控器ARM 微處理器已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于 ARM 技術(shù)的微處

10、理器應(yīng)用約占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器 75以上的市場份額。但是，ARM 技術(shù)往往需要第三方工具、軟件的支持，且 ARM 系列處理器很少集成片上硬件資源，實(shí)際產(chǎn)品成本方面，ARM 配置外設(shè)價(jià)格較高，PCB 版也好設(shè)計(jì)，往往還需要考慮信號的完整性等，因此，對于初學(xué)者來說，使用起來不是很方便。方案二：方案二：采用 PIC 單片機(jī)作為微控器PIC 單片機(jī)速度快，片內(nèi)資源豐富，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜。但沒有地址總線，不適宜做大系統(tǒng)，而且只能使用匯編指令，雖然筒單，但不適合寫大程序。CPU 采用RISC 結(jié)構(gòu)，分別僅有 33，35，58 條指令，采用 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快， 4

11、低工作電壓，低功耗，較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力，一次性編程，小體積，適用于用量大、檔次低、價(jià)格敏感的產(chǎn)品。方案三：方案三：采用 AVR 單片機(jī)作為微控器AVR 單片機(jī)采用的 RISC 優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令：并固定指令寬度，減少指令格式和尋址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運(yùn)行速度。AVR 單片機(jī)的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分離的，并且可對具有相同地址的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行獨(dú)立的尋址。在 AVR 單片機(jī)中，CPU 執(zhí)行當(dāng)前指令時(shí)取出將要執(zhí)行的下一條指令放入寄存器中，從而可以避免傳統(tǒng) MCS51 系列單片機(jī)中多指令周期的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的 MCS51 系列單片機(jī)所有的數(shù)據(jù)處

12、理都是基于一個(gè)累加器的，因此累加器與程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就成了單片機(jī)的瓶頸；在 AVR 單片機(jī)中，寄存器由 32 個(gè)通用工作寄存器組成，并且任何一個(gè)寄存器都可以充當(dāng)累加器，從而有效地避免了累加器的瓶頸效應(yīng)，提高了系統(tǒng)的性能。綜上所述，AVR 單片機(jī)與 51 單片機(jī)、PIC 單片機(jī)相比運(yùn)行效率高很多、芯片內(nèi)部的 Flsah、EEPROM、SRAM 容量較大、全部支持在線編程擦寫、每個(gè) I/O 口都可以以推換驅(qū)動(dòng)的方式輸出高、低電平，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、內(nèi)部資源豐富，一般都集成 AD、DA 模數(shù)轉(zhuǎn)換器；PWM；SPI、USART、TWI、I2C 通信口；豐富的中斷源等?，F(xiàn)在比較流行的型號是

13、 ATmega8/16。所以，本設(shè)計(jì)選用 ATmega16 單片機(jī)作為主控芯片。1.2.2 濕度傳感器的選擇濕度傳感器的選擇目前，市場上有許多類型的濕度傳感器，其參數(shù)及適用場合等各不相同，現(xiàn)就幾種常用的濕度傳感器進(jìn)行比較。方案一：方案一：采用 BQ8-CHR 系列濕度傳感器BQ8-CHR 系列濕度傳感器采用功能高分子膜涂敷在帶有導(dǎo)電電極陶瓷襯底上，形成阻抗隨相對濕度變化成對數(shù)變化的敏感部件，導(dǎo)電機(jī)理為水分子的存在影響高分子膜內(nèi)部導(dǎo)電離子的遷移率。其具有穩(wěn)定、低漂移、高精度、快速響應(yīng)特性、高可靠，耐水性好等特點(diǎn)，具有很好的適應(yīng)性。特征阻抗范圍為，但是由于其工作電壓為 1V AC（502KHz）

14、，而本次設(shè)計(jì)使用的均為直流電源，所以排除使用 BQ8-CHR 系列濕度傳感器。方案二：方案二：采用 HS1101 濕度傳感器 5用濕度傳感器 HS1101 做成的電壓輸出濕度模塊，高可靠性與長時(shí)間穩(wěn)定性，在5VDC 供電時(shí)，0100%RH 對應(yīng)輸出 14VDC 線性電壓，溫度依賴性非常低；寬量程：0100%RH，工作溫度范圍寬；5VDC 恒壓供電，1-4VDC 放大線形電壓輸出；抗靜電，防灰塵，有效抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì)常溫使用無需溫度補(bǔ)償；無需校準(zhǔn)；電容與濕度變化 0.34pf/%RH;典型值 180pf55%RH;長期穩(wěn)定性及可靠性，年漂移量 0.5%RH/年。這款濕度傳感器的參數(shù)比較能適

15、合本次設(shè)計(jì)，通常用于工業(yè)生產(chǎn)過程，本次設(shè)計(jì)選用HS1101 為本次設(shè)計(jì)的溫度傳感器。1.2.3 溫度度傳感器的選擇溫度度傳感器的選擇目前，市場上有許多類型的溫度，其參數(shù)及適用場合等各不相同，現(xiàn)就幾種常用的濕度傳感器進(jìn)行比較。方案一：方案一：PT100 熱電阻PT100 鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫(-200650)范圍的溫度測量中，但由于外圍電路復(fù)雜，價(jià)很較貴，本次設(shè)計(jì)沒有選用。方案二：方案二：數(shù)字溫度傳感器 DS18B20DS18B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司最新推出

16、的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫。這一部分主要完成對溫度信號的采集和轉(zhuǎn)換工作，由 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器及其與單片機(jī)的接口部分組成。數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 把采集到的溫度通過數(shù)據(jù)引腳傳到單片機(jī)的 P1.0 口，單片機(jī)接受溫度并存儲。此次設(shè)計(jì)使用到 DS18B20。1.2.4 氣體傳感器氣體傳感器方案：方案：氣體傳感器 MQ-2MQ-2 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣

17、體濃度相對應(yīng)的輸出信號。 6MQ-2 氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。1.2.5 顯示方案的確定顯示方案的確定LCD 和 LED 是目前普遍采用的兩種顯示技術(shù)。方案一：方案一：采用 LCD 顯示技術(shù)LCD 是液晶顯示屏的全稱，主要有 TFT、UFB、TFD、STN 等幾種類型的液晶顯示屏。其主要特點(diǎn)是：低壓應(yīng)用，低驅(qū)動(dòng)電壓，固體化使用安全性和可靠性提高；平板化，又輕薄，節(jié)省了大量原材料和使用空間；低功耗，節(jié)省了大量的能源；品種多樣，使用方便靈活、維修、更新、升級容易等許多特點(diǎn)。顯示

18、范圍覆蓋了從 1 英寸至 40 英寸范圍內(nèi)的所有顯示器的應(yīng)用范圍以及投影大平面，是全尺寸顯示終端；顯示質(zhì)量從最簡單的單色字符圖形到高分辨率，高彩色保真度，高亮度，高對比度，高響應(yīng)速度的各種規(guī)格型號的視頻顯示器；顯示方式有直視型，投影型，透視式，也有反射式。環(huán)保特性好，無輻射、無閃爍，對使用者的健康無損害。方案二：方案二：采用 LED 顯示技術(shù)LED 是發(fā)光二極管（Light Emitting Diode）的英文縮寫，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED 應(yīng)用可分為兩大類：一是 LED 單管應(yīng)用，包括背光源 LED，紅外線 LED 等；另外就是 LED 顯示屏。目前，中國在 L

19、ED 基礎(chǔ)材料制造方面與國際還存在著一定的差距，但就 LED 顯示屏而言，中國的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)水平基本與國際同步。LED 顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的一顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。 由于本次設(shè)計(jì)需要顯示中文所以選擇了帶字庫的 12864 點(diǎn)陣液晶。 71.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)應(yīng)用軟件和 PC 機(jī)應(yīng)用軟件。單片機(jī)應(yīng)用軟件主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理、存儲、顯示、通信處理等功能；PC 機(jī)應(yīng)用軟件主要是對進(jìn)一步處理總站多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸過來的數(shù)據(jù)，提供友好的監(jiān)測界面，實(shí)現(xiàn)串口通信，

20、數(shù)據(jù)庫保存、查詢等功能。系統(tǒng)的主程序流程圖如下圖圖 1-1 所示：開始初始化對濕度進(jìn)行采樣送 LCD 示監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行圖 1-3-1 系統(tǒng)主程序流程圖發(fā)送至上位機(jī)對溫度進(jìn)行采樣對氣體進(jìn)行采樣1.3.1 微控器軟件設(shè)計(jì)方案微控器軟件設(shè)計(jì)方案常用的單片機(jī)編程語言是匯編和 C 語言。方案一：使用匯編語言 8匯編語言（Assembly Language）是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言。在匯編語言中，用助記符（Memoni）代替操作碼，用地址符號（Symbol）或標(biāo)號（Label）代替地址碼。這樣用符號代替機(jī)器語言的二進(jìn)制碼，就把機(jī)器語言變成了匯編語言。匯編語言是面向具體機(jī)型的，它離不開具體計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，因

21、此，對于不同型號的計(jì)算機(jī)，有著不同的結(jié)構(gòu)的匯編語言，而且，對于同一問題所編制的匯編語言程序在不同種類的計(jì)算機(jī)間是互不相通的。匯編語言像機(jī)器指令一樣，是硬件操作的控制信息，因而仍然是面向機(jī)器的語言，使用起來還是比較繁瑣費(fèi)時(shí)，通用性也差。匯編語言能夠直接訪問與硬件相關(guān)的存儲器或 I/O 端口； 能夠不受編譯器的限制，對生成的二進(jìn)制代碼進(jìn)行完全的控制；能夠根據(jù)特定的應(yīng)用對代碼做最佳的優(yōu)化，提高運(yùn)行速度； 能夠最大限度地發(fā)揮硬件的功能。但是還應(yīng)該認(rèn)識到，匯編語言是一種層次非常低的語言，它僅僅高于直接手工編寫二進(jìn)制的機(jī)器指令碼，因此不可避免地存在一些缺點(diǎn)：編寫的代碼非常難懂，不好維護(hù)； 很容易產(chǎn)生 Bu

22、g，難于調(diào)試；只能針對特定的體系結(jié)構(gòu)和處理器進(jìn)行優(yōu)化；開發(fā)效率很低，時(shí)間長且單調(diào)；兼容性不好，與硬件關(guān)系非常緊密。因而不是很適合初學(xué)者的應(yīng)用。方案二：使用 C 語言C 語言的語法限制不太嚴(yán)格，對變量的類型約束不嚴(yán)格，影響程序的安全性，對數(shù)組下標(biāo)越界不作檢查等。指針是 C 語言的一大特色，可以說 C 語言優(yōu)于其它高級語言的一個(gè)重要原因就是因?yàn)樗兄羔槻僮骺梢灾苯舆M(jìn)行靠近硬件的操作，但是 C 的指針操作也給它帶來了很多不安全的因素。但是對于本次設(shè)計(jì)來還說，C 語言具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）簡潔緊湊、靈活方便C 語言一共只有 32 個(gè)關(guān)鍵字，9 種控制語句，程序書寫自由，主要用小寫字母表示。它把高級語言的

23、基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實(shí)用性結(jié)合起來。C 語言可以象匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作，而這三者是計(jì)算機(jī)最基本的工作單元。（2）運(yùn)算符豐富C 的運(yùn)算符包含的范圍很廣泛，共有 34 個(gè)運(yùn)算符。C 語言把括號、賦值、強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換等都作為運(yùn)算符處理。從而使 C 的運(yùn)算類型極其豐富表達(dá)式類型多樣化。（3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富 9C 的數(shù)據(jù)類型有：整型、實(shí)型、字符型、數(shù)組類型、指針類型、結(jié)構(gòu)體類型、共用體類型等。能用來實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型的運(yùn)算。（4）C 是結(jié)構(gòu)式語言結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點(diǎn)是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)以及

24、調(diào)試。C 語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。（5）C 語法限制不太嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大雖然 C 語言也是強(qiáng)類型語言，但它的語法比較靈活，允許程序編寫者有較大的自由度。（6）C 語言允許直接訪問物理地址，可以直接對硬件進(jìn)行操作因?yàn)榧染哂懈呒壵Z言的功能，又具有低級語言的許多功能，能夠象匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作，可以用來寫系統(tǒng)軟件。（7）C 語言程序生成代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高一般只比匯編程序生成的目標(biāo)代碼效率低 10 20%。綜合比較之后，本次設(shè)計(jì)采用方案二，即使用 C 語言作為微控制器的編程語言。 10

25、第第 2 章章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件是系統(tǒng)的載體與執(zhí)行結(jié)構(gòu)，硬件設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要設(shè)計(jì)傳感器信號放大、采集、處理，顯示處理，執(zhí)行電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)供電等多個(gè)部分。本章分為 6節(jié)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。2.1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)用時(shí)下流行且功能強(qiáng)大的 AVR 單片機(jī)來控制數(shù)據(jù)采集與顯示模塊，利用單片機(jī)采集環(huán)境溫度、濕度、可燃?xì)怏w氣體含量值，進(jìn)行存儲和顯示，并且可以使用 PC 機(jī)為上位機(jī)提供一個(gè)可視的操作界面，并實(shí)現(xiàn)串口通信，數(shù)據(jù)保存、查詢、備份以及控制功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方框圖如下圖圖 3-1 所示：AVR 單片機(jī)（Mega16）室內(nèi)環(huán)境RS232

26、 通訊上位機(jī)圖 2-1 系統(tǒng)方框圖濕度檢測模塊溫度檢測模塊氣體檢測模塊電平轉(zhuǎn)換模塊LCD 顯示模塊串通口訊本電子濕度計(jì)系統(tǒng)模塊由以下幾個(gè)模塊組成：濕度傳感器模塊，溫度傳感器模塊， 11氣體傳感器模塊，AVR 單片機(jī)主控制器，LCD 顯示模塊串，TTL 轉(zhuǎn) RS232 電平模塊。2.2 主控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2.1 ATmega16 簡介簡介ATmega16 單片機(jī)是 1997 年由 ATMEL 公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置 Flash 的 RISC 精簡指令集高速 8 位單片機(jī)。該單片機(jī)具有 AVR 高性能、低功耗 RISC 結(jié)構(gòu)，工作在 8MHz時(shí)具有 8MIPS 的性能，同時(shí)片內(nèi)

27、16KB 的在線可編程 FLASH 存儲器，可擦除 1000 次以上，并且集成了 512B 的 SRAM 和 512 B 在線可編程 EEPROM。另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是自帶8 通道 10 位高精度的逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，A/D 引腳與 PA 口的引腳兩者復(fù)用，可以通過程序指定來加以區(qū)別應(yīng)用。另外，它還擁有很寬的工作電壓范圍，可以在2.76V 之間正常運(yùn)行，具備很強(qiáng)的適應(yīng)性。AVR 單片機(jī)具有良好的集成性能，采用低功率、非揮發(fā)的 CMOS 工藝制造，除具有低功耗、高密度的特點(diǎn)外，還支持低電壓的聯(lián)機(jī) Flash，EEPROM 寫入功能。AVR 單片機(jī)還支持 Basic、C 等高級語言編程。采用

28、高級語言對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)是單片機(jī)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。對單片機(jī)用高級語言編程可很容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)移植，并加快軟件的開發(fā)過程。ATmega16 的主要性能參數(shù)及特性如下： 16K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃存存儲器，擦寫壽命為 10000 次； 在 16MHZ 頻率下速度為 16MIPS 的 8 位 RISC 結(jié)構(gòu)單片機(jī)，內(nèi)含硬件乘法器； 32 個(gè)可編程的 I/O 口，40 引腳 PDIP 封裝，32 個(gè)通用寄存器； 全靜態(tài)工作； 8 通道 10 位 AD 轉(zhuǎn)換器，支持單端和雙端差分信號輸入，內(nèi)帶增益可編程運(yùn)算放大器； 2 個(gè) 8 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，帶捕捉、比較功能；

29、通過 JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對 Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程； 兩個(gè)可編程的串行 USART，可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的 SPI 串行接口。 12ATmega16 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式：空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但是振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作到下一個(gè)硬件復(fù)位。2.2.2 引腳圖及引腳介紹引腳圖及引腳介紹ATmega16 的 PDIP 封裝的引腳圖見圖 2-2。 圖 2-2-1 引腳圖VCCVCC 電源正 GNDGND 電源地端口端口

30、 A(PA7A(PA7PA0)PA0) 端口 A 作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口 A 為 8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 A 處于高阻狀態(tài)。端口端口 B(PB7B(PB7PB0)PB0) 端口 B 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端

31、口 B 處于高阻狀態(tài)。端口端口 C(PC7C(PC7PC0)PC0) 端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還 13未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。如果 JTAG 接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口端口 D(PD7D(PD7PD0)PD0) 端口 D 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電

32、流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。RESETRESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。XTAL1XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。XTAL2XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。AVCCAVCC AVCC 是端口 A 與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ADC 時(shí)，該引腳應(yīng)直接與 VCC連接。使用 ADC 時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。AREFAREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。2.2.3 單片

33、機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)硬件最小系統(tǒng)中，沒有任何信號線的連接，只有電源到主板的電源連接，在判斷的過程中通過電源指示燈及工作狀態(tài)指示燈來判斷這一核心組成部分是否可正常工作。ATmega16 單片機(jī)的最小系統(tǒng)如下圖圖 2-2-2 所示。 14AGND31X113X212RESET9PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A )19PB0 (T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0)3PB3 (AIN1)4PB4 (SS)5PB5 (M OSI)6PB6 (M ISO)7PB7 (SCK)8(ADC0) PA040(ADC1

34、) PA139(ADC2) PA238(ADC3) PA337(ADC4) PA436(ADC5) PA535(ADC6) PA634(ADC7) PA733PC022PC123PC224PC325PC426PC527(TOSC1) PC628(TOSC2) PC729PD7 (TOSC2)21PD6 (ICP)20AVCC30AREF32PD1 (TXD)15PD0 (RXD)14GND11VCC10U0ATM E GA16_DIP40R610KVCCC622pFC722pFY27.3728M hzPA 0PA 1PA 2PA 3PA 4PA 5PA 6PA 7PC0PC1PC2PC3PC4

35、PC5PC6PC7A REFG N DA V CCX 2X 1RES ETPD 7PD 6PD 5PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PD 0PD 1PD 2PD 3PD 4VCC圖 2-2-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)2.2.4 復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路設(shè)計(jì)ATmega16 有 5 個(gè)復(fù)位源：（1）上電復(fù)位電源電壓低于上電復(fù)位門限 VPOT 時(shí)，MCU 復(fù)位。上電復(fù)位（POR）脈沖由片內(nèi)檢測電路產(chǎn)生，POR 電路保證器件在上電時(shí)復(fù)位。VCC 達(dá)到上電門限電壓后觸發(fā)延遲計(jì)數(shù)器。在計(jì)數(shù)器溢出之前器件一直保持為復(fù)位狀態(tài)。當(dāng) VCC 下降時(shí)，只要低于檢測門限，RESET 信號立即生效。（2）外部復(fù)位引

36、腳 RESET 上的低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí) MCU 復(fù)位。外部復(fù)位由外加于 RESET 引腳的低電平產(chǎn)生。當(dāng)復(fù)位低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí)即觸發(fā)復(fù)位過程，即使此時(shí)并沒有時(shí)鐘信號在運(yùn)行。當(dāng)外加信號達(dá)到復(fù)位門限電壓 VRST（上升沿）時(shí)，tTOUT 延時(shí)周期開始。延時(shí)結(jié)束后 MCU 即啟動(dòng)。（3）看門狗復(fù)位看門狗使能并且看門狗定時(shí)器溢出時(shí)復(fù)位發(fā)生。看門狗定時(shí)器溢出時(shí)將產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為 1 個(gè) CK 周期的復(fù)位脈沖。在脈沖的下降沿，延時(shí)定時(shí)器開始對 tTOUT 記數(shù)。 15（4）掉電檢測復(fù)位掉電檢測復(fù)位功能使能，且電源電壓低于掉電檢測復(fù)位門限 VBOT 時(shí) MCU 即復(fù)位。BOD 電路

37、的開關(guān)由熔絲位 BODEN 控制。當(dāng) BOD 使能后(BODEN 被編程)，一旦 VCC 下降到觸發(fā)電平以下(VBOT-，F(xiàn)igure 19)，BOD 復(fù)位立即被激發(fā)。當(dāng) VCC 上升到觸發(fā)電平以上時(shí)(VBOT+，F(xiàn)igure19)，延時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，一旦超過溢出時(shí)間 tTOUT，MCU 即恢復(fù)工作。（5）JTAG AVR 復(fù)位復(fù)位寄存器為 1 時(shí) MCU 復(fù)位。JTAG 通過復(fù)位寄存器 mcur，復(fù)位寄存器為 1 時(shí) MCU復(fù)位。通過 JTAG 指令 AVR_RESET 可以使 JTAG 復(fù)位寄存器置位，并引發(fā) MCU 復(fù)位，并使 JTRF 置位。上電復(fù)位將使其清零，也可以通過寫“0”來清

38、除。本設(shè)計(jì)選用了最直接的復(fù)位形式，由于 AVR 單片機(jī)本身內(nèi)部帶有復(fù)位電路的優(yōu)勢，只需要接一個(gè) 10K 上拉電阻就可以完成復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。為了可靠，可以加上一只0.1uF 的電容以消除干擾和雜波，如下圖圖 2-2-3 所示：RESET圖圖 2-2-32-2-3 單片機(jī)復(fù)位電路圖單片機(jī)復(fù)位電路圖S0RESETR010KC00.1uFD31N41482.2.5 晶振電路設(shè)計(jì)晶振電路設(shè)計(jì)單片機(jī)內(nèi)部的各種功能電路絕大多數(shù)是由數(shù)字電路構(gòu)成的。數(shù)字電路的工作過程，尤其是時(shí)序邏輯電路的工作過程，離不開時(shí)鐘脈沖信號，即時(shí)間基準(zhǔn)信號，每一步細(xì)微的動(dòng)作都是在一個(gè)共同的時(shí)間基準(zhǔn)信號驅(qū)動(dòng)之下完成的。作為時(shí)基發(fā)生器的時(shí)

39、鐘振 16蕩電路，為整個(gè)單片機(jī)芯片內(nèi)部各個(gè)部分電路的工作提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號，也在為單片機(jī)與其他外接芯片之間的通信以及與其他數(shù)字系統(tǒng)或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間通信，提供可靠的同步時(shí)鐘信號。AVR 單片機(jī)設(shè)計(jì)了 4 種類型的時(shí)基振蕩方式可供選擇：標(biāo)準(zhǔn)的晶體振蕩器/陶瓷諧振器振蕩方式 XT；高頻的晶體振蕩器/陶瓷諧振器振蕩方式 HS（4MHz）以上；低頻的晶體振蕩器/陶瓷諧振器振蕩方式 LP（32.768kHz） ；外接電容元件的阻容振蕩方式RC。在本設(shè)計(jì)中，由于需要考慮到通信時(shí)的波特率的設(shè)置，所以選用能產(chǎn)生較精確時(shí)鐘的晶體振蕩器（7.3728MHz） 。晶振電路與單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如下圖圖 2-2-4 所

40、示。為了由外部源驅(qū)動(dòng)器件，當(dāng) XTAL1 被驅(qū)動(dòng)時(shí)，XTAL2 不能連接，如下圖 2-2-5 所示。XTAL2XTAL1GND外部時(shí)鐘信號NC圖 2-2-4 晶振電路設(shè)計(jì) 圖 2-2-5 外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)設(shè)置2.3 濕度傳感器檢測模塊設(shè)計(jì)濕度傳感器檢測模塊設(shè)計(jì)2.3.1 濕度傳感器濕度傳感器 HS1101 簡介簡介濕度傳感器 HS1101 是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)。應(yīng)用于辦公室自動(dòng)化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。它有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：全互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正長時(shí)間飽和下快速脫濕 17可以自動(dòng)化焊接，包括波峰或水浸高可靠性與長時(shí)間穩(wěn)定性專利

41、的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)可用于線性電壓或頻率輸出回路 圖圖 2-3-12-3-1：HS1101HS1101 實(shí)物照實(shí)物照快速反應(yīng)時(shí)間HS1101 的簡單物照圖如圖 2-3-1。 相對濕度在 0%100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 162pF 變到 200pF,其誤差不大于2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5s；溫度系統(tǒng)為 0.04pF/?？梢娖渚仁禽^高的。其濕度電容響應(yīng)曲線如圖 2-2： 200 190 180 170 電容電容 F圖圖 2-3-2：HS1101 濕度電容響應(yīng)曲線濕度電容響應(yīng)曲線HS1101 的一些常用參數(shù)如表 2-1：20 40 60 80 100 相對濕度相對濕度% 18表表 2-3-1：HS

42、1101 常用參數(shù)常用參數(shù)參數(shù)符號參數(shù)值單位工作溫度Ta-40100儲存溫度Tstg-40125供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0100%RH焊接時(shí)間=260t10S2.3.2 濕度傳感器電路設(shè)計(jì)濕度傳感器電路設(shè)計(jì)HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。涉及如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號時(shí)，常用兩種方法:一是將 HS1101 置于運(yùn)放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;另一種是將 HS1101 置于 555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信

43、號，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。555 為必須 CMOS，這里選用的是 TLC555 集成電路 19在不同的濕度環(huán)境中，HS1101 可等效為可變電容，其置于 TLC555 路中構(gòu)成震蕩電路，其震蕩平率的典型值表 2-3-1 所示，濕度與震蕩平率成反比，具有較平滑的線性度。 、 表 2-3-1 典型震蕩平率與相對濕度對應(yīng)值2.3.3 相對濕度檢測系統(tǒng)方框圖相對濕度檢測系統(tǒng)方框圖環(huán)境濕度變化HS1101 電容變化構(gòu)成的 555震蕩電路頻率變化Atmega16捕捉平率并計(jì)算24 溫度檢測模塊設(shè)計(jì)溫度檢測模塊設(shè)計(jì)2.4.1 DS18B20 的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn)1) 獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信

44、；2) 多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；3) 無須外部器件；4) 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 3.05.5V；5) 零待機(jī)功耗；6) 溫度以 3 位數(shù)字顯示；圖 2-3-3 HS1101 典型應(yīng)用電路 207) 用戶可定義報(bào)警設(shè)置；8) 報(bào)警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；9) 負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 2.4.2 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20 采用 3 腳 PR35 封裝，如圖 2-4-1 所示；DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖 3所示。引腳說明：地?cái)?shù)據(jù)線可選圖 2-

45、4-1 DS18B20 封裝 如表 2-4-2DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：1) 64 位光刻 ROM。開始 8 位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個(gè)器件的惟一的序號，共有 48 位，最后 8 位是前 56 位的 CRC 校驗(yàn)碼，這也是多個(gè) DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。64 位閃速 ROM 的結(jié)構(gòu)如下.表 2-4-1 ROM 結(jié)構(gòu)8b 檢驗(yàn) CRC48b 序列號8b 工廠代碼（10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB 21內(nèi)部電源探測位和單線端口位產(chǎn)生器暫存器下限觸發(fā)上限觸發(fā)溫度傳感器存儲器和控制邏輯圖 2-4-2 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)2) 非揮發(fā)的溫

46、度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過軟件寫入用戶報(bào)警上下限值。3) 高速暫存存儲，可以設(shè)置 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的精度。DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個(gè)高速暫存 RAM 和一個(gè)非易失性的可電擦除的 E2PRAM。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為 8 字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖 2-4-2 所示。頭2 個(gè)字節(jié)包含測得的溫度信息，第 3 和第 4 字節(jié) TH 和 TL 的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第 5 個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。它的內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)和字節(jié)定義如圖 2-4-3 所

47、示。低 5 位一直為，TM 是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20 在工作模式還是在測試模式。 Byte0溫度測量值 LSB（50H）Byte1溫度測量值 MSB（50H）E2PROMByte2TH 高溫寄存器- TH 高溫寄存器Byte3TL 低溫寄存器- TL 低溫寄存器Byte4配位寄存器- 配位寄存器Byte5預(yù)留（FFH）Byte6預(yù)留（0CH）Byte7預(yù)留（IOH）Byte8循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC） 22表 24-2 DS18B20 內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)1) 非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過軟件寫入用戶報(bào)警上下限值。2) 高速暫存存儲，可以設(shè)置 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的精

48、度。DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶要去改動(dòng)，R1 和 R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率,如圖 1.4。TM R1R0 1 1 1 1 1圖 24-3 DS18B20 字節(jié)定義由表 2-4-4 可見，分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存 RAM 的第 6、7、8 字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯 1。第 9 字節(jié)讀出前面所有 8 字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存

49、儲器的第 1、2 字節(jié)。單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 0.0625LSB形式表示。當(dāng)符號位 S0 時(shí)，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號位 S1 時(shí)，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。 表 2-4-5 是一部分溫度值對應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。表 24-4 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間/ms00993.750110187.510113751112750溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示 23表 24-5一部分溫度對應(yīng)值表續(xù)表 2-4-5-10.1251111 1111 0

50、101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H3) CRC 的產(chǎn)生 在 64 b ROM 的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC） 。主機(jī)根據(jù) ROM 的前56 位來計(jì)算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比較，以判斷主機(jī)收到的 ROM 數(shù)據(jù)是否正確。另外，由于 DS18B20 單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā) ROM 功能命令發(fā)存儲器操作命令

51、處理數(shù)2.4.3 DS18B20 工作時(shí)序工作時(shí)序根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：1. 每一次讀寫之前都必須要對 DS18B20 進(jìn)行復(fù)位；2. 復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令；3. 最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒，然后釋放，DS18B20 收到信號后等待1560 微秒左右后發(fā)出 60240 微秒的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號表示復(fù)位成功。其工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序，具體工作方法如圖 2-4-4，2-4-5，2-4-6 所示。(1)

52、 初始化時(shí)序+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H 24 圖 2-4-4 初始化時(shí)序總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機(jī)響應(yīng)應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道，總線上有從機(jī)設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。主機(jī)輸出低電平，保持低電平時(shí)間至少480us，以

53、產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著主機(jī)釋放總線，4.7K 上拉電阻將總線拉高，延時(shí)1560us，并進(jìn)入接受模式，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時(shí) 480us12。(2) 寫時(shí)序圖 2-4-5 寫時(shí)序 寫時(shí)序包括寫 0 時(shí)序和寫 1 時(shí)序。所有寫時(shí)序至少需要 60us，且在 2 次獨(dú)立的寫時(shí)序之間至少需要 1us 的恢復(fù)時(shí)間，都是以總線拉低開始。寫 1 時(shí)序，主機(jī)輸出低電平，延時(shí) 2us，然后釋放總線，延時(shí) 60us。寫 0 時(shí)序，主機(jī)輸出低電平，延時(shí)60us，然后釋放總線，延時(shí) 2us。(3) 讀時(shí)序 25 圖 2-4-6 讀時(shí)序總線器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)序是，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命

54、令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便從機(jī)能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)序至少需要 60us，且在 2 次獨(dú)立的讀時(shí)序之間至少需要 1us 的恢復(fù)時(shí)間。每個(gè)讀時(shí)序都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線 1us。主機(jī)在讀時(shí)序期間必須釋放總線，并且在時(shí)序起始后的 15us 之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。主機(jī)輸出低電平延時(shí) 2us，然后主機(jī)轉(zhuǎn)入輸入模式延時(shí) 12us，然后讀取總線當(dāng)前電平，然后延時(shí) 50us.2.4.4 ROM 操作命令操作命令當(dāng)主機(jī)收到DSl8B20 的響應(yīng)信號后，便可以發(fā)出ROM 操作命令之一，這些命令如表2-4-6：ROM操作命令。指令約定代碼功 能讀 ROM33H讀 DS18B20 ROM 中的編碼符合 ROM55

55、H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單線總線上與該編碼相對應(yīng)的 DS18B20 使之作出響應(yīng)，為下一步對該 DS18B20 的讀寫作準(zhǔn)備搜索 ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個(gè)數(shù)和識別 64位 ROM 地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備跳過 ROM0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 發(fā)溫度變換命令， 26表 2-4-6 ROM 操作命令續(xù)表 2-4-6告警搜索命 令0ECH執(zhí)行后，只有溫度超過設(shè)定值上限或者下限的片子才做出響應(yīng)溫度變換44H啟動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長為 500MS，結(jié)果存入內(nèi)部 9 字節(jié) RA

56、M 中讀暫存器0BEH讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的第 3，4 字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟讀命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)復(fù)制暫存器48H將 E2PRAM 中第 3，4 字節(jié)內(nèi)容復(fù)制到 E2PRAM 中重調(diào) E2PRAM0BBH將 E2PRAM 中內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 3，4 字節(jié)讀 供 電方 式0B4H讀 DS18B20 的供電模式，寄生供電時(shí) DS18B20 發(fā)送“0” ，外接電源供電 DS18B20 發(fā)送“1”2.4.5 DS18B20 的測溫流程的測溫流程初始化DS18B20跳過 ROM匹配溫度變換延時(shí) 1S跳過 ROM匹配Atmega

57、16讀暫存器圖 2-4-7 DS18B20 測溫流程適用于單片工作。 272.5 氣體檢測模塊設(shè)計(jì)氣體檢測模塊設(shè)計(jì)2.5.1 氣體傳感器氣體傳感器 MQ-2 簡介簡介本設(shè)計(jì)中采用的 MQ-2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式 N 型半導(dǎo)體。當(dāng)處于 200300C 溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少， 從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢壘受 到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以 獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如 CH4 等）時(shí)，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二

58、氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會自 動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是 MQ-2 型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。MQ-2 型傳感器的結(jié)構(gòu)圖如 圖 2-5-1 所示，圖 2-5-1MQ-2 型傳感器的結(jié)構(gòu)圖其外觀如圖 2-5-2 28圖 2-5-2 MQ-2 型傳感器的外觀2.5.2 MQ-2 型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo)型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo)(1) MQ-2 型傳感器的一般特點(diǎn) (a)MQ-2 型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的

59、靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。 (b)MQ-2 型傳感器具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定， 響應(yīng)時(shí)間短，長時(shí)間工作性能好。 (c)MQ-2 型傳感器具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。 (d)電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬，24V 以下均可；加熱電壓 50.2V。 (2)MQ-2 型傳感器的基本特性 (a)靈敏度特性 煙霧傳感器在最佳工作條件下，接觸同一種煙霧，其電阻值 RS 隨氣 體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用 K 表示。 K=RS / R0 (2-1) 式中，R0 為煙霧傳感器潔凈空氣條件下的電阻值，RS 為煙霧傳感器在一定濃度的檢測煙霧中的

60、電阻值。 雖然對于不同的煙霧，器件靈敏度特性 K 的值也會各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律，log RS = m logC + n (2-2)式中，m 為器件相對煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對于 煙霧，m 值為 1/21/3；C 為檢測煙霧的濃度。n 為與檢測煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。 (b)初期穩(wěn)定特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后，再通電時(shí)，器件并不能立即投入正常工作。這是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)

61、所需要的時(shí)間，定義為初期穩(wěn)定時(shí)間。一般情況下， 29不通電時(shí)間越長，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到 15 天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一 般需要 5 分鐘左右。 (c)加熱特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器一般要在較高的溫度(200450C)下工作，所以需要對其加熱。由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán)境下，若加熱絲直接與電源相接，當(dāng)加熱絲局部短路造成器件過熱或放電時(shí)，可能引發(fā)事故。所以必須使用傳感器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內(nèi)。MQ-2 型煙霧傳感器加熱電壓為 50.2V，加熱電阻為 313?。當(dāng)加熱絲斷路時(shí)，由于熱惰性緣故，煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失，此時(shí)檢測必出現(xiàn)較大的誤差。

62、為避免出現(xiàn)這種情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障， 需要設(shè)計(jì)加熱絲故障診斷報(bào)警電路。 (3)MQ-2 型傳感器的特性參數(shù) 如圖 2-5-3 所示 ，圖 2-5-3 MQ-2 特性指標(biāo)圖圖 2-5-4 為 MQ-2 靈敏度特性圖 30 圖 2-5-4 靈敏度特性圖2.5.3 MQ-2 檢測電路設(shè)設(shè)計(jì)檢測電路設(shè)設(shè)計(jì)2.5.3 MQ-2 檢測系統(tǒng)方框圖檢測系統(tǒng)方框圖環(huán)境可燃?xì)怏w含量變化MQ-2 內(nèi)部敏感體電阻變化RL 兩端電壓變化Atmega16內(nèi)部 AD采集電壓并計(jì)算 312.6 12864 顯示模塊設(shè)計(jì)顯示模塊設(shè)計(jì)2.6.1 LCD12864 系列中文圖形液晶顯示模塊的主要特性系列中文圖形液晶顯示模

63、塊的主要特性12864-15 系列中文圖形液晶模塊的特性主要由其控制器 ST7920 決定。ST7920 同時(shí)作為控制器和驅(qū)動(dòng)器12864 系列產(chǎn)品硬件特性如下：提供 8 位，4 位并行接口及串行接口可選。并行接口適配 M6800 時(shí)序 自動(dòng)電源啟動(dòng)復(fù)位功能。內(nèi)部自建振蕩源。6416 位字符顯示 RAM（DDRAM 最多 16 字符4 行，LCD 顯示范圍 162 行） 。2M 位中文字型 ROM（CGROM） ，總共提供 8192 個(gè)中文字型（1616 點(diǎn)陣） 。16K 位半寬字型 ROM(HCGROM)，總共提供 126 個(gè)西文字型（168 點(diǎn)陣） 。6416 位字符產(chǎn)生 RAM（CGRA

64、M） 。圖 2-6-1 為 12864 液晶的實(shí)物：圖2-6-1 12864液晶實(shí)物2.6.2 12864液晶各引腳功能 32圖2-6-2 12864引腳功能圖2.6.3 原理圖設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)圖2-6-3 12864部分原理圖2.6.4 12864基本指令說明 33表 2-6-1 指令表 1表 2-6-2 指令表 22.6.5 8 位并行模式下時(shí)序位并行模式下時(shí)序 34 寫時(shí)序如圖圖 2-6-4 寫數(shù)據(jù)時(shí)序讀時(shí)序圖 2-6-5 寫數(shù)據(jù)時(shí)序2.6.6 字符地址表字符地址表 35 表 2-6-3 字符地址表2.6.7 驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) LCD12864 流程圖流程圖LCD12864 點(diǎn)陣液晶初始化過程如圖

65、 2-6-6 所示圖 2-6-6 初始化流程 3627 串口通訊模塊設(shè)計(jì)串口通訊模塊設(shè)計(jì)2.7.1 串口通訊簡介串口通訊簡介RS-232（ANSI/EIA-232 標(biāo)準(zhǔn)）是 IBM-PC 及其兼容機(jī)上的串行連接標(biāo)準(zhǔn)?？捎糜谠S多用途，比如連接鼠標(biāo)、打印機(jī)或者 Modem，同時(shí)也可以接工業(yè)儀器儀表。用于驅(qū)動(dòng)和連線的改進(jìn)，實(shí)際應(yīng)用中 RS-232 的傳輸長度或者速度常常超過標(biāo)準(zhǔn)的值。RS-232只限于 PC 串口和設(shè)備間點(diǎn)對點(diǎn)的通信。RS-232 串口通信最遠(yuǎn)距離是 50 英尺。2.7.2 串口通訊硬件設(shè)計(jì)串口通訊硬件設(shè)計(jì)由于電腦的邏輯電平與 Atmega16 的邏輯電平不一樣，電腦的正邏輯電平為-

66、12V負(fù)邏輯電平為+12V。與 TTL 電平是不兼容的，必需加電平轉(zhuǎn)換芯片。本設(shè)計(jì)使用的是 MAX232MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5v單電源供電。其主要作用是用來將普通 5V 的 TTL 電平轉(zhuǎn)為 10V 串口通信電平。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分：第一部分是電荷泵電路。由 1、2、3、4、5、6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v 和-12v 兩個(gè)電源，提供給 RS-232 串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中 13 腳（R 1IN）、12 腳（R1OUT）、11 腳（T1IN）、14 腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8 腳（R2IN）、9 腳（R2OUT）、10 腳（T2IN）、7 腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS-232 數(shù)據(jù)從 T1OUT、T2OUT 送到電腦DP9 插頭；DP9 插頭的 RS-232 數(shù)據(jù)從 R1IN、R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從R1OUT、R