環(huán)境狀況監(jiān)測系統(tǒng)設計論文

1、南京理工大學紫金學院 題 目： 環(huán)境狀況監(jiān)測系統(tǒng) 課程名： 自動測試系統(tǒng) 姓 名: 張坤 學 號： 專 業(yè)： 自動化 班 級： 自動化一班 2015年11月26日摘要：在社會進步，工業(yè)發(fā)展的同時，各種污染也無時無刻威脅著人們的居住環(huán)境，所以對生活環(huán)境中各項指標的監(jiān)測變得尤為重要。本篇文章將設計一個系統(tǒng)來監(jiān)測環(huán)境中的溫度、濕度、二氧化碳、噪聲及電磁波等指標，并從可靠性，性價比等方面考慮選擇傳感器單片機等儀器模塊來完成設計。關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；溫度；傳感器。Abstract: in the social progress, industrial development, all kinds of p

2、ollution is also threatening peoples living environment, so the monitoring of the living environment of the indicators become particularly important. This article will design a system to monitor the temperature, humidity, carbon dioxide, carbon dioxide, noise and electromagnetic wave and other indic

3、ators, and from the reliability, performance and other aspects of the design of such as the choice of sensor chip and other instruments.Keywords: environmental monitoring; temperature; sensor.1引言隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，各種污染層出不窮，人的居住的環(huán)境也是越來越苛刻，所以需要對環(huán)境進行嚴格的監(jiān)測。人們需要一個適宜的溫度，不是太冷也不是太熱，這就需要實時的監(jiān)測居住環(huán)境的溫度來進行溫度調(diào)節(jié)。同時，把握溫度、

4、濕度、空氣質(zhì)量的度，來進行妥善調(diào)節(jié)，從而避免由于這些環(huán)境因素的超標對人體造成的傷害就顯得尤為重要。此外，近些年來由于工業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，以及其他很多原因帶來的噪聲污染，電磁波污染也不能忽視，必須建立一套完整的監(jiān)測體系來確保人居住環(huán)境的安全健康。為了更好的對這些環(huán)境參數(shù)進行有效快速的測量，傳統(tǒng)的人工控制已經(jīng)不能滿足要求。隨著傳感器技術的不斷發(fā)展，單片機的應用不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。2采樣設備2.1溫度傳

5、感器當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準確獲得被測信號是其核心任務；而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。采用AD590，它的測溫范圍在-55+150之間，而且精度高。M檔在測溫范圍內(nèi)非線形誤差

6、為0.3。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進行線性校正，所以使用也非常方便，接口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點是，和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。AD590的測量信號可遠傳百余米。2.2溫度測量電路圖1 AD590應用電路圖1是AD590用于測量熱力學溫度的基本應用電路。因為流過AD590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻R1和電位器R2的電阻之和為1k時，輸出電壓V0隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應對電路進行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把AD590放于

7、冰水混合物中，調(diào)整電位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調(diào)整只保證在0或25附近有較高的精度。如圖1所示，電位器R2用于調(diào)整零點，R4用于調(diào)整運放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0時調(diào)整R2，使輸出V0=0，然后在100時調(diào)整R4使V0=100mV。如此反復調(diào)整多次，直至0時，V0=0mV，100時V0=100mV為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為25，那么V0應為25mV。冰水混合物是0環(huán)境，沸水為100環(huán)境。2.3濕度傳感器測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的

8、濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。HS1100/HS1101濕度傳感器。HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。相對濕度在1%-100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于2%RH；響應時間小于

9、5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/?？梢娋仁禽^高的。2.4濕度測量電路HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運方與租蓉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；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。頻率輸出的555測量振蕩電路如圖2所示。集成定時器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C，構(gòu)成了對C的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的

10、晶體管對地短路又構(gòu)成了對C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3 是防止輸出短路的保護電阻，R1 用于平衡溫度系數(shù)。圖2頻率輸出的555振蕩電路該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源Vs通過R4、R2 向C充電，經(jīng)t充電時間后，Uc達到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67Vs，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經(jīng)t放電時間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33Vs此時輸出，此時輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為t充電=C（R4+R2）Ln2；t放電=

11、CR2 Ln2。因而，輸出的方波頻率為f=1/(t放電+t充電)=1/ C（R4+R2）Ln2?？梢?，空氣濕度通過555測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號。2.5二氧化碳濃度監(jiān)測氣體檢測的傳感器，目前按照氣敏特性來分，主要分為：半導體型，電化學型，固態(tài)電解質(zhì)型，接觸燃燒型，光化學型等傳感器。其中又以前兩種最為普遍。固態(tài)電解質(zhì)傳感器，顧名思義就是以固體離子導電為電解質(zhì)的化學電池。它介于半導體和電化學之間。選擇性和靈敏度高于半導體而壽命又長于電化學，所以得到了廣泛的應用。這類傳感器具有對二氧化碳反應靈敏，受溫度和濕度影響較小，成本低的特點。MS4100在眾多二氧化碳傳感器中價格比較適中，性能也比

12、較穩(wěn)定。又綜合考慮以上選擇的原則。因此該系統(tǒng)選用該型號傳感器。二氧化碳傳感器的測量濃度單位為：百萬分單位ppm。600ppm濃度的二氧化碳意味著：每公升的空氣中有600公升的二氧化碳。2.6噪聲監(jiān)測噪聲測量一般有如下幾個方面的目的：測量聲壓級以了解噪聲對環(huán)境的污染情況，檢驗噪聲是否符合有關標準；進行噪聲信號的頻譜分析，以了解噪聲的頻率結(jié)構(gòu)；測量噪聲源的聲功率或聲功率級，以客觀了解噪聲源特性。噪聲傳感器采用2個駐極體話筒。根據(jù)噪聲測試分析要求，阻抗匹配電路的響應工作頻率為014kHz，不均勻性限制在1dB以內(nèi)。采用2個駐極體話筒也可制作傳感器，其硬件組成為駐極體話筒、功放電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和微

13、機。3信號分析處理3.1A/D轉(zhuǎn)換在工業(yè)控制和智能化儀表中，常用單片機進行實時控制及實時數(shù)據(jù)處理。單片機加工的信息都是數(shù)字量，而被控制或測量對象的有關參量往往是連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量等，通過傳感器將這些信號轉(zhuǎn)成模擬信號。單片機要處理這種信號，首先必須將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這一轉(zhuǎn)換過程就是模/數(shù)轉(zhuǎn)換，現(xiàn)實的模/數(shù)轉(zhuǎn)換的設備稱為A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。A/D轉(zhuǎn)換電路種類很多，目前在實用、教學方面使用較多的兩種A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0809和TLC1543。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時，主要考慮以下的一些技術指標：轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換頻率、量化誤差與分辨率、轉(zhuǎn)換精度、接口形式等。目前，較為流行的A/D轉(zhuǎn)

14、換器很多都采用了串行接口，這使得這類芯片與單片機的硬件連接非常簡單。出于成本考慮，本次的設計采用串行接口的TLC1543而非并行接口的ADC0809。3.2單片機MCS51 為了設計此系統(tǒng)，我們采用了8051單片機作為控制芯片，在前向通道中是一個非電信號的電量采集過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經(jīng)過功率放大過程，使信號放大，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計算機能識別的數(shù)字信號，再送入計算機系統(tǒng)的相應端口。3.3工作方式它的工作方式可以分做復位，掉電和低功耗方式等。復位方式當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持

15、續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據(jù)應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復位操作。常用的上電復位電路如圖 (3-15a)中左圖所示。圖中電容C1和電阻R1對電源十5V來說構(gòu)成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時間，由于單片機內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達到上電復位的操作功能，如圖 (3-15a)中所示。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。4軟件設計總體思路及主流程圖主程序的功能是，實現(xiàn)對LCD的初始化，然后進行溫濕度測量和顯示，通過按鍵設置報警溫濕度

16、的上下限，當超出界限時顯示報警，對有害氣體濃度進行監(jiān)測，超出設定上限時顯示報警。主程序的作用是對各個功能模塊的初始化，然后據(jù)任務的需要對各個功能模塊的函數(shù)進行調(diào)用，完成數(shù)據(jù)處理的任務。本系統(tǒng)采用C語言編寫，主程序主要由四部分構(gòu)成,系統(tǒng)通電后首先初始化系統(tǒng)，依次完成溫濕度采集、溫濕度處理、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤處理等四項功能。溫濕度采集部分主要完成溫濕度測試點的數(shù)據(jù)采集任務；溫濕度處理部分主要是將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)與用戶設定的各點上下限溫度值進行比較處理，并判斷是否超出設定的上下限值，如果超出則led燈亮報警；數(shù)據(jù)顯示部分主要實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的顯示；鍵盤處理部分主要實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)參數(shù)的設置，結(jié)合顯示部分，實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的人機接口。開始系統(tǒng)軟件總流程圖如圖3所示。初始化數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理顯示Y判斷數(shù)據(jù)是否超標報警N圖3 主程序流程圖5總結(jié)此次設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應用范圍比較廣泛，在我們的日常生活中也比較常見，如溫室大棚、天氣情況的監(jiān)控，消費電子領域?qū)ε照{(diào)的監(jiān)控，內(nèi)部都涉及到溫、濕度監(jiān)測，但是由于時間倉促，我認為該產(chǎn)品還有許多功能有待于改善，如在溫濕度過低時自動加溫加濕功能，測溫范圍的擴大，顯示電路的漢化