X年吉林省电子设计大赛报告.docx

2014年吉林省大学生电子设计竞赛生产环境监测系统（D题）【本科组】2014年9月14日1摘 要 生产环境监控系统以IAP15F2K61S2单片机为核心，对温度、湿度、光照度、可燃气体浓度进行控制和巡检。各检测单元能独立完成各自功能，并根据主控机的指令对温湿度进行实时采集。主控机负责控制指令的发送，并控制各个检测单元进行数据采集，收集测量数据，同时对测量结果进行整理和显示。其中包括单片机，温度检测、湿度检测、光照度检测、可燃气体浓度检测，键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。关键字：温湿度检测 光强度检测 可燃气体浓度检测1目 录1系统方案3 1.1 主控模块的论证与选择.3 1.2温湿度监测模块的论证与选择.3 1.3可燃气体检测模块的论证与选择.4 1.4环境照度监测模块.4 1.5无线收发模块的论证与选择.4 1.6 控制系统的论证与选择.52.系统理论分析与计算.5 2.1系统总体理论分析.5 2.2系统各组成部分的理论分析.5 2.2.1温湿度监测模块的理论分析.5 2.2.2可燃气体监测模块的理论分析.6 2.2.3 环境照度检测模块的理论分析.62.3工作环境浓度的计算. .63电路与程序设计. . .6 3.1电路的设计.6 3.1.1系统总体框图.6 3.1.2温湿度监测子系统框图与电路原理图.7 3.1.3可燃气体监测子系统框图与电路原理图.8 3.1.4环境照度监测子系统框图与电路原理图.8 3.1.5电源.9 3.2程序的设计93.2.1程序功能描述与设计思路93.2.2程序流程图104测试方案与测试结果124.1测试方案124.2 测试条件与仪器124.3 测试结果及分析12附录1：电路原理图.13附录2：源程序.1422生产环境监测系统（D题）【本科】1系统方案本系统主要由主控模块模块、温湿度监测模块、可燃气体监测模块、环境照度监控模块、无线收发模块、加热装置控制模块、喷淋阀监控模块、排风机监控模块、隔离门监控模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 主控模块的论证与选择方案一：IAP15F2K61S2IAP15F2K61S2。IAP，在系统可编程或在应用可编中无需编程器，无需仿真器，可当仿真器使用。属于增强型8051CPU，速度比普通8051快8-12倍；具有大容量片内EEPROM，擦写次数10万次数以上；共8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM，还可当3路D/A使用；共3通道捕获/比较单元（CCP/PWM/PCA）；内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路；内部高精度R/C时钟，内部时钟从5MHz35MHz可选，相当于普通8051的60MHz420MHz；两组高速异步串行通信端口（可同时使用），可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用；一组高速异步串行通信端口SPI；各种接口扩展齐全；一根优质USB线实现系统供电、程序下载、通信功能。方案二：AT89C51AST89C51。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，具有128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源等 。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，然而它的速度有限。综合以上方案，选择方案一。1.2温湿度监测模块的论证与选择方案一：DHT11。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。它应用专用的数字模块采集技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并于一个高性能8位单片机相连，因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精准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。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。方案二：SHT11。SHT11是一款高度集成的温湿度传感器芯片，采用专利的CMOSens技术，提供全量程标定的数字输出，且由于采用了优化的集成电路形式使其具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。但是其成本较高。综合以上二种方案，选择方案一。1.3 可燃气体检测模块的论证与选择方案一：MQ-2。MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感,具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好，有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。有微型AL2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。方案二：MQ-6。MQ-6气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-6气体传感器对丙烷、丁烷、液化石油气的灵敏度高，对天然气也有较好的灵敏度。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。MQ-6具有信号输出指示，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性、快速的响应恢复特性，工作电压DC 3-5V。但是其抗干扰性不高。综合考虑采用方案一。1.4环境照度监测模块方案一：GY-30。数字光强度检测模块:GY-30采用ROHM原装BH1750FVI，芯片供电电源：3-5v，光照度范围：0-65535 lx，传感器内置16bitAD转换器直接数字输出，具有低电流关机功能，光谱的范围是人眼相近，有1.8V 逻辑输入接口，无需任何外部零件，光源的依赖性不大（例如白炽灯.荧光灯.卤素灯.白LED.孙光），小测变异(+/- 20%)，受红外线的影响很小，省略复杂的计算，省略标定不区分环境光源接近于视觉灵敏度的分光特性可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定标准NXP IIC通信协议模块内部包含通信电平转换，与5v单片机I/O口直接连接送STC。方案二：APDS-9300APDS-9300是一款低电压数字环境光照光学传感器，可以将光照强度转换为数字信号并直接通I2C 接口输出。每个器件都配置了一个宽带光电二极管（外加红外线可见）和一个红外光电二极管。两个集成型ADC将光电二极管电流转换到数字输出接口时即对每个通道上的辐射进行测量。综合考虑选择方案一1.5 无线收发模块的论证与选择方案一：RF1101RF1101无线收发模块是根据smartRF技术以0.18µsCMOS工艺制成的一款单片UHF收发器。电路主要工作在315、433、868和915MHz的ISM和SRD（短距离）频率波段。RF1101继承了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率最高可达500kbps。RF111在1.83.6V的低电压下工作，其灵敏度为-110dBm，在所有工作频率波段上，可编程输出功率为-3010dBm。方案二：NRF905NRF905由频率合成器、接受解码器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需要外加声表滤波器，ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA,工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。综合考虑选择方案二1.6 控制系统的论证与选择方案一：IAP15F2K61S2IAP15F2K61S2。IAP，在系统可编程或在应用可编中无需编程器，无需仿真器，可当仿真器使用。属于增强型8051CPU，速度比普通8051快8-12倍；具有大容量片内EEPROM，擦写次数10万次数以上；共8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM，还可当3路D/A使用；共3通道捕获/比较单元（CCP/PWM/PCA）；内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路；内部高精度R/C时钟，内部时钟从5MHz35MHz可选，相当于普通8051的60MHz420MHz；两组高速异步串行通信端口（可同时使用），可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用；一组高速异步串行通信端口SPI；各种接口扩展齐全；一根优质USB线实现系统供电、程序下载、通信功能。方案二：AST89C51AST89C51。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，具有128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源等 。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，然而它的速度有限。综合以上E二方案，选择方案一。2系统理论分析与计算2.1系统总体理论分析生产环境监控系统主要通过环境参数的实时采集来实现，环境的主要参数主要有温湿度传感器DHT11，用于测定生产环境温湿度，光强度传感器GY-30用于测定生产环境的光线强度，而气体传感器MQ2则用于测定生产环境空气中可燃气体的浓度，系统将这些环境参数收集到一起，再由监控平台对这些数据进行计算与分析，系统根据数据的计算与分析结果控制命令的执行，以此实现生产环境的调节。本系统选定的被控制量为生产环境内的温度、湿度、光照强度以及可燃气体的浓度。温湿度的主要控制手段为加热、加湿、侧窗及风机等；光照强度主要通过控制环境内发光二极管被点亮的个数来控制；可燃气体的浓度通过向生产环境中释放丁烷的多少来控制。整个生产环境的控制系统主要由数据汇集点、无线传感器节点和执行机构组成。调节方式分为手动调节与自动调节两种类型。手动调节主要通过手动来进行执行机构的动作，而自动控制模式则需要系统给执行机构发出命令自动进行生产环境内环境参数的调整。2.2系统各组成部分的理论分析2.2.1温湿度监测模块的理论分析DHT11传感器包括一个电阻式感湿原件和一个NTC监测原件，并与一个高性能的8位单片机相连。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强等优点。每个DHT11传感器都在极为准确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在监测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。2.2.2可燃气体监测模块的理论分析MQ-2型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。通过二氧化锡表面电阻的变化来测定气体的浓度，遇到可燃气体，电阻下降，下降的幅度与可燃气体的浓度有关。MQ2传感器检测气体的原理是其内部具有检测元件与固定电阻和调零电位器构成检测桥路。桥路以铂丝为载体催化元件，通电后铂丝温度上升至工作温度，空气以自然扩散方式到达元件表面。当空气中无可燃性气体时，桥路输出为零，当空气中含有可燃性气体并扩散到检测元件上时，由于催化作用产生无焰燃烧，是检测元件温度升高，铂丝电阻增大，使桥路失去平衡，从而有一电压信号输出，这个电压的大小与可燃性气体浓度成正比，信号经放大，模数转换，通过显示器显示出来。2.2.3环境照度检测模块的理论分析GY-30数字光强传感器，采用ROHM原装BH1750FVI芯片，供电电源在35V之间，光照度范围在065535lx之间，传感器内置16bitAD转换器，直接数字输出，省略复杂的计算，省略标定，不区分环境光源，接近于视觉灵敏度的分光特性。2.3工作环境浓度的计算本设计要求可燃气体浓度在20100LEL之间，我设计中，我们所采用的测试气体为甲烷，经查阅资料，我们知道LEL表示可燃气体的爆炸下限，而甲烷的爆炸范围为2.57.2，即甲烷气体的LEL为20（在空气中所占的体积百分比）我们所采用的工作空间体积为：500*400*300=6*107立方毫米=6*104立方厘米6*104立方厘米*2.5*20=300立方厘米6*104立方厘米*2.5*100=1500立方厘米则本设计要求的可测得的可燃气体的体积为：300立方厘米1500立方厘米3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图生产环境监控系统结构方框图见图1，生产环境监控系统对生产现场环境内的温湿度、照明灯亮度、可燃气体浓·测与报警；控制排风机的排风量、喷淋阀、隔离门等的开闭。温湿度监测模块可燃气体监测模块环境照度监控模块排风机监控模块隔离门监控模块喷淋阀监控模块加热装置控制模块现场主控机无线收发模块显示模块报警模块按键模块无线收发模块手持设备键盘模 块显示模 块报警模 块图1系统总体方框图3.1.2 温湿度监测子系统框图与电路原理图1、温湿度监测子系统框图温湿度监测模块加热装置控制模块现场主控机无线收发模块显示模块按键模块无线收发模块手持设备键盘模 块显示模 块图2 温湿度监测子系统框图2、温湿度监测子系统电路 见附录一3.1.3 可燃气体监测子系统框图与电路原理图1、可燃气体监测子系统框图可燃气体监测模块排风机监控模块隔离门监控模块喷淋阀监控模块现场主控机无线收发模块显示模块报警模块按键模块无线收发模块手持设备键盘模 块显示模 块报警模 块图3 可燃气体监测子系统框图2可燃气体监测子系统电路 见附录一 3.1.4 环境照度监测子系统框图与电路原理图1、环境监测子系统框图环境照度监控模块现场主控机无线收发模块显示模块按键模块无线收发模块手持设备键盘模 块显示模 块图4 环境照度监测子系统电路2、环境照度照度监测子系统电路 见附录一3.1.5电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要分为七部分，第一部分为主控模块，可对喷淋阀、排风机、隔离门等装置进行就地开关控制，当设备运行时能指示出工作状态；对环境温度进行控制，要求温度控制绝对误差小于2；第二部分为LCD12864显示部分，利用IAP15F2K61S2单片机串行传输功能，实现各个功能模块在显示器上的状态显示；第三部分为DHT11数字温湿度监测模块，利用单片机内部总线进行接收数据；第四部分是MQ-2可燃气体监测模块，根据接收外界可燃气体的浓度，使其模块输出电压的变化，再通过单片机内部AD转换为数字部分，得出相应的浓度值当浓度值，当可燃气体浓度超过监控上限时现场主控机能启动联动系统，首先开启报警装置，然后依次启动排风机、喷淋阀、疏散指示灯，并分两步关闭隔离门，第一步半关，5秒钟后再全关，整个控制结束后关闭系统并进行声音提示；第五部分是BH1750光强度传感器模块，通过IIC传输得到外界的光照强度值；第六部分为按键部分，用的是矩阵键盘控制排风扇、喷淋阀、加热器与卷帘门。第七部分为无线收发模块NRF905，无线方式将现场环境温湿度、照明灯亮度、可燃气体浓度等信息和喷淋阀、排风机、隔离门装置的开关状态发送给终端手持设备。3.2.2程序流程图1.温湿度监控子程序流程图 开始 延时 键盘扫描 初始化温湿度检测并传送数据 回单片机 12864显示数据值NO判断温度和湿度是否超出阈值 报警系统启动YES 结束 图5温湿度监控子程序流程图 2.可燃气体浓度监控子程序流程图 开始 判断可燃气体浓度是否超出阈值 12864显示数据值可燃气体浓度度检测并传送数据回单片机 延时 键盘扫描 初始化NO YES 结束 报警系统启动 图6可燃气体浓度监控子程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案1.硬件调试温湿度传感器DHT11与可燃气体传感器的MQ2和数字光强传感器GY-30的测试都十分简单，其主要是编程问题，通过对三个元件产品手册的了解，对程序进行设计，利用打火机和白炽灯还有发光二极管经过多次可燃气体浓度和温度还有光强度的调节，表明三个元件能够正常显示可燃气体浓度、工作环境温度和光强度。2.软件调试软件调试主要采用keil软件调试编译单片机程序。由于由于IAP15F2K61S2可以擦写上千次，所以在这个调试过程中，我们并没有用仿真器来实践，而是直接将程序烧写进单片机操作。将通过KEIL软件编译通过的单片机程序生成的“.hex”文件用烧录软件通过下载线烧写进单片机中3.硬件软件联调采用Keil软件和硬件电路板进行软硬件联合仿真，首先编译单片机程序，然后运行编译的程序，程序检查成功后，再把程序烧入硬件之中。我们对调试过程中出现的错误仔细分析，然后不断更正错误，直至达到理想效果。 在软硬件联调时，根据在程序中设定的阈值，将打火机打火放到气体传感器周围，这样气体传感器就可以采集到相应可燃气体浓度，当浓度超过预设阈值，蜂鸣器就会立即报警，同时吸合继电器。通过白炽灯的开与关来调节工作环境的温度，当温度超过预设阈值，蜂鸣器就会立即报警，同时吸合继电器。通过发光二极管的亮与灭来模拟加湿喷淋阀的开启与关闭。4.2 测试条件与仪器测试条件：在模拟的工作环境中通过多次释放打火机中甲烷气体与点亮白炽灯来测试可燃气体探测器与温湿度探测器的灵敏度。测试仪器：温度计，秒表。4.3 测试结果及分析根据上述测试数据，可以得出以下结论：1.显示器能够正常显示；2.时钟电路硬件部分能完全正确的显示时间值；3.温湿度传感器DHT11能正确读取工作环境的温湿度；4.可燃气体传感器MQ2能正确读取可燃气体的浓度；5.光强度传感器GY-30能正确读取光强度；6.报警硬件电路与软件能正常使用；综上所述，本设计达到设计要求。附录1：电路原理图附录二：源程序#include<STC15F2K.h>#include<intrins.h>#include"LCD12864.H"#include "NRF905.h"#include"AD.H" #include"DHT11.H"#include"BH1750.H"#include"delay.H"#include"keyboard.h"#include"main.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar num11=0,ddm=0;float temp_T;uchar tf_w=0;void main()ADC_CH = 0;PSB=0;LED=0;kaiji();delay_ms(30000);LCD_comm(0x01);JR=1; DS=1;SS=1;PL=1;IN1=0;IN2=0;nRF905Init(); Config905(); delay_ms(5);ADC_init();delay_ms(5);LCD_init();delay_ms(5);Init_BH1750(); delay_ms(5);display();while(1)RX();TX();read_io();BH1750_T();key_function();warning();xianshi();wendujiance();if(tf_w=1)baojing();LCD_comm(0x01);LED=1;guanji();delay_ms(50000);break;void xianshi()uchar out4="0000"UAS(ADC_get,out);LCD_WriteStr(3,2,out); /气体浓度UAS3(RH_data,out);LCD_WriteStr(7,1,out);UAS1(TH_data,out);LCD_WriteStr(2,1,out);UAS2(temp_T,out);LCD_WriteStr(7,2,out);void baojing()xianshi();BEEP=0;DS=0;JR=1;LCD_WriteStr(3,3,"关");LCD_WriteStr(7,3,"开");PL=0; LCD_WriteStr(3,4,"开");xianshi();SS=0;LCD_WriteStr(7,4,"关");xianshi();delay_ms(5000);IN1=0;IN2=1;delay_ms(1540);IN1=0;IN2=0;xianshi();delay_ms(1000);xianshi();delay_ms(1000);xianshi();delay_ms(1000);xianshi();delay_ms(1000);xianshi();delay_ms(1000);xianshi();IN1=0;IN2=1;delay_ms(1000);delay_ms(500);IN1=0;IN2=0;xianshi();LCD_WriteStr(7,4,"关");xianshi();delay_ms(30000);xianshi();BEEP=1;delay_ms(1000);BEEP=0;delay_ms(1000);BEEP=1;delay_ms(1000);BEEP=0;delay_ms(1000);BEEP=1;delay_ms(1000);BEEP=0;delay_ms(1000);BEEP=1;delay_ms(1000);BEEP=0;delay_ms(1000);BEEP=1;display();xianshi();DS=1;LCD_WriteStr(7,3,"关");delay_ms(10);PL=1;LCD_WriteStr(3,4,"关");delay_ms(10);SS=1;delay_ms(10);LCD_WriteStr(7,4,"关");void wendujiance()if(TH_data>35)JR=1;LCD_WriteStr(3,3,"关");else if(TH_data<=30)JR=0;LCD_WriteStr(3,3,"开");void warning()uchar a,b;while(1) a=ADC_get/100;b=ADC_get%100/10;if(a=2&&b>=5)tf_w=1;else tf_w=0; break;void BH1750_T()Single_Write_BH1750(0x01); / power onSingle_Write_BH1750(0x10); / H- resolution modedelay_ms(180); /延时180msMultiple_Read_BH1750(); /连续读出数据，存储在BUF中dis_data=BUF0;dis_data=(dis_data<<8)+BUF1;/合成数据 temp_T=(float)dis_data/1.2;void UAS(uint Data,uchar *p)uchar a="0123456789"uchar b=".%" ;*p=aData/100;*(p+1)=b0;*(p+2)=aData%100/10;*(p+3)=b1 ;void UAS1(uint Data,uchar *p)uchar a="0123456789. "uchar b="du" ;*(p)=b0;*(p+1)=b1;*(p+2)=aData/10;*(p+3)=aData%10;void UAS3(uint Data,uchar *p)uchar a="0123456789."*(p)=a0 ;*(p+1)=a10 ;*(p+2)=aData/10;*(p+3)=aData%10;void UAS2(uint Data,uchar *p)uchar a="0123456789"*(p)=aData/1000;*(p+1)=aData%1000/100;*(p+2)=aData%100/10;*(p+3)=aData%10;