1、四川師范大學成都學院程控交換課程設計酒店環境環境實時監測系統的設計與制作前言在科技日新月異的今天，人們在滿足溫飽的基礎上更加重視生活品質的提高，而室內 環境作為與人們健康密切相關的環境尤為受到重視。酒店因其特殊的服務性質，其家具擺 設，空氣檢測等要求越來越高。比如人們會需要一個適宜的溫度，不是太熱，不是太冷。 同時，人們對酒店環境空氣的要求更顯重要，比如男人抽煙會使得酒店環境煙霧彌漫，使 用液化氣也按難免會有泄露， 這些氣體都是對人體有害的。 因此，把握酒店環境的環溫度、 濕度、空氣質量的度，來進行妥善調節，從而避免由于這些環境因素的超標對人體健康造 成的傷害就顯的尤為重要。所以為了人們的身體

2、健康，同時有個一個更好的環境，并且為 了能夠達到提前未卜先知的功能，利用所學的知識設計了本作品：一個微型的酒店環境環 境監測器。簡單的實時監測酒店環境的溫度，濕度， 以及煙霧的超標等，本設計利用STC89C52單片機作為監測器的控制中心即 CPU,用戶它來控制相關的傳感器。如溫濕度傳 感器、煙霧傳感器、液晶顯示器等。以此來檢測酒店環境的環境。達到實時檢測酒店環境 的溫度， 濕度，以及有毒氣體的目的。 使用者可以對監測系統進行相關的設置， 限定溫度、 濕度、煙霧等環境因素的臨界值。一旦某項指標超過所限定的臨界值，這個系統可以自動 的提醒家人進行相關的調節動作。例如，當溫度高了，通過相關提示打開風

3、扇、空調等。 當濕度低了，通過相關提示噴灑水霧增加濕度。當有毒氣體增多了，提示家人開窗通風并 迅速關閉氣體來源等。這樣，系統在家人還沒有發現危險到來之前就能夠進行相關的提示 操作，避免一定的危險事故的發生，從而達到監測報警實現未卜先知的目的。1 總體系統設計1.1 設計原理 本設計的思路是根據單片機的工作原理，利用各個傳感器的特性，設計相關的電路， 用單片機來采集相關的各個變量，結合時鐘芯片在液晶屏上實時的顯示各種狀態，并且通 過按鍵進行相關的設置，超過設置界限時，進行聲光報警。2 設計方案2.1 方案一采用 STC89C52單片機作為控制核心，直接利用溫濕度傳感器采集溫度和濕度，利用煙霧傳感

4、器來監測煙霧的危害程序，經過處理后直接傳給單片機，單片機綜合分析以后， 送到 LCD12864上顯示，并且單片機結合時鐘實時的顯示狀態，通過獨立鍵盤來設置和調 整時間，真題電路設計簡單，具體模塊框圖如下：電源模塊溫濕度傳感器煙霧檢測電路獨立鍵盤單片機控制系統液晶顯示電路實時時鐘電路報警控制模塊圖 2.1-1 方案一模塊框圖2.2 方案二：我們采用 ARM7處理器作為系統的控制核心，利用溫度傳感器和濕度傳感 器來分別采集溫度和濕度，經過高精度 AD轉換器，編程數字信號后傳送給 ARM處理并用 TFT 彩屏顯示出來，并添加專門各種氣體檢測傳感器來檢測酒店環境氣體的密度等，同時 我們加上高精度時鐘芯

5、片 DS12C887來實時顯示時間，便于實時檢測，對于控制我們用矩 陣鍵盤來輸入信號，方便處理，不用不斷的按鍵盤。同時通過485 串口把數據傳給計算機來分析。具體框圖如下：圖 2.2-1 方案二模塊框圖2.3 方案比較 方案一電路設計比較簡單，對溫度濕度要求不是很高的情況下，基本滿足要求，而且 可以實時顯示， 設置簡單， 軟件調試比較簡單， 用在家庭中不但節約成本， 而且操作方便， 而方案二中我們選用 ARM處理器，利用各種測量范圍寬的溫濕度傳感器和高精度的氣體傳 感器來檢測酒店環境的狀態，這套方案對于要求比較高的場合比較用，特別是在工業場合 上來檢測酒店環境的狀態，并送到計算機進行分析，用在

6、家庭中成本昂貴，綜合比較方案 一電路簡單，測試范圍滿足要求，而方案二測試范圍大，調試復雜，雖然精度高等優點， 但是方案一更具有性價比和推廣性，最后我們經過綜合比較我們選用方案一。3 元件選型與電路設計3.1 單片機最小系統3.1.1 STC89C52 型單片機簡介STC89C52是一種帶 8K 字節閃爍可 編程可檫除只讀存儲器( FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory )的低電壓，高性能 COMOS的8 微處理器， 俗稱單片機。 該器件采用 ATMEL搞密度非易失存儲器制造技術制造， 與工業標準的 MCS-51指令集和輸出

7、管腳相兼容。 其總控制電路如圖 3.1.1-1圖 3.1.1-1 總控制電路3.1.2 STC89C52 引腳功能介紹 主電源引腳( 2 根)VCC(Pin40)：電源輸入，接 5V 電源GND(Pin20)：接地線 外接晶振引腳( 2 根)XTAL1(Pin19) ：片內振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20) ：片內振蕩電路的輸出端 控制引腳( 4 根)RST/VPP(Pin9)：復位引腳，引腳上出現 2 個機器周期的高電平將使單片機復位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31) ：程序存儲器的內外部選通，接低電

8、平從外部程序存儲器讀指令，如 果接高電平則從內部程序存儲器讀指令。可編程輸入 / 輸出引腳( 32 根)STC89C52單片機有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、P1、 P2、P3口，每個口有 8 位(8 根引腳)，共 32根。PO口（ Pin39 Pin32 ）： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 P0.0P0.7P1口（ Pin1 Pin8 ）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 P1.0P1.7P2口（ Pin21 Pin28 ）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 P2.0P2.7P3口（ Pin10 Pin17 ）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 P3.0

9、P3.7 根據原理我們制作了如下電路，單片機接線如下 :STC89C52主要功能如表 3.1.2-1 所示。表 3.1.2-1 STC89C52 主要功能主要功能特性兼容 MCS51指令系統8K可反復擦寫 Flash ROM32 個雙向 I/O 口256x8bit 內部 RAM3個16位可編程定時 /計數器中斷時鐘頻率 0-24MHz2 個串行中斷可編程 UART串行通道2 個外部中斷源共 6 個中斷源2 個讀寫中斷口線3 級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設置睡眠和喚醒功能3.1.3 系統的引腳接線 根據其系統工作原理設計出如圖 3.1.3-1 所示的引腳接線：30圖 3.1.3-1 引腳接線

10、圖根據 52 單片機的特點，我們采用 12M晶振給單片機提供時鐘信號，兩個各加一個 30pf 的 電容來穩定型號，由于 52 單片機是采用低電平復位，我們又在其旁邊加了一個按鍵，便 于手動復位，電路連接如圖 3.1.3-2 ：圖 3.1.3-2 電路連接圖3.2 時鐘電路3.2.1 DS1302 簡介DS1302 是美國 DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電 壓為 2.5V 5.5V 。采用三線接口與 CPU進行同步通信 , 并可采用突發方式一次傳送多個 字節的時鐘信號或 RAM數據。 DS13

11、02內部有一個 31×8 的用于臨時性存放數據的 RAM 寄存器。 DS1302是 DS1202的升級產品，與 DS1202兼容，但增加了主電源 / 后背電源雙 電源引腳 , 同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。3.2.2 DS1302 引腳功能介紹DS1302的引腳功能圖如圖 3.2.2-4 所示：圖 3.2.2-4 引腳功能圖DS1302的引腳排列 , 其中 Vcc1 為后備電源， VCC2為主電源。在主電源關閉的情況 下，也能保持時鐘的連續運行。 DS1302由 Vcc1 或 Vcc2 兩者中的較大者供電。當 Vcc2 大于 Vcc1V時， Vcc2給 DS1302供電

12、。當 Vcc2 小于 Vcc1時， DS1302由 Vcc1供電。 X1 和 X2是振蕩源，外接 32.768kHz 晶振。 RST是復位 /片選線，通過把 RST輸入驅動置高 電平來啟動所有的數據傳送。 RST輸入有兩種功能：首先， RST接通控制邏輯，允許地 址/ 命令序列送入移位寄存器；其次， RST提供終止單字節或多字節數據的傳送手段。 當 RST為高電平時，所有的數據傳送被初始化，允許對DS1302 進行操作。如果在傳送過程中 RST置為低電平，則會終止此次數據傳送，I/O 引腳變為高阻態。上電運行時，在 Vcc>2.0V 之前， RST 必須保持低電平。只有在 SCLK為低電

13、平時，才能將 RST 置為高 電平。 I/O 為串行數據輸入輸出端 （雙向） 。SCLK為時鐘輸入端。3.2.3 DS1302 工作原理操作時序DS1302工作時為了對任何數據傳送進行初始化，需要將復位腳（ RST）置為高電平 且將 8 位地址和命令信息裝入移位寄存器。數據在時鐘（ SCLK）的上升沿串行輸入，前 8 位指定訪問地址，命令字裝入移位寄存器后，在之后的時鐘周期，讀操作時輸出數據，寫 操作時輸出數據。時鐘脈沖的個數在單字節方式下為8+8（8 位地址+8位數據），在多字節方式下為 8 加最多可達 248的數據。對 DS1302的操作就是對其內部寄存器的操作， DS1302內部共有 1

14、2 個寄存器， 其中有 7 個寄存器與日歷、時鐘相關，存放的數據位為 BCD碼形式。此外， DS1302還有年份寄存 器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發寄存器及與 RAM相關的寄存器等。時鐘突發寄存 器可一次性順序讀寫除充電寄存器以外的寄存器。 日歷、時間寄存器及控制字 如表 3.2.3-1 所示：表 3.2.3-1 ： 日歷、時鐘寄存器與控制字對照表寄存器名稱765432101RAM/CKA4A3A2A1A0RD/W秒寄存器1000000分寄存器1000001小時寄存器1000010日寄存器1000011月寄存器1000100星期寄存器1000101年寄存器1000110寫保護寄存器100

15、0111慢充電寄存器1001000時鐘突發寄存器1011111最后一位 RD/W，為“ 0”時表示寫操作進行，為“ 1”時表示讀操作DS1302內部寄存器列表如 表 3.2.3-2 所示：表 3.2.3-2 ： DS14302內部主要寄存器分布表DS1302內部的 RAM分為兩類，一類是單個 RAM單元，共 31 個，每個單元為一個 8位 的字節，其命令控制字為 COHFD，H其中奇數為讀操作，偶數為寫操作；再一類為突發方 式下的 RAM，此方式下可一次性讀寫所有的 RAM的 31 個字節，命令控制字為 FEH（寫）、 FFH（讀）單片機是通過簡單的同步串行通訊與 DS1302通訊的，每次通訊

16、都必須由單片機發起， 無論是讀還是寫操作，單片機都必須先向 DS1302 寫入一個命令幀，這個幀的格式如表 1 所示，最高位 BIT7 固定為 1，BIT6 決定操作是針對 RAM還是時鐘寄存器，接著的 5個 BIT 是 RAM或時鐘寄存器在 DS1302 的內部地址，最后一個 BIT 表示這次操作是讀操作抑或是 寫操作。物理上， DS1302的通訊接口由 3個口線組成，即 *RST，SCLK，I/O 。其中*RST從 低電平變成高電平啟動一次數據傳輸過程， SCLK是時鐘線， I/O 是數據線。具體的讀寫時 序參考圖 3-5 ：但是請注意，無論是哪種同步通訊類型的串行接口，都是對時鐘信號敏感

17、的，而且一 般數據寫入有效是在上升沿，讀出有效是在 下降沿 （ DS1302正是如此的，但是在芯片手冊 里沒有明確說明），如果不是特別確定，則把程序設計成這樣：平時SCLK保持低電平，在時鐘變動前設置數據，在時鐘變動后讀取數據，即數據操作總是在SCLK保持為低電平的時候，相鄰的操作之間間隔有一個上升沿和一個下降沿。圖 3.2.3-1 讀寫時序參考圖根據其電路特點我們設計電路圖如圖 3.2.3-2 ：圖 3.2.3-2 電路圖3.3 顯示電路3.3.1 LCD12864 簡介帶中文字庫的 128X64是一種具有 4位/8 位并行、2線或 3線串行多種接口方式，內 部含有國標一級、 二級簡體中文字

18、庫的點陣圖形液晶顯示模塊； 其顯示分辨率為 128×64, 內置 8192個16*16點漢字，和 128個16*8點 ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式 和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行 16×16點陣的漢字 . 也可完成圖形顯示 . 低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯 示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得 多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。3.3.2 外圍電路連接我用 P0 口來給控制數據及命令傳輸，因為 PO口沒有接上拉，我們在外圍 電路上接

19、 4. 千歐的上拉電阻，提高推拉電流的能力。電路如圖 3.3.2-1 ：圖 3.3.2-1 外圍電路連接圖3.4 溫濕度傳感器在這里我選用 DHT11數字溫濕度傳感器DHT11數字溫濕度傳感器， 十一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。 它 應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有很高的可靠性與穩定性。 DHT11 數字溫濕度傳感器包括一個電阻式感濕原件和一個 NTC測溫元件，并與一個高性能 8位單 片機相連接。單線制串行接口，使系統連接可以更簡潔。功耗極低，信號傳輸距離可達 20m以上。作為一種新型的單總線數字溫濕度傳感器， DHT11具有體積小功耗低響應速度 快抗干擾能力強

20、控制簡單性價比高等優點， 能夠廣泛應用于各個領域， 其基本指標如下： 全量程標定校準，單線數字輸出；溫度測量范圍 050；濕度測量范圍 20-90%RH；溫度測量精度 +-1 ；濕度測量精度 +-5%RH；低功耗；超長的信號傳輸距離；出色的長期穩定性：DHT11采用 4針單排引腳封裝，電路連接方便，引腳說明如表 3.4-1 所示：表 3.4-1引腳號名稱注釋1VDD供電3-5V DC2TATA串行數據，單總線3NC空腳，懸空4GND接地，電源負極DATA是用于未處理器與 DHT11之間的通信和同步的串行雙向接口， 采用單總線數據格 式。每次通信都是以高位先出的順序傳輸 40為數據，永世約 4m

21、s數據格式為：8位溫度整數數據 +8位校驗和數據 +8位濕度整數數據 +8位溫度小數數據 +8位校驗和 數據數據分小數部分和整數部分，當前小數部分用于以后擴展，現讀出為零。 數據傳送正確時，校驗和數據等于“ 8位溫度整數數據 +8位溫度小數數據”所得結果 的末8位。其典型應用電路如 圖 3.4-1圖 3.4-1 典型應用電路根據其結構特點我們設計了電路 圖 3.4-2圖 3.4-3 結構電路圖3.5 煙霧檢測電路這里我選用 MQ-2/MQ-2S氣體傳感器MQ-2/MQ-2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫 (SnO2) 。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電

22、導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加 而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2/MQ-2S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，是一款適合多種應用的低成本傳感其結構和外形如圖 3.5-1 ：圖 3.5-1 結果外形圖根據它的工作特點我們設計了電路圖如圖 3.5-2圖 3.5-2 工作特點電路圖3.6 鍵盤控制電路 鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統提供操作人員干預命令及數據的接口設備。鍵盤可 分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。編碼鍵盤能自動識別按下的鍵并產生相應代碼，以 并行或串行方式

23、發給 CPU。它使用方便，接口簡單，響應速度快，但需要專用的硬件電路 非編碼鍵盤則是通過軟件來確定按鍵并計算鍵值。這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快，但 它不需要專用的硬件支持，因此得到了廣泛的應用。鍵盤是控制應用系統中的一個重要組 成部分，設計時必須解決下述一些問題。按鍵的確認，重鍵與連擊的處理，按鍵防抖動技術等。我們在在系統中用電路圖 3.6-1 ，相應的處理在軟件中實現3.7 狀態指示電路其具體電路如圖 3.7-1圖 3.7-1 狀態指示電路3.8 電源模塊電路在系統中需要 5V的單片機供電，供電我們之間用了穩壓模塊 LM780用來提供相應的電壓 5V，電路圖如圖 3.8-1 ：圖 3.8-

24、1 電源模塊電路4 系統工作流程4.1 工作過程單片機上電以后， 系統開始初始化， 完畢后， 開始進入主循環， 首先進行鍵盤檢測， 是否有鍵按下，若有鍵按下，判斷按鍵狀態是否設置那一部分，若是設置時間，則調用設 置時間子函數，若是溫度上下限，則調用設置溫度上下限函數。設置完畢以后，返回主循 環。然后調用 DS1302 子函數，讀取時間，經過單片機處理以后，存放在時間緩沖區中， 接著讀取溫濕度傳感器數據，進行相關處理，轉化為具體溫度，存儲在緩沖區中。同時判 斷溫度是否超過設置的溫度上下限，若是超過上限溫度，蜂鳴器開始報警，同時上限指示 燈開始閃爍，控制繼電器做出供應的動作。若是低于下限溫度，下限

25、指示燈開始閃爍，同 時蜂鳴器報警，指示相關工作，繼電器開始相關工作。若是在正常工作范圍內，正常指示 燈發光指示正常狀態。4.2 系統流程圖4.2.1 主流程圖主流程圖如圖 4.2.1-1 。圖 4.2.1-1 主流程圖4.2.2 鍵盤檢測子程序設計出如圖 4.2.2-1 所示的鍵盤子程序流程：圖 4.2.2-1 鍵盤子程序流程圖3 結束語通過這次程控交換課程設計，我又掌握了一些元器件的用途以及它們的參數、性能。 這次設計提高了我理論和實踐相結合的能力，增加了把理論用于實踐的興趣，同時也提高 了我分析問題和解決問題的能力。沒有最好，只有更好。我相信通過這一次的課程設計之 后，我以后會更加努力，用

26、嚴謹的科學態度去面對一切。克服困難，戰勝自我，超越自我。在程控交換課程設計即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。偉人、名人為我 所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，我的導師。我不是您最 出色的學生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊， 為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默 化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術目標，領會了基本的思考方式， 從課程設計題目的選定到課程設計寫作的指導 ,經由您悉心的點撥 ,再經思考后的領悟 ,常常 讓我有 “山重水復疑無路 ,柳暗花明又一村 ”。 感謝所有

27、在課程設計中曾經幫助過我的良師 益友和同學，以及在設計中被我引用或參考的論著的作者。參考文獻：1 全國電子設計競賽組委會：全國電子設計競賽獲獎作品選集，北京理工大學出版社， 2007，P126-P2872 謝自美：電子線路設計 , 華中理工大學出版社 ,2007,P86-P1663 夏宇聞： Verilog 數字系統教程 （第二版 ）, 北京航空航天大學出版社 , 2008,P125-P2384 祁才君：數字信號處理技術的算法分析與應用 , 機械工業出版社 , 2006,P98-P2365 馬忠梅：單片機 C語言應用程序設計 （第三版）, 北京航空航天大學出版社， 2007,P86-P1666

28、 邱關源：現代電路理論，高等教育出版社， 2001， P67-P1697 夏路易：電路原理圖與電路板設計教程，希望電子出版社， 2002， P86-P1888 曾興雯：高頻電子線路，高等教育出版社， 2004， P132-P1679 樊昌信：通信原理，國防工業出版社， 2010，P223-P28910 姜志海：單片機原理及應用，電子工業出版社， 2009，P36-P13511 賀蘇寧：現代通信最新技術，清華大學出版社， 2000，P65-P15312 黃智偉： 全國大學生電子設計競賽制作實訓， 北京航空航天大學出版社， 2007，P67-P12613 周殿清：基礎物理實驗，科學出版社， 200

29、9， P76-P15614 楊剛：電子系統設計與實踐，電子工業出版社， 2004, P86-P16615 劉海成，單片機原理及測控工程應用，北京航空航天大學出版社 ,2008 ，P76-P18716 柴媛媛：基于 ARM和 DDS技術的信號源設計，通信技術 ,2009,P54-P56.17 施韶華：基于直接數字頻率合成的高精度頻率源設計，電子測量與儀器學報 ,2008 ， P385-P38918 王軍證：基于 DDS的超聲導波信號源的設計，電子測量技術 ,2010,P19-P2219 吳加政：基于 DDS的信號模擬器設計，國外電子測量技術 ,2009,P67-P7020 韓喜春：基于 FPGA的可重構多通道 DDS信號發生器 , 電測與儀表， 2007,P50-P52辦公室衛生