畢業(yè)論文-智能無線通信環(huán)境空氣監(jiān)控系統(tǒng)【精校排版】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　智能無線通信環(huán)境空氣監(jiān)控系統(tǒng)</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p><b>　　摘 要IV</b></p><p

2、>　　AbstractV</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景1</p><p>　　第二章 系統(tǒng)相關技術簡介2</p><p>　　2.1 單片機技術介紹2</p><p>　　2.1.1 單片機定義2</

3、p><p>　　2.1.2 引腳說明2</p><p>　　2.1.3 單片機內(nèi)部結構4</p><p>　　2.1.4 I/O端口4</p><p>　　2.2 基于JF24C模塊的無線收發(fā)技術5</p><p>　　2.2.1 性能簡介5</p><p>　　2.2.2 主要

4、特點5</p><p>　　2.2.3 性能參數(shù)5</p><p>　　2.2.4 數(shù)字接口6</p><p>　　2.2.5 JF24C工作模式7</p><p>　　2.2.6 JF24C腳位功能描述及工作時序圖7</p><p>　　2.3 RS-232接口標準簡介8</p>

5、<p>　　2.3.1 RS-232通訊接口定義8</p><p>　　2.3.2 RS-232C接口標準9</p><p>　　2.3.3 RS-232C標準（協(xié)議）9</p><p>　　第三章系統(tǒng)總體設計介紹11</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體設計11</p><p>　　3.

6、1.1 系統(tǒng)總體設計構思11</p><p>　　3.1.2 系統(tǒng)功能11</p><p>　　3.1.3 系統(tǒng)硬件11</p><p>　　3.2 系統(tǒng)總體框圖12</p><p>　　3.3 系統(tǒng)電路圖12</p><p>　　3.3.1 數(shù)據(jù)檢測點電路12</p><p

7、>　　3.3.2 無線傳輸部分電路13</p><p>　　3.3.3 串口通信部分電路14</p><p>　　3.3.4 報警部分電路14</p><p>　　3.4 系統(tǒng)特點15</p><p>　　第四章 系統(tǒng)分塊設計介紹16</p><p>　　4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測點設計16<

8、/p><p>　　4.1.1 溫度傳感器DS18B2016</p><p>　　4.1.2 CO2傳感器MS410019</p><p>　　4.1.3 煤氣傳感器MQ-519</p><p>　　4.1.4 空氣質量傳感器IAQ200020</p><p>　　4.1.5 PCF8591原理21<

9、;/p><p>　　4.1.6 監(jiān)測點電路圖22</p><p>　　4.2 無線傳輸部分設計22</p><p>　　4.2.1 主要技術22</p><p>　　4.2.2 JF24C與單片機連接電路23</p><p>　　4.2.3 JF24C寫主程序23</p><p>

10、;　　4.2.4 JF24C工作流程23</p><p>　　4.3 串口通信部分24</p><p>　　4.3.1 串口電平轉換電路24</p><p>　　4.3.2 單片機串口的速率設置25</p><p>　　4.4 PC機管理端設計25</p><p>　　4.5 報警部分設計26&

11、lt;/p><p>　　第五章 系統(tǒng)測試及應用27</p><p>　　5.1 系統(tǒng)測試27</p><p>　　5.2 系統(tǒng)應用28</p><p><b>　　總 結30</b></p><p><b>　　參考文獻31</b></p><

12、;p><b>　　附 錄32</b></p><p><b>　　致 謝38</b></p><p>　　智能無線通信環(huán)境空氣監(jiān)控系統(tǒng)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　21世紀，環(huán)境污染給人們的生產(chǎn)生活帶來了巨大的危害，在不斷發(fā)展

13、的當今社會，人們對自己生活的環(huán)境也越來越重視。計算機技術、自動化技術和通信技術在各個領域的廣泛應用，不僅推動社會信息化的不斷發(fā)展，也改變了人們?nèi)粘５纳钆c工作方式。智能系統(tǒng)等概念的出現(xiàn)，使人們對智能產(chǎn)品充滿了期待。</p><p>　　本文將空氣質量監(jiān)測與無線傳輸管理結合起來，提出一個基于單片機控制模塊和無線通信模塊JF24C的智能空氣質量監(jiān)測及無線傳輸管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)大致分為：數(shù)據(jù)監(jiān)測部分、無線傳輸部分、串口通

14、信部分、報警系統(tǒng)部分、PC機管理部分。</p><p>　　本文中實現(xiàn)的智能無線通信環(huán)境空氣監(jiān)控網(wǎng)絡，特別是通過智能監(jiān)控技術，使人們能及時了解自己生活環(huán)境質量，為人們的出行、生產(chǎn)等各方面合理安排提供參考，給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。通過對該系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善，該系統(tǒng)必定得到人們的肯定和認可。</p><p>　　關鍵字：空氣質量；監(jiān)測；無線通信；數(shù)據(jù)管理</p><

15、p>　　Intelligent air quality monitoring and wireless </p><p>　　transmission management system </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In the 21 century,environmental pollut

16、ion has been greatly harmful to people's production and living . Along with the continuous development and progress of society, people also pay more and more attention to their living environment. The wide applicatio

17、n of computer technology, automation technology and communication technology in many fields, they not only promote the continuous development of social informatization, but also have changed people's daily life and w

18、orking style The appearance of</p><p>　　This article will put air quality monitoring and wireless transmission together ,and will put forward an intelligent air quality monitoring and wireless transmission m

19、anagement system, which are based on single-chip microcomputer control module and wireless communication module JF24C.This system is generally divided into: data monitoring section, wireless transmission section, alarm s

20、ystem section,and computer terminal management section.</p><p>　　The system realized intelligent wireless communication environment air monitoring network in this article. Especially through intelligent moni

21、toring technology, people could know promptly about their environmental quality and be provided the reference for the management of their travel, production and various aspects. And the system bring a great convenience t

22、o people's production and living. By continually developing and compeleting, this system will be recognized and accepted by people and in </p><p>　　Keywords: air quality, monitoring, wireless communicati

23、ons, data management</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究背景</p><p>　　21世紀，環(huán)境污染、人為排放有害氣體及自然災害造成有害氣體的泄漏給人們的生產(chǎn)生活帶來了巨大的危害，在不斷發(fā)展的當今社會，人們對自己生活的環(huán)境也越來越重視。環(huán)境污染是指人類直接或間接地向環(huán)境

24、排放超過其自凈能力的物質或能量，從而使環(huán)境的質量降低，對人類的生存與發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)和財產(chǎn)造成不利影響的現(xiàn)象。隨著科學技術水平的發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境污染也在增加，特別是在發(fā)展中國家，環(huán)境污染問題越來越突出。</p><p>　　日常生活中，大氣污染給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的影響。大氣被污染后，由于污染物質的來源、性質和持續(xù)時間的不同，被污染地區(qū)的氣象條件、地理環(huán)境等因素的差別，以及人的年齡、健康狀況的不

25、同，對人體造成的危害也不盡相同。大氣中的有害物質主要通過下述三個途徑侵入人體造成危害：一是通過人的直接呼吸而進入人體；二是附著在食物上或溶于水中，使之隨飲食而侵入人體；三是通過接觸或刺激皮膚而進入到人體，其中通過呼吸而侵入人體是主要的途徑，危害也最大。大氣污染對人的危害大致可分為急性中毒，慢性中毒，致癌三種。</p><p>　　現(xiàn)實生活中，由于空氣質量監(jiān)測設備的匱乏，人們不能及時掌握其生活環(huán)境的實時變化，進而不

26、能有效的提高生活質量。對生活在環(huán)境污染嚴重環(huán)境的人們，環(huán)境污染及大氣污染嚴重影響了人們的生活，甚至嚴重危害了人們的身體健康。</p><p>　　為了解決該現(xiàn)狀，我提出了智能無線通信環(huán)境空氣監(jiān)控網(wǎng)絡，特別是通過智能監(jiān)控技術，使人們能及時了解自己生活環(huán)境質量，為人們的出行、生產(chǎn)等各方面合理安排提供參考，給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。該系統(tǒng)能對人們生活環(huán)境進行實時監(jiān)控，同時對有害氣體二氧化碳等進行檢測，當有害氣體出

27、現(xiàn)嚴重超標時，能及時發(fā)出報警，提醒人們能夠及時撤離，在大氣中有害氣體恢復正常值時能夠解除報警，保障人們的生命財產(chǎn)安全。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)相關技術簡介</p><p>　　2.1 單片機技術介紹</p><p>　　2.1.1 單片機定義</p><p>　　單片機全稱為單片微型計算機(Single Chip Microc

28、omputer)。因為單片機主要用于控制系統(tǒng)中，所以又稱微控制器(Microcontroller Unit，MCU)或嵌入式控制器(Embedded Controller)。它具有嵌入式應用系統(tǒng)所要求的體系結構、微處理器、指令系統(tǒng)、總線方式、管理模式等。它把計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上，通常片內(nèi)都含有中央處理部件(CPU)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM、EPROM、Flash ROM）、定時器/計數(shù)器和各種輸入/

29、輸出(I/O)接口，如RS-232串行通信口、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等[1]。</p><p>　　它們之間的相互連接結構如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 單片機結構</p><p>　　2.1.2 引腳說明</p><p>　　MCS-51系列單片機的外型封裝有兩種方式，雙列直插式封裝(PDIP)和方形封裝(PLCC

30、、MQFP)。8051、8031、8751的40條引腳均采用雙列直插式封裝。80C51BH、80C31BH也有采用方型封裝的。方型封裝有44條引腳，但其中4條引腳(標為NC)是空腳[2]。</p><p>　　引腳排列如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 AT89C52引腳</p><p>　　40條引腳功能說明如下：</p><p&

31、gt;　　(1) 主電源引腳Vss和Vcc</p><p><b>　　Vss電源地。</b></p><p>　　Vcc正常工作電壓+5V。</p><p>　　(2) 時鐘電路引腳XTAL1、XTAL2</p><p>　　XTAL1 片內(nèi)振蕩電路輸入端，是外接晶體的一個引腳。當采用外部振蕩器時，此引腳接地。<

32、/p><p>　　XTAL2 片內(nèi)振蕩電路的輸出端，是外接晶體的另一端。當采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。</p><p>　　(3) 控制信號引腳RST/VPD、ALE/、和/VPP</p><p>　　RST/VPD復位控制輸入/斷電時，提供備用電源輸入。</p><p>　　當振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平（由低到高

33、跳變），使單片機復位。在Vcc掉電時，此引腳可接上備用電源，由VPD向片內(nèi)RAM提供備用電源，以保持片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。</p><p>　　ALE/ 允許地址鎖存輸出/編程脈沖輸入。</p><p>　　正常工作時為ALE（允許地址鎖存）功能，提供把低字節(jié)地址鎖存到外部鎖存器的信號。ALE引腳以不變的頻率（振蕩頻率為1/6）周期性地發(fā)出正脈沖信號。因此，它還可以對外輸出時鐘信號，或

34、用于定時目的。</p><p>　　2.1.3 單片機內(nèi)部結構</p><p>　　MCS-51單片機是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和多種功能的I/O口等一臺計算機所需要的基本功能部件。單片機內(nèi)包含下列幾個部件：</p><p>　　(1) 一個8位CPU。</p><p>　　(2) 一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。

35、</p><p>　　(3) 4KB ROM程序存儲器。</p><p>　　(4) 128B RAM數(shù)據(jù)存儲器。</p><p>　　(5) 兩個16位定時器/計數(shù)器。</p><p>　　(6) 可尋址64KB外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB外部程序存儲器空間的控制電路。</p><p>　　(7) 32條可編程的I/O線

36、（4個8位并行I/O端口）。</p><p>　　(8) 一個可編程全雙工串行接口。</p><p>　　(9) 具有5個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結構。</p><p>　　2.1.4 I/O端口</p><p>　　MCS-51單片機設有4個8位雙向I/O端口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨立地用做輸入或輸出。P0口為三

37、態(tài)雙向口，能帶8個TTL電路。P1、P2、P3口為準雙向口（在用做輸入線時，口鎖存器必須先寫入1，故稱為準雙向口），負載能力為4個TTL電路。各端口功能：</p><p><b>　　(1) P0口</b></p><p>　　P0 口可以作為輸入/輸出口，但在實際應用中通常作為地址/數(shù)據(jù)總線口，即8位地址與數(shù)據(jù)線分時使用P0 ，低8位地址由ALE信號的負跳變使它鎖存

38、到外部地址鎖存器中，而高8位地址由P2口輸出。</p><p><b>　　(2) P1口</b></p><p>　　P1口每一位都能作為可編程的輸入或輸出線。</p><p><b>　　(3) P2口</b></p><p>　　P2口可以作為輸入口或輸出口使用，外接I/O設備時，又作為擴展系

39、統(tǒng)的地址總線，輸出高8位地址，與P0口一起組成16位地址總線。對于8031單片機來說，P2口一般只作為地址總線使用，而不作為I/O線直接與外設相連接。 </p><p><b>　　(4) P3口</b></p><p>　　P3口為雙功能口。作為第一功能使用時，其功能同P1口。當作第二功能使用時，每一位功能定義如表2.1所示。</p><p&g

40、t;　　表2.1 P3口的第二功能</p><p>　　端口引腳 第 二 功 能 </p><p>　　P3.0 RXD(串行口輸入)</p><p>　　P3.1 TXD(串行口輸出)</p><p>　　P3.2

41、 INT0(外部中斷0輸入)</p><p>　　P3.3 INT1(外部中斷1輸入)</p><p>　　P3.4 T0(定時器0的外部輸入)</p><p>　　P3.5 T1(定時器1的外部輸入)</p><p>　　P3.6

42、 WR(片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通控制輸出)</p><p>　　P3.7 RD(片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通控制輸出)</p><p>　　2.2 基于JF24C模塊的無線收發(fā)技術</p><p>　　2.2.1 性能簡介</p><p>　　JF24C 2.4G無線雙向傳輸模塊整合了高頻鍵

43、控（GFSK）收發(fā)電路的功能，以特小體積實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。其中?nèi)含先進先出(FIFO) 緩沖器，減輕微控制器(microcontroller)在數(shù)據(jù)處理的負擔，實現(xiàn)低成本MCU完成高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案與射頻應用的方便性。同時此模塊的傳輸速率可達到1Mbps，并具有快速跳頻(fast hopping)、向前糾錯(Forward Error Correction)、循環(huán)冗余校驗(CRC)等功能，可在擁擠的ISM頻段中達到穩(wěn)定可靠的數(shù)

44、據(jù)傳輸。</p><p>　　2.2.2 主要特點</p><p><b>　　低電壓，高效率</b></p><p>　　低成本，雙向高速數(shù)據(jù)傳輸</p><p>　　特小體積（不需要外接天線）</p><p>　　具有快速跳頻，前向糾錯，校驗等功能</p><p>　

45、　2.2.3 性能參數(shù)</p><p>　　工作在全球開放的ISM頻段，免許可證使用</p><p>　　頻率范圍：2400-2482Mhz（81通道）</p><p><b>　　最大速率：1M</b></p><p><b>　　調制方式：GFSK</b></p><p&g

46、t;　　RF輸出功率：10dBm</p><p>　　靈敏度：-85dBm</p><p>　　編程界面：SPI數(shù)字接口</p><p>　　電壓：2.5-3.6V</p><p>　　發(fā)射電流：26mA (TX)</p><p>　　接收電流：25mA (RX)</p><p>　　休眠電流：

47、3.5uA</p><p>　　待機電流：1.9mA (休眠喚醒狀態(tài))</p><p>　　天線形式：PCB天線</p><p>　　最大距離：100米(可靠距離50米內(nèi))</p><p>　　模塊尺寸：22X13X3mm（長X 寬X 厚）</p><p>　　2.2.4 數(shù)字接口</p><p&

48、gt;　　JF24C采用SPI數(shù)字接口與單片機連接。它支持兩種SPI標準格式（CKPHA=0 CKPHA=1）[3]。單片機與JF24C連接如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 單片機與JF24C連接圖</p><p>　　上電后清除單片機內(nèi)部RAM，設置輸出和輸入口。置SPI-SS=1、SPI-MOSI=1、RESET-N=0延時一段時間（確認復位）后，置RESET-N=1延

49、時等待晶振穩(wěn)定初始化微控制器寄存器。延時等待RFIC自動校準后進行RF寄存器初始化。</p><p>　　各連接點定義如表2.2所示。</p><p>　　表2.2 各連接點定義</p><p>　　連接點 功能 </p><p>　　SPI_CLK

50、 SPI時鐘的輸入</p><p>　　SPI_SS SPI從機選擇（輸入）</p><p>　　SPI_MOSI SPI數(shù)據(jù)輸入</p><p>　　SPI_MISO SPI數(shù)據(jù)輸出</p>

51、<p>　　PKT_FLAG TX/RX標志</p><p>　　FIFO_FLAG FIFO空/滿/標志</p><p>　　RESET_N 復位</p><p>　　2.2.5 JF24C工作模式</p>&l

52、t;p>　　(1) 空閑模式：當模塊腳位元RESET_N（PIN3）被MCU單片機置1，芯片內(nèi)寄存器處于空閑狀態(tài)?？臻e模式下芯片部分電路斷電，晶振仍在工作以縮短芯片啟動時間快速進入收發(fā)模式?？臻e狀態(tài)只是一種休眠與收發(fā)模式的指令轉換，不可以接收數(shù)據(jù)。</p><p>　　(2) 休眠模式：在收發(fā)模式下MCU單片機對芯片SPI-SS口（PIN6）置1，芯片內(nèi)部寄存器從空閑模式進入休眠模式，晶振停止工作，此時電流

53、降為3.5uA，芯片可以被MCU 定時喚醒，合理的喚醒與休眠可以將功耗降到最低約1.9mA。</p><p>　　(3) 收發(fā)模式：在休眠模式下單片機對芯片SPI-SS口（PIN6）置0，對SPI-MOSI口（PIN5）寫指令，芯片從休眠狀態(tài)轉為發(fā)送模式，數(shù)據(jù)進入寄存器自動加字頭及CRC校驗碼打包發(fā)射。發(fā)射完畢又進入休眠與接收模式。接收流程：在休眠狀態(tài)下單片機對芯片SPI-SS口置0，啟動接收模式，接收前導碼和同

54、步信號，當接收到正確同步碼后開始接收數(shù)據(jù)包然后判斷CRC正確后將數(shù)據(jù)送到單片機，芯片又進入休眠與喚醒狀態(tài)。</p><p>　　2.2.6 JF24C腳位功能描述及工作時序圖</p><p>　　表2.3 JF24C引腳功能</p><p>　　腳位 腳位功能 說明</p><p>　

55、　PIN1 +3.3V 正電源</p><p>　　PIN2 SPI-MISO SPI總線數(shù)據(jù)輸出</p><p>　　PIN3 RESET-N 復位</p><p>　　PIN4

56、 SPI-CLK 時鐘信號輸入</p><p>　　PIN5 SPI-MOSI SPI總線數(shù)據(jù)輸入</p><p>　　PIN6 SPI-SS 從機選擇輸入</p><p>　　表2.3 （續(xù)）JF24C引腳功能</p>

57、;<p>　　腳位 腳位功能 說明</p><p>　　PIN7 FIFO-FLAG FIFO空滿標志輸出</p><p>　　PIN8 PKT-FLAG 發(fā)送或接受數(shù)據(jù)包標志</p><p>　　

58、PIN9 BRCLK 邏輯時鐘輸出</p><p>　　PIN10 GND 接地</p><p>　　PIN1為3.3V正電源。</p><p>　　PIN3為復位輸入引腳，置高時，芯片內(nèi)寄存器恢復到原始空閑狀態(tài)待命。</p><

59、p>　　PIN7為FIFO空滿標志輸出，寄存器為空時單片機可以輸進數(shù)據(jù)。</p><p>　　PIN8為發(fā)送或接受數(shù)據(jù)包標志輸出，此腳位元控制單片機發(fā)送或接受數(shù)據(jù)包。</p><p>　　PIN2、PIN4、PIN5、PIN6為SPI的四根主線，他們的工作時序圖如圖2.4：</p><p>　　圖2.4 JF24C工作時序</p><p&

60、gt;　　2.3 RS-232接口標準簡介</p><p>　　2.3.1 RS-232通訊接口定義</p><p>　　個人計算機上的通訊接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會(Electronic Industries Association，EIA) 所制定的異步傳輸標準接口。通常RS-232接口以9個引腳 (DB-9)或是25個引腳 (DB-25)的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機上會有兩組RS-2

61、32接口，分別稱為COM1和COM2。</p><p>　　2.3.2 RS-232C接口標準</p><p>　　串行通信接口標準經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在RS-232標準的基礎上經(jīng)過改進而形成的。所以，以RS-232C為主來討論。RS-232C標準是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會）與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0~20000b/s

62、范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行設備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。</p><p>　　RS-232-C標準最初是遠程通信連接數(shù)據(jù)終端設備DTE(Data Terminal Equipment)與數(shù)據(jù)通信設備DCE（Data Communication Equipment)而制定的。

63、因此這個標準的制定，并未考慮計算機系統(tǒng)的應用要求。但目前它又廣泛地被借來用于計算機與終端或外設之間的近端連接標準。顯然，這個標準的有些規(guī)定及和計算機系統(tǒng)是不一致的，甚至是相矛盾的。有了對這種背景的了解，我們對RS-232C標準與計算機不兼容的地方就不難理解了。RS-232C標準中所提到的“發(fā)送”和“接收”都是站在DTE立場上，而不是站在DCE的立場來定義的。由于在計算機系統(tǒng)中，往往是CPU和I/O設備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙

64、方都能發(fā)送和接收[4]。</p><p>　　2.3.3 RS-232C標準（協(xié)議）</p><p>　　RS-232C 標準（協(xié)議）是美國EIA（電子工業(yè)協(xié)會）于1969年公布的通信協(xié)議。它適合數(shù)據(jù)傳輸速率0~20000bps范圍內(nèi)的通信。它最初是為遠程通信連接數(shù)據(jù)終端設備DTE（Data Termin Equipment）與數(shù)據(jù)通信設備DCE（Data Terminal Equipm

65、ent）而制定的[5]。</p><p>　　其常用物理標準還有EIA RS-422A、EIA RS-423A、EIA RS-485。這里只介紹EIA RS-232C（簡稱232，RS232）。 例如，目前在IBM PC機上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。其電氣特性：</p><p>　　(1) 在TxD和RxD上： </p><p>　　邏輯1(

66、MARK) = -3V ~ -15V </p><p>　　邏輯0(SPACE) = +3V ~ +15V </p><p>　　(2) 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上： </p><p>　　信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V ~ +15V </p><p>　　信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓) = -3V

67、~ -15V </p><p>　　以上規(guī)定說明了RS-323C標準對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平高于+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于-3V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3~+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，因

68、此，實際工作時，應保證電平在±(3~15)V之間。EIA RS-232C與TTL轉換：EIA RS-232C是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TT

69、L電平到EIA電平的轉換，而MC1489、SN75154可實現(xiàn)EIA電平到TTL電平的轉換。MAX232芯片可完成TTL←→EIA雙向電平轉換。</p><p>　　TTL電平可以由專用集成電路轉換成RS232C標準， </p><p>　　如: MC1488 或 75188 TTL RS232C</p><p>　　MC1

70、489 或 75189 RS232C TTL</p><p>　　MC1488、MC1489電平轉換電路如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 MC1488、MC1489電平轉換</p><p>　　由于MC1488需要采用±12V電源，一般在單片機通信中大量使用的是只需要+5V電源、具有發(fā)送和接收的一體化芯

71、片，如：MAX232、ICL232、ADM202等。</p><p><b>　　系統(tǒng)總體設計介紹</b></p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體設計</p><p>　　3.1.1 系統(tǒng)總體設計構思</p><p>　　該系統(tǒng)大致分為數(shù)據(jù)監(jiān)測部分、無線傳輸部分、報警系統(tǒng)部分、PC機管理端部分。 數(shù)據(jù)檢測部分通過CO2

72、傳感器變送模塊、空氣質量傳感器變送模塊、煙塵傳感器變送模塊、煤氣傳感器變送模塊、溫度傳感器變送模塊等組成，連接到單片機控制模塊上，通過單片機控制模塊實現(xiàn)無線收發(fā)、報警功能。無線傳輸部分在該系統(tǒng)中起到橋梁的作為，該部分采用了JF24C 2.4G無線雙向傳輸模塊，主要功能是實現(xiàn)了數(shù)據(jù)檢測部分與電腦端管理部分的連接，通過無線收發(fā)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效傳輸。PC機管理部分首先采用了RS-232串口通信標準，通過MAX232用作單片機與PC機串口之間進

73、行通信，采用RS-232串行接口電路實驗單片機與PC機的通信，其次在PC機上通過VB語言進行編程，實現(xiàn)對單片機傳送過來的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控及存儲。</p><p>　　3.1.2 系統(tǒng)功能</p><p>　　該系統(tǒng)能將監(jiān)測點的CO2濃度、煙塵含量、煤氣含量、溫度等信息以無線方式傳輸?shù)絇C機，由PC機管理儲存，在空氣質量嚴重超標的地方發(fā)出警報，通知現(xiàn)場人員撤離。本系統(tǒng)借助無線通信技術完成傳

74、感器、控制信息的傳輸來實現(xiàn)空氣質量的監(jiān)測。</p><p>　　3.1.3 系統(tǒng)硬件</p><p>　　(1) 數(shù)據(jù)監(jiān)測點：溫度傳感器DS18B20、CO2傳感器MS4100、煤氣傳感器MQ-5、空氣質量傳感器IAQ2000、PCF8591轉換器。</p><p>　　(2) 無線傳輸部分：JF24C 2.4G無線雙向傳輸模塊。</p><p

75、>　　(3) 串口通信部分：MAX232、串口線。</p><p>　　(4) PC機管理部分：開發(fā)環(huán)境Windows系統(tǒng)、Visual Basic 6.0</p><p>　　數(shù)據(jù)監(jiān)測點通過各類傳感器進行數(shù)據(jù)采集，再通過A/D轉換模塊PCF8591送人單片機控制模塊經(jīng)過無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳送，最后經(jīng)過串口通信部分與PC機進行通信，將數(shù)據(jù)監(jiān)測點的信息實時傳送到PC機上。</p&

76、gt;<p>　　3.2 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　3.3 系統(tǒng)電路圖</p><p>　　3.3.1 數(shù)據(jù)檢測點電路</p><p>　　數(shù)據(jù)監(jiān)測點電路如圖3.2、3.3所示。</p><p>　　圖3.2 各類傳感器監(jiān)測電路</p&g

77、t;<p>　　圖3.3 溫度監(jiān)測點電路</p><p>　　該部分為數(shù)據(jù)監(jiān)測點電路，是將CO2傳感器MS4100、煤氣傳感器MQ-5、空氣質量傳感器IAQ2000采集到的數(shù)據(jù)信號先送人PCF8591模塊進行A/D轉換，再通過PCF8591與單片機的連接將信號送人單片機控制模塊，DS18B20采集的信號可直接送人單片機控制模塊。</p><p>　　3.3.2 無線傳輸部

78、分電路</p><p>　　無線傳輸部分電路如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 JF24C與單片連接電路</p><p>　　無線傳輸部分是整個系統(tǒng)的橋梁，是將數(shù)據(jù)監(jiān)測點采集到的數(shù)據(jù)信號通過JF24C無線收發(fā)模塊進行無線收發(fā)，實現(xiàn)了信號的無線傳送，該電路為JF24C與單片機連接電路。</p><p>　　3.3.3 串口通信部

79、分電路</p><p>　　串口通信中轉電路如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 串口中轉電路</p><p>　　該部分是單片機和PC機通信部分，是整個系統(tǒng)橋梁的一部分，該部分的功能是將所有的監(jiān)測點的實時信息轉發(fā)給PC機，由PC機進行統(tǒng)一管理、儲存及處理。該部分用的是標準的串口通信，實現(xiàn)了單片機與PC機的通信。</p><p>

80、　　3.3.4 報警部分電路</p><p>　　該系統(tǒng)能對人們生活環(huán)境進行實時監(jiān)控，同時對有害氣體CO2等進行檢測，當有害氣體出現(xiàn)嚴重超標時，能及時發(fā)出報警，提醒人們能夠及時撤離，在大氣中有害氣體恢復正常值時能夠解除報警，保障人們的生命財產(chǎn)安全。報警電路喇叭驅動信號由UM2003的第7引腳輸入，由第10引腳輸出，8、9號引腳分別接地和電源。喇叭正端接電源，負端接UM2003的第10引腳。</p>

81、<p>　　報警點電路如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 報警點電路</p><p><b>　　3.4 系統(tǒng)特點</b></p><p>　　(1) 體積較小，易于安裝。</p><p>　　(2) 功耗小，成本低，適用與多種場合。</p><p>　　(3) 工作穩(wěn)定

82、，易于擴展應用，維護極為方便。</p><p>　　(4) 壽命長，便于攜帶，測試結果準確穩(wěn)定。</p><p>　　(5) 價格低，人們易于接受，具有較好的市場前景。</p><p>　　本系統(tǒng)可以應用多種場合，監(jiān)控人們生活環(huán)境質量，其中報警系統(tǒng)能保障人們生命財產(chǎn)安全。因此，在本系統(tǒng)的設計思路的基礎上，優(yōu)化系統(tǒng)性能，擴展系統(tǒng)功能，該系統(tǒng)必將具有廣闊的應用前景和可觀

83、的開發(fā)推廣價值。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)分塊設計介紹</p><p>　　4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測點設計</p><p>　　4.1.1 溫度傳感器DS18B20</p><p>　　(1) DS18B20的主要特性[6]</p><p>　　適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0~5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)

84、據(jù)線供電。</p><p>　　獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。</p><p>　　DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。</p><p>　　溫范圍-55℃~+125℃，在-10~+85℃時精度為±0.5℃。</p&

85、gt;<p>　　可編程的分辨率為9~12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫。</p><p>　　在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉換為數(shù)字，速度更快。</p><p>　　測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校

86、驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。</p><p>　　負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20的外形和內(nèi)部結構DS18B20內(nèi)部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。</p><p>　　圖4.1 DS18B20外部引腳</p><p>　　(2) DS18B20工作

87、原理</p><p>　　DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2s減為750ms。其中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈

88、沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度，其斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。</p><p>　　DS18B20內(nèi)部結構如圖4.2所示。</p><

89、p>　　圖4.2 DS18B20內(nèi)部結構</p><p>　　(3) DS18B20的初始化 </p><p>　　先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”。 </p><p>　　延時（該時間要求的不是很嚴格，但是盡可能的短一點） </p><p>　　數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”。 </p><p>　　延時750微秒（該時間的

90、時間范圍可以從480到960微秒）。 </p><p>　　數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”。</p><p>　　延時等待（如果初始化成功則在15到60毫秒時間之內(nèi)產(chǎn)生一個由DS18B20所返回的低電平“0”。據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時控制）。 </p><p>　　若CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后

91、，還要做延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平算起最少要480微秒。 </p><p>　　將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“1”后結束。</p><p>　　(4) DS1820使用中注意事項 </p><p>　　DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題： </p><p>　　較

92、小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在使用高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 </p><p>　　在DS1820的有關資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛D

93、S1820超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。 </p><p>　　連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因

94、此，在用DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考 慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 </p><p>　　在DS1820測溫程序設計中，向DS1820發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個DS1820接觸不好或斷線，當程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS1820硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線

95、與信號線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在源端單點接地。</p><p>　　4.1.2 CO2傳感器MS4100</p><p>　　MS4100具有對二氧化碳有高敏感性，能長期穩(wěn)定，且受濕度和溫度影響較低的特點，本系統(tǒng)采用此傳感器及廠家原配的變送板做為CO2濃度的采集部分。從變送板出來的便是線性電壓，由AD讀入單片機，進行處理。</p><p>　　圖4.3

96、MS4100特性曲線</p><p>　　4.1.3 煤氣傳感器MQ-5</p><p>　　MQ-5適用于家庭或工業(yè)上對液化氣，天然氣，煤氣的監(jiān)測裝置。優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力。</p><p><b>　　(1) 主要特點：</b></p><p><b>　　具有信號輸出指示</b><

97、;/p><p>　　雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）</p><p>　　TL輸出有效信號為低電平（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機） </p><p>　　模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高</p><p>　　對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度</p><p>

98、;　　具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性</p><p><b>　　快速的響應恢復特性</b></p><p>　　(2) MQ-5規(guī)格</p><p>　　尺寸：32mm X22mm X27mm（長X寬X高）</p><p>　　主要芯片：LM393、ZYMQ-5氣體傳感器</p><p>&l

99、t;b>　　工作電壓：直流5伏</b></p><p>　　(3) MQ-5技術指標</p><p>　　MQ-5各性能指標如表4.1、4.2、4.3所示。</p><p>　　表4.1 標準工作條件</p><p>　　符號 參數(shù)名稱 技術條件 備注

100、</p><p>　　VC 回路電壓 ≤15V AC or DC</p><p>　　VH 加熱電壓 5.0V±0.2V AC or DC</p><p>　　RL

101、 負載電阻 可調</p><p>　　RH 加熱電阻 31Ω±3Ω 室溫</p><p>　　PH 加熱功耗 ≤900mW</p><p>　　表4.2 環(huán)境條件</p>&

102、lt;p>　　符號 參數(shù)名稱 技術條件 備注</p><p>　　Tao 使用溫度 -10℃-50℃ </p><p>　　Tas 儲存溫度 -20℃-70℃

103、 </p><p>　　RH 相對溫度 小于95%Rh</p><p>　　O2 氧氣濃度 21%(標準條件) 最小值大于2%</p><p>　　表4.3 靈敏度特性</p><p>　　符號 參數(shù)名稱

104、 技術條件 備注</p><p>　　Rs 敏感體電阻 10KΩ- 60KΩ 300-5000ppm</p><p>　　α 濃度斜率 ≤0.6</p><p>　　℃ 預熱時間

105、 不少于24小時 -20℃~70℃ </p><p>　　4.1.4 空氣質量傳感器IAQ2000</p><p><b>　　(1) 主要特點：</b></p><p>　　同CO2水平緊密相關，相當于450ppm-2000ppm CO2濃度。</p><p>　　高靈敏度，

106、快速響應。</p><p>　　小尺寸（43 x 22 x 7 mm），方便安裝</p><p>　　低功耗（150MW），自動零點校準，輸入：5 V，輸出：I2C，PWM，0-5V。</p><p>　　測量物質：酒精， 醛類氣體， 脂肪族烴，有機胺類，芳香烴，酮類，有機酸， CO，CH4，LPG等。</p><p>　　應用：適合于所有環(huán)

107、境（汽車，辦公室，學校，廚房，浴室，車間等）空氣質量監(jiān)測；專業(yè)的HVAC設備，包括空氣凈化機，中央空調，空氣清新機等。</p><p>　　(2) IAQ2000規(guī)格</p><p>　　考慮到缺少VOC的參考標準，傳感器采取了逆新陳代謝規(guī)則RMR技術。RMR 技術可以校準要測量的VOC濃度同CO2等同于ppm的濃度值對應，這樣就實現(xiàn)了同CO2標準的完全兼容。此外，IAQ傳感器還可以捕捉到

108、的所有VOC氣體排放，而在CO2傳感器是無法檢測到的，更重要的是其控制算法能夠校正傳感器的漂移和老化，進而保證了工作的一致性。IAQ傳感器通過檢測通風需求的根本原因VOC氣體而克服了CO2檢測的缺陷，此外，通過信號保持建立同CO2標準的關系及嚴格的漂移補償技術延長了傳感器壽命而彌補了傳統(tǒng)的VOC傳感器的不足。IAQ傳感器模擬人體對空氣質量的感知，甚至可以探測無味的潛在的有毒物質，例如一氧化碳氣體。</p><p>

109、;　　4.1.5 PCF8591原理</p><p>　　(1) PCF8591概述</p><p>　　PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I²C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0, A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I²C總線上接入8個PCF8591器

110、件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I²C總線以串行的方式進行傳輸。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉換和8-bit數(shù)模轉換。PCF8591的最大轉化速率由I²C總線的最大速率決定[7]。</p><p><b>　　(2) 引腳功能</b></p><p>　

111、　AIN0－AIN3：模擬信號輸入端；</p><p>　　A0~A3：引腳地址端；</p><p>　　VDD、VSS：電源端（2.5~6V）；</p><p>　　SDA、SCL：I²C總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線；</p><p>　　OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端；</p><p>　　EXT：內(nèi)部、

112、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時EXT接地；</p><p>　　AGND：模擬信號地；AOUT：D/A 轉換輸出端；</p><p>　　VREF：基準電源端。</p><p>　　4.1.6 監(jiān)測點電路圖</p><p>　　圖4.4 監(jiān)測點電路圖</p><p>　　4.2 無線傳輸部分設計</p>

113、;<p>　　4.2.1 主要技術</p><p>　　無線傳輸部分是整個系統(tǒng)的橋梁，使得監(jiān)測點同電腦端通過無線通信進行數(shù)據(jù)的有效傳輸。該部分主要采用JF24C無線通信模塊實現(xiàn)無線通信。JF24C 2.4G無線雙向傳輸模塊整合了高頻鍵控（GFSK）收發(fā)電路的功能，以特小體積實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｆ渲袃?nèi)含先進先出(FIFO) 緩沖器，減輕微控制器(microcontroller)在數(shù)據(jù)處理的<

114、;/p><p>　　負擔，實現(xiàn)低成本MCU完成高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案與射頻應用的方便性。同時此模</p><p>　　塊的傳輸速率可達到1Mbps，并具有快速跳頻(fast hopping)、向前糾錯(Forward Error Correction)、循環(huán)冗余校驗(CRC)等功能，可在擁擠的ISM頻段中達到穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　4.2.2 JF2