基于单片机的智能环境监测系统

摘 要

本设计主要由温湿度检测、烟雾检测电路、报警电路、显示电路和人体检测等模块组成。温湿度检测部分使用的是DHT11这种型号的温湿度传感器。DHT11是一种单总线型数字式温湿度传感器，它具有误差小、分辨率高、抗干扰能力强等特点。在烟雾检测电路模块当中，利用气体传感器MQ-2与ADC0832模数转换器实现基本功能。通过这些传感器和芯片，当环境中可燃气体浓度或有毒气体等发生变化时系统会发出相应的灯光报警信号和声音报警信号，以此来实现火灾报警，智能化提示。人体检测部分，是通过HC-SR501模块实现，其主要工作原理就是将感应到的红外热辐射信号转换成电信号，再将其放大输出。如果检测到危险信号，就会将信号传送给单片机，再经单片机处理，然后控制蜂鸣器和LED点亮发出警告。
本设计还可以在各种防盗场合下得到应用，比如家居防盗、仓库防盗等。温湿度、烟雾和人体防盗检测是三种最基本的环境参数，其测量方法和装置对现在的生活、生产具有重要的意义。
关键词： 温湿度检测; MQ-2传感器; 烟雾报警; 热释电红外传感器; 防盗报警器

ABSTRACT

he design is mainly composed of temperature and humidity detection, smoke detection circuit, alarm circuit, display circuit and human detection module. The temperature and humidity test section uses the DHT11 temperature and humidity sensor. DHT11 is a single bus digital temperature and humidity sensor. It has the advantages of small error, high resolution, strong anti-interference ability and so on. In the smoke detection circuit module, the gas sensor MQ-2 and the ADC0832 analog to digital converter are used to realize the basic functions. Through these sensors and chips, when the combustible gas concentration in the environment or toxic gas changes the system sends out the corresponding light alarm signal and sound alarm signal, in order to realize the intelligent fire alarm prompt. The human detection part is realized by the HC-SR501 module. The main principle is to convert the infrared radiation signals into electrical signals, then amplify and output them. If a dangerous signal is detected, the signal is transmitted to the microcontroller, processed by a microcontroller, and then controlled by a buzzer and LED to light a warning.
The design can also be applied in a variety of anti-theft occasions, such as home security, warehouse anti-theft, etc… Temperature, humidity, smoke and human burglar detection are the three basic environmental parameters, and their measurement methods and devices are important to the present life and production.

Keywords： Temperature and humidity detection; MQ-2 sensor; Smoke alarm; Pyroelectric infrared sensor; Burglar alarm

目 录

1 绪论 5
1.1 课题背景 5
1.2 概述及功能介绍 5
1.2.1 功能概述 5
1.2.2 主要功能介绍……………………………………………………………………………………6
1.3 本课题的研究思路 6
1.3.1 研究意义 6
1.3.2 研究思路 7
1.3.3 研究难点 7
1.4 主要工作 7
2 系统方案设计 8
2.1 系统构成 8
2.2 方案设计 8
2.2.1 单片机的选择 8
2.2.2 传感器的选择 10
2.2.3 显示器选择方案 10
2.2.4 防盗检测选择方案 11
3 系统硬件设计 12
3.1 主控电路 12
3.2 温湿度检测 14
3.3烟雾检测电路 16
3.4人体检测模块 16
3.5 报警电路 18
3.5.1 灯光报警电路…………………………………………………………………………………18
3.5.2 声音报警电路 18
3.6 LCD1602显示电路 19
4 系统软件设计 22
4.1 软件介绍 22
4.2 系统程序流程图 23
4.3 子程序流程图…………………………………………………………………………………….24
5测试结果及结论 27
5.1 调试 27
5.2 结论 29
参考文献 30
附录 31
致谢 32

1 绪论

1.1 课题背景
智能家居的概念在很早之前就已经被提出来了，但是一直以来也没有具体的设计实例出现。在现在这个时代，伴随着科技的不断发展和进步，越来越多的高科技产品开始出现在市面上，它们不仅体现了人类在科技上的创新，也为我们的日常生产和生活提供了很大的便利，在众多的智能产品中，智能家居作为一个新生代的产品开始在市场上崭露头角，智能家居环境监测这类的产品开始越来越多的吸引着人们的视线。在智能家居产品出现的同时，也伴随着物联网技术在其中的应用，主要是将家中的各种设备通过物联网技术（如火灾检测系统、门窗控制系统、安全防护系统、报警控制系统等）连接到一起，是一种可以用来对室内外遥控、防盗报警、照明、家电、智能温湿度调节以及对居住环境条件检测等多种多样的设备作用进行控制的手段。与普通家居进行比较，智能家居不单单具备普通家居的全套性能，而且在普通家居的基础上又做出了一些改进。它增加了全方位的信息交互功能，主要体现在保障家庭与外部的交流有一个通畅的信息交流渠道，对人们的生活方式进行优化。改善人们的生活方式，提高人们的生活质量，能够更加有效快捷的安排人们的时间，对家居生活的安全性有了很显著的提高，甚至可以在很大程度上节省各种能源上耗费的资金，为我们更加优质便捷的生活提供了保障。
1.2 概述及功能介绍
1.2.1 功能概述
在设计之前要先要对设计出来的产品性能有几个简单的要求，如实用性、便利性、可靠性等方面。通过这些性能要求再去做出最符合需求的设计。所以本次设计主要分为五个功能模块，分别为测温湿度模块、烟雾及红外感应模块、报警电路模块、显示信息模块和人体检测模块。将这几个模块的功能巧妙的与智能家居环境监测相结合，在此之前我们已经通过所学习的知识知道五个单独的功能应该如何去实现，那么现在所要进行的是将五个单独的功能模块通过单片机系统化反馈，可以将它们组合到一起，形成一个能够实现综合这五种功能的智能家居环境监测系统。
1.2.2 主要功能介绍
(1)对于环境中的温度和湿度的测量，我们可以使用温湿度传感器来进行。我们先使用温湿度传感器来采集当前环境中的温度和湿度的数据，然后将采集到的温湿度值的信息在液晶显示器上面显示出来，并且将信号发送给单片机进行数据处理。如果所采集的温湿度的值超出已经设定的预警值的范围，那么报警系统会被触发，相应的声音和灯光报警电路都会被启动。在这种情况下，只有等到我们对当前环境的温湿度进行处理，使得所采集的环境温湿度值降到我们设定的温湿度正常的范围之内的时候，相应的报警电路才会关闭。
(2)对周围环境中存在的烟雾可采用烟雾探头传感器来检测，烟雾探头传感器可对环境中的气体浓度进行采集检测。比如生活中经常用到的煤气，以及发生意外着火时所产生的烟雾等气体的浓度进行实时采集监测，将传感器监测到的数据传到单片机中，进行统一的处理，如果所测得的当前环境的烟雾浓度超过了预先设定的浓度值，则相应的报警电路将会启动，蜂鸣器报警，且相对应的灯光报警也会开启。等解决环境中存在的问题之后，蜂鸣器报警以及指示灯的指示动作就会自动关闭，所以在这样的环境问题下报警系统能够给你带来更多的安全感，为生活提供更好的保障。
(3)人体红外检测电路能够根据传感器所检测到的红外信号，对外界移动的人体进行判断。当检测电路处于工作状态时，在传感器所能监测的范围之内检测到有人出现的信号，然后单片机会接收到传感器发送的信号并进行处理，报警系统将会开启。比如指示灯会出现提示并且会带动蜂鸣器报警电路进行报警，用来警告外面的入侵者，并且报警系统会持续报警直至手动撤防才可以解除报警。
1.3 本课题的研究思路
1.3.1 研究意义
21世纪已经进入了一个全新的信息化的时代，各种各样的电子产品如雨后春笋般迅速出现并且快速的占领了市场，并且获得了越来越多的人的认可，在这种整体发展的大环境下，电子测量设备的种类和功能也在逐渐丰富起来。尽管现在出现了很多环境测试仪，然而有针对性的满足人们需要的环境测试仪却很少。有的环境测试仪功能很多，但是在人们日常生活中用到的却很少，因此设计出一个简单实用并且能满足人们日常需求的环境测试仪是很有必要的。
1.3.2 研究思路
（1） 研究温湿度传感器的特性与A/D转换电路的应用。
（2） 设计一个环境监测报警装置，则要根据对温湿度传感器和A/D转换电路的特性及应用方式的理解，把它们各自的功能综合起来才能达到预期目的。
（3） 为了设计出一套完整、高效、简洁的程序，需要选择适合整个设计系统的微处理器。
（4） 通过对比找出最合适的一个方案，前提是要分别对各个部分的可行性进行论证。
（5） 我们需要将各个部分的功能模块进行单独的设计，分别再加以实现。并且各个功能模块的调试必须单独进行，以免发生某个模块的功能不能够完全实现的情况。
（6） 完成了分部调试工作之后，我们需要先将各个独立的模块组合在一起，进行整机系统测试，以确保整体系统能够正常运行。
1.3.3 研究难点
（1） 温湿度读取程序思路比较复杂。
（2） 在整个程序设计中，是否开启报警电路的判断程序的逻辑结构比较困难。
（3） 报警的范围值也要在之前进行多次试验，以免取值过高或过低都会影响整个设计最后的实际实现情况。
1.4 主要工作
主要完成工作如下：
（1） 首先绘制电路原理图；
（2） 其次设计电路并进行硬件调试；
（3） 然后就需要根据所要实现的功能要求编写控制程序；
（4） 之后就要对所编写的程序是否符合设计要求、各模块功能能否正常运行进行软件调试；
（5） 最后就是进行单片机监测系统整机测试，确保在各模块组合完成之后，对各模块的功能使用不会产生影响。

2 系统方案设计

2.1 系统构成
本次设计所使用的主要硬件器件为：单片机、温湿度传感器、人体红外感应器、烟雾传感器、按键设置与液晶显示模块、蜂鸣器报警电路模块、以及灯光指示显示模块组成。
本研究设计框图如图1所示。

图2-1 系统方框图
2.2 方案设计
2.2.1单片机的方案选择
方案一：AT89C52是一种低电压、高性能CMOS型8位单片机，是由美国ATMEL公司生产的。器件所采用的技术是ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术。AT89C52的指令系统与标准MCS-51指令系统兼容，片内置性能非常强大的8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。其片内还有FLASH工艺的的8K程序存储器。这种单片机不但可以大大缩短整个系统的开发时间，而且对开发设备的要求很低，为整个设计的进行提供了便利，大大降低了实现难度。从另一方面来看，为了能够使我们的劳动成果得到更好的保护，我们还可以对写入单片机内的程序进行加密处理。AT89C51芯片使用三级程序存储器加密方式进行加密，提供了更为方便灵活而可靠的硬加密手段，在这样的加密手段下能够完全保证程序或系统不被仿制。在它的四个I/O中，三态双向口是P0口，可直接用于对外部存储器的读/写操作，也只有P0口能够使用这个操作，所以P0口也被称为数据总线口。
方案二：STC89C52是由STC公司生产的一种低损耗、高性能的8位CMOS微控制器。其中系统可编程Flash存储器具有 8K字节。STC89C52的内核在传统的51单片机上做了很多的改进，增加了许多新的功能。在单芯片上，拥有在系统可编程Flash 和灵巧的8 位CPU，虽然它的指令系统与AT89C52系列的是完全兼容的，但是除此之外它们之间还是有很大的不同：
（1）AT89C52对下载器有严格的要求，只有专用的下载器才可以使用。而 STC89C52可以使用用户自带的USB串口，到STC89C52厂家的网站上去直接进行下载。
（2）与AT89C52相比，STC89C52单片机执行指令的速度较快，大约是AT89C52的3-30倍，虽然这样可以大大提高程序执行的效率，但是它同时也有一个弊端，就是你在AT89C52上好使的程序在STC89C52上不一定好用，所以这就需要我们对当时的使用环境进行判断。
（3）STC89C52单片机对工作环境的要求相对较低，甚至在电压处于3伏到4伏之间（正常情况下为5V）时都还可以进行正常的工作。
对这两种设计方案的优缺点进行比较，由于我们在学校学习期间，对单片机原理、等专业课程有了一个初步的掌握和学习，在专业知识方面有了一定量的储备。我们设计一个产品，必须要经过多方面的考虑，不仅要考虑产品的功能，还要考虑产品的实用性和易操作性。因为我们的设计的东西要让别人能够很快的理解以及会进行一些简单的操作，同时我们还要兼顾当前所处的实际的环境来进行我们的设计论证。通过对上述这两种单片机性能的了解和掌握，从实用性的角度和作为学生能够获得的资源等方面进行综合考虑，同时还要兼顾到此次作品的设计要求，而且它的实际操作相对而言要比较方便，所以本系统的主控芯片选择使用STC89C52单片机。
2.2.2　传感器模块的选择
方案一：温度传感器和湿度传感器分别进行选择，然后再进行功能组合。DS18B20是一种温度传感器，在温度检测模块中可以使用它来进行检测。同样的，我们可以在湿度检测模块中使用HS1101湿度传感器来对当前环境中的湿度进行检测。
DS18B20是一线式数字温度传感器。它的工作电压为3V到5.5V，温度测量范围在-55℃到125℃，误差范围在-+0.5℃。
HS1101是电容式湿度传感器。它的工作电压低于5.5V，可测量相对湿度范围在0%到100%RH，误差为-+2%RH。
方案二： 选用可以在一个器件中同时可以测量温度和湿度的传感器，DHT11就满足这个要求，它是一款集成型的数字温湿度一体传感器。
它的稳定性和可靠性都比较好，而且在技术手段上也有很大的提高。数字模块采集技术和温湿度传感技术，可以进一步提高采集数据的效率和准确度，让我们可以更高效的获得环境当中的一些参数。DHT11是温湿度一体的传感器，所以它的测量范围有两个，一个就是我们的湿度测量，其范围值在20%到90%RH，精度为-+5%RH ；另一个就是温度测量，其范围值为0℃~50℃，精度为-+2℃。
通过对上述两个方案进行分析，方案一精度高却稍显复杂，相比较之下方案二尽管不能实现方案一那样的高精度测量，但是却也能够满足本次设计的要求。而且系统相对而言简单方便更容易实现。且可靠性高稳定性好，还具有超高的性价比。综合各种情况进行考虑，最终选择了方案二中的DHT11作为本次设计中的温湿度检测模块。

2.2.3　显示器模块的选择
方案一：采用12864液晶显示屏，并且提供8位并行及串行这两种连接方式来对微处理机进行连接。12864液晶显示屏具有光标显示、画面移位、睡眠模式等多种功能。
方案二：采用LCD1602液晶显示屏，它是一种工业字符型液晶。与12864的复杂显示功能不同，LCD1602液晶显示屏只能将字母、数字和符号等一些比较简单的东西显示出来。而且它的显示长度是有限制的，只能显示16*2个字符，但是它其中的寄存器却不止32个。因为它的这些特性，所以决定了它只能有一些简单的显示效果。
总结：对12864液晶显示屏和LCD1602液晶显示屏进行比较后可知：两者在编程使用方面的原理都差不多。但是在显示功能方面，显然 12864液晶屏显示更加全面、显示的字符更多。不过对于实现设计要求来说，1602液晶屏也是可以的。而且在价格方面1602显示屏要占居很大的优势，因为它在市场上的价格比较低廉。从设计成本方面考虑，当然是价低者优先。而在这种情况下LCD1602就是最好的选择。

2.2.4　防盗检测的选择
方案一：被动式红外传感技术。 被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器,它的工作原理是通过红外光敏器件，将红外信号转换成相对应的电信号的一种技术。它的报警原理就是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动，这种红外能量变化是如何产生的呢？这是因为人体的温度和外界环境温度之间有差异，人体一般是恒定温度37度左右，而环境温度则是不固定的。所以人体会发出一种特定波长的红外线，它所产生的红外能量也是恒定的，由于环境温度的不稳定性，它的能量就在时刻变化着，所以这就产生了一个能量差异，而被动红外传感器的工作原理就是对这种红外能量变化进行探测。它还有一项很特别的功能，就是能够精准的区分出所接收到的红外线信号是由运动着的生物体(人)还是飘落的物体所释放出来的。这样可以为整个系统增加可靠性和安全保障。
方案二：除了被动式红外入侵报警器外，还有一种与它功能相似但是特性却很不相同的报警器，那就是主动式红外探测器。红外发射机、红外接收机和报警控制器这三样基本的器件就组成了我们所说的主动式红外探测器。正是因为这样的组成才导致了这种探测器的探测范围是点到点，而不是一个面的范围。由于其探测覆盖面较小，所以它的探测可靠性非常高。但同时这也使它在应用中有很大的局限性，因为若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器同时配合共同工作，这样才可能使探测范围覆盖到整个空间，这样就导致其价格昂贵成本过高。所以一般情况下对小范围的空间或单个物品进行监测的时候，才会用到主动式红外探测器。
经上述两种方案的对比分析可得，方案一更适合家居使用。因为它相对来说成本低，覆盖范围广，且能满足家居环境监测的使用性能，安全性高。

3 系统硬件设计

3.1 主控电路
在本次设计中，主控电路选择的是STC89C52，STC89C52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，这就使得STC89C52能为众多嵌入式控制应用系统提供灵活度高、简单有效的解决方案。 STC89C52具有以下的这些标准功能模块： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。STC89C52主要功能如表1所示：
表3-1：STC89C52主要功能

在STC89C52单片机中共有40个引脚，其中有32位I/O口。因为这些I/O口都能用做输入和输出，所以称它们为双向I/O口，这些I/O口又分为4个通道，分别为P0口、P1口、P2口和P3口，但是这4个通道的功能不完全相同，所以它们的结构也设计的不同。对于整个单片机来说，它的每一个引脚的使用功能都不同，在整体使用中发挥的作用也不同，有的引脚甚至还有多种功能，这就导致在使用时需要连接的设备也不同。在使用的时候我们需要根据外接设备的类型选择具有相应功能的引脚，并与其进行连接。所以在使用前我们要对每一个引脚的功能进行了解和掌握，以便在使用的时候可以正确的选择所要连接的引脚，从而减少在使用过程中发生一些设备无法运行的问题，可以减少我们的工作量和设计过程中的一些原件损耗，下表为其引脚和对应功能：

表3-2 STC89C52单片机的引脚及其对应的功能

STC89C52单片机的最小系统如图2所示

图3-1
最小系统原理图
最小系统顾名思义就是最小运行系统，它的特点就是能使单片机所用电路模块最少，还能使单片机处于正常的工作状态。其中包含所需要的电源、时钟、复位等电路，这是使单片机所能运行的必备条件。所以我们可以在应用系统的核心部分运用最小系统。STC89C52这一型号的单片机，它的片内有ROM/EPROM。正因为这样，只要将STC89C52单片机接上时钟电路和复位电路，以此来构成最小应用系统，它构成的最小系统简单﹑可靠。
(1) 时钟电路
对于STC89C52单片机来说，有内部时钟和外部时钟两种方式来产生时钟信号。而在STC89C5单片机中，要实现一个自激振荡器这样的设计其实并不难，只要将石英晶体(简称晶振)在单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)引脚外接就可以了。
(2) 复位电路
在STC89C52单片机中，要想使单片机执行复位操作，则要将高电平引入RST引脚，此时单片机内部就执行复位操作(若在该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态)。
复位电路有上电复位和手动复位两种，在本次设计中使用的就是按键手动复位。其中按键复位方式有电平方式和脉冲方式两种。其中通过RST(9)端与电源Vcc接通而实现的方式是电平复位方式。
3.2 温湿度检测电路
DHT11是一款温湿度复合传感器。它将专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术在其中得到很大程度的运用，在很大程度上提高了产品的稳定性与可靠性。在DHT11温湿度复合传感器中，主要包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。它可以实时的监测我们周围环境的温湿度并且进行反馈，而且每个DHT11传感器都存在校准系数，校准系数以程序的形式储存在OTP内存中。我们有时候在使用过程中需要调用这些校准系数，尤其是传感器内部在检测信号的处理过程中，就需要经常调用这些校准系数。同时它所拥有的小体积、低功耗，也成功的使信号的传输距离达到了20米以上，使其成为各类应用场合的最佳选择。
DHT11传感器实物图如下图所示：

图3-2　DHT11传感器实物图及引脚图
（1）引脚介绍,DHT11的各引脚及其功能如下表所示：
表3 -3 DHT11的引脚介绍

（2）接口说明 ：
因为对本器件来说，它的信号传输距离是有限制的，所以连接线长度的不同决定了使用的上拉电阻的阻值不同。一般情况下，当连接线长度比20米小的情况下，上拉电阻选择5K的就可以了；当连接线的长度大于20米时，则需要根据器件使用的实际情况来选择可用阻值的上拉电阻。
对于DHT11传感器来说，与STC89C52系列单片机连接相对比较简单。单片机的P2.0口连接传感器的Pin2，用来发收串行数据。由之前的接口说明可知，由于测量距离的连接线长度小于20米，所以在传感器的Pin2口与电源之间连接一个5K的上拉电阻。而传感器的电源端口Pin1和Pin4分别接单片机的VDD和GND端。传感器的第三脚悬浮放置。DHT11传感器电路原理图如图9所示：

图3-3 DHT11电路原理图
3.3 烟雾检测电路
烟雾检测电路是由一个AD转换电路和一个MQ-2气体传感器组成的，下图为烟雾检测电路的原理图：

图3-4 烟雾检测电路原理图

1. A/D转换电路选用的是ADC0832这种芯片。它的作用是将烟雾传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，然后再传送给单片机进行数据处理，所以它的部分引脚是与单片机直接相连的。如它的1号引脚（CS口）接单片机的P1.2口，它的5号引脚和6号引脚（DI口和DO口）接单片机的P1.1 口，它的7号引脚（CLK口）接单片机的P1.0口。它的特点是具有8 位分辨率和双通道A/D转换，它的优点是体积小、兼容性强、性价比高。正因为它的这些优点，它的普及率目前已经很高了，也因此而受到了很多用户的喜欢和认可。下面简要介绍一下它的芯片接口及其各接口对应功能：
   表3-4 ADC0832接口名称及功能
   

2. MQ-2是一种气体传感器，它可以用来对城市煤气、天然气、液化石油等这些以氢气为主要成分的气体进行测量。同时它对水蒸气、烟等气体有很强的识别能力，抗干扰能力比较强。
   MQ-2型气敏元件具有以下特点：
   (1) 它具有稳定的R阻值，所以它的敏感烧结体是由烧结半导体所形成的。从而它的稳定性较强，可以适应在工作状态下长期工作使用。
   (2) 当它工作时，它的功率损耗仅仅只有0.7W左右，为单电源供电。
   (3) 它具有极高的灵敏度和信噪比，尤其是对于所测试的气体，而且它的识别能力也很强。
   器件的主要参数如下:
   响应时间：Tr≤10s
   恢复时间：Tn≤60s
   加热电压：V﹢=5+0.2V
   加热功率：:约0.7W
   工作环境：温度-10℃~+50℃ 湿度≤85%RH
   MQ-2的特点如下：
   （1） 它对气体的探测范围比较广泛
   （2） 它具有极高的灵敏度，极快的响应速度以及响应恢复速度
   （3） 它的稳定性极好，所以就使得它可以在持续的工作状态下拥有很长的使用寿命。
   （4） 它的驱动电路比较简单

3.4 人体检测模块
在自然界中，一般的物体都将产生红外光谱。温度不同的物体，它所能够释放的波长是不一样的，因此温度的高低和所检测到的红外波长是有关联的。而人体检测模块就是根据这一原理来进行检测的。图3-8为人体检测模块电路原理图 ：

图3-8 人体检测模块原理图
热释电红外传感器(PIR)和 菲涅尔透镜，这两个部分的作用在被动红外探测器中是至关重要的，可以说它们是整个探测器的核心部分。我们先来简单的了解一下其中一个重要的部分：
热释电红外传感器(PIR)，它可以将红外信号的变化转变为电信号。当然这是有条件的，它所能转化的红外信号的波长范围只能在8-12um之间。而且它还能够自动的抑制自然界中的白光信号。这样就可以将自然界的温度当做背景温度，然后再去检测与背景温度有差异的物体，因此，红外探测器的红外探测的探测原理就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。
另一个重要的核心部件就是菲涅尔透镜，它有折射式和反射式两种方式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用和分区作用。聚焦作用是将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，而分区作用是将移动物体产生的变化热释红外信号转变为变化的电信号。
 人体的温度一般都处于37度左右，变化不会很大，所以人体发出的红外线波长是特定的，波长大约为10微米左右。所以被动式红外探头主要是靠探测人体发射的10微米左右的这种特定波长的红外线而进行工作的。
被动式热释电红外探头的优点主要有以下几点：
1.它本身不会产生任何类型的辐射，所以它对人体没有伤害。
2.它的功率损耗比较小，所以对能源浪费也比较少。
3.它整体体积较小，便于安装，隐蔽性好。
4.它所使用的器件都是市面上比较常见的，容易购买且价格低廉，成本较低。
但是被动式热释电红外探头也有一些缺点：
1.由于它的工作原理是探测物体温度与背景温度的差异，以及从物体上检测到的红外线波长，从而判断有无异常。所以在这样的判断条件下比较容易受各种热源、光源的干扰 。
2.被动红外穿透力差，对检测的通道要求较高，一般情况下是在检测的通道上障碍物越少越好。因为当检测中途有障碍物阻挡的话，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。
3.易受射频辐射的干扰。
4.由于其探测原理的特殊性，当环境温度和人体温度接近时，此时它们的温度差异比较小，对探测器的灵敏度要求比较高，当探测器的灵敏度达不到此时的要求时，可能会造成探测器的短时失灵。
3.5 报警电路
3.5.1 灯光报警电路

图3-5 灯光报警电路
灯光报警电路的电路结构图如图14所示。在现在这个时代LED的研发已经越来越成熟，LED灯也在越来越多的场合得到广泛的使用。相对于普通白炽灯而言，它有很多优点。比如节能环保、使用寿命长、无频闪可保护视力，并且因为它的电流小、发热少所以安全系数比较高。所以本次设计就是利用了LED的这些特性，用不同颜色的LED指示不同的报警。
3.5.2 声音报警电路

图3-6 声音报警电路
声音报警主要是通过声音来引起用户的注意，从而达到警示用户的目的，现在最常用的就是蜂鸣器。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电。三极管、蜂鸣器、限流电阻这三项，就是蜂鸣器驱动电路的主要构成部分。
蜂鸣器为驱动电路中的发声元件，分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种。这两种蜂鸣器的发声条件即驱动方式不同，有源蜂鸣器在其两端施加直流电压时会发声，无源蜂鸣器在其两端施加方波时会发声。本设计采用有源蜂鸣器。
三极管Q1起开关作用，它的导通和闭合作用是由其基极的高低电平来控制的。当基极的电平为低电平时，三极管处于饱和导通状态，此时蜂鸣器可以发声。当基极电平为低电平时，三极管处于关闭状态，此时蜂鸣器不发声或停止发声。
限流电阻在整个电路中起到一个保护电路的作用，它可以在电路中的电流突然增大时，控制流入电路中的电流，使其达到一个平稳的状态，不会因为电流的突然增大而使电路元件受到损坏。
报警电路主要就是由灯光报警电路和声音报警电路这两部分组成的，这两种报警方式是起到一个互相辅助的作用。传感器检测到环境中的温湿度、烟雾等环境数据信号，将其传给单片机进行数据处理。若是检测到报警信号，则单片机将信号发送到报警电路，报警电路将会启动，引起蜂鸣器发声，并且相对应的报警指示灯会亮起；若是没有接收到报警信号，则单片机会将当前所产生的数据信号传送到液晶显示器，让液晶显示器显示当前所检测的环境数据，这样我们不仅能够实时的对环境的数据进行掌握，也可以在出现安全隐患时能够及时给出警示提醒，这样就能更好的达到报警的效果和目的。
3.6 LCD1602液晶显示电路

图3-7 液晶显示电路设计
LCD1602A 是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02 即32个字符。（16列2行）。它的Pin7-Pin14号管脚分别与单片机的P0.0-P0.7引脚相连，Pin7接单片机的P0.0，Pin8接单片机的P0.1，依次类推Pin14接单片机的P0.7引脚。
液晶显示器，顾名思义它是属于一种输出器件，它在单片机系统中也得到了大量的应用，作为输出器件它有以下几个优点：
（1）当它接收到信号之后，它就可以根据所收到的信号要求保持恒定的发光状态。且其亮度和色彩饱和度不会改变，因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
（2）接口简单，操作方便。
（3）它的显示方式是由电极控制液晶分子的状态来显示的，所以重量较轻。
（4）耗电量比其它显示器要少得多。
表3-5 LCD1602的引脚及其作用

LCD1602液晶模块内部包含一个字符发生存储器，这个存储器中已经存储了160个不同的点阵字符图形。在我们的设计中，可能不需要它将所有的图形都进行显示，只需要让它显示一部分我们需要用到的字符图形，要想使这些点阵字符图形按照自己的要求显示出所需要的图形，就需要通过程序的控制来实现。要想让液晶显示器按照我们所期望的那样进行显示，我们首先就要了解它的使用规则或者说显示要求。它的所有的动作都是通过指令来实现的，所以如果要进行读写或屏幕和光标的移动等操作，就要对它的这些动作进行指令编程，在指令编程之前，我们先要对LCD1602液晶显示器的指令和其对应功能进行一个简单的了解和掌握。它的指令及其对应功能如表3-6所示：
表3-6 LCD1602指令及其功能

通过这些指令，我们可以对液晶显示器进行指令程序编码，将我们的显示的要求变成一条条的指令，然后通过程序编写将其在屏幕上进行显示，让我们的传感器所测到的一组组抽象的信号，通过显示器变成我们能够理解的字符图形显示出来，让我们能够更直观的看到当前环境中所存在的问题或者隐患，增加我们的防范意识，提高环境安全系数。

4 系统软件设计

4.1 软件介绍
Keil C51 软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编和 C 语言的程序设计。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点就是Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。 Keil_c软件界面如图4-1所示：

图4-1 Keil_c软件界面
4.2 系统总程序流程图

图4-1 系统总程序流程图

如图4-1所示，在系统主程序中，先要将系统进行初始化。防止由于在之前的使用过程中产生的信号残留影响到后面的产品效果，使结果产生误差。系统进行初始化之后我们就需要通过温湿度传感器对环境中的温湿度进行采集，然后传送到单片机进行数据处理。同时还有烟雾传感器和红外热释电传感器也在进行工作，不同的是烟雾传感器采集到的数据需要进行AD转换才能发送到单片机进行处理。如果温湿度值、烟雾值等超过了预先设定的数值的范围，那么将会启动报警系统进行灯光和声音的双重报警，即各模块相对应的报警指示LED灯会亮起，且蜂鸣器会发声。红外传感器则是检测到有人，就会将信号传送给单片机并启动报警系统。若采集数据无异常状况，则维持上述步骤，设备在上电情况下一直持续工作状态。

4.3 各子程序流程图
4.3.1温湿度检测流程图

图4-2 温湿度检测流程图
如上图4-2温湿度检测流程图中所示，在温湿度检测的过程中，首先我们要对系统进行初始化，防止硬件中有其他信号残留，影响整体的温湿度测量结果，导致测量结果产生误差。之后通过DHT11温湿度传感器对当前的环境温度进行采集，将所得信号传送到单片机上进行数据处理，然后通过LCD液晶显示屏显示当前温湿度，若温湿度没有超过设定的范围，则循环上一过程。若温湿度超过设定范围，则启动报警系统。

4.3.2 烟雾检测模块流程图

图4-3 烟雾检测流程图
如图4-3烟雾检测流程图所示，在烟雾检测模块当中，我们首先要做的事情依然是初始化，其目的同样是为了防止有多余的不相干信号影响了测量的准确度，使得测量结果产生误差。初始化之后，我们就要通过MQ-2烟雾传感器来对环境中的烟雾浓度进行检测，它不能直接与单片机相连，所以我们要使用AD转换器对所得到的信号进行处理，然后再发送给单片机。若检测的浓度值没有超过设定值，那么就需要返回到原来的地方进行下一轮的检测，过程还是和前面一样。若检测的浓度值超过设定的范围，那么报警系统将会被启动，开始报警，直至经过处理之后烟雾浓度回归到范围值，系统将重新回到原来的地方进行下一轮的检测。

4.3.3 人体检测模块流程图

图4-4 人体检测模块流程图

图4-4是人体红红外检测模块的工作原理流程图，在图中我们可以很清晰的看到整个模块的工作流程，首先我们要对系统进行初始化，然后就是一个特殊的操作，就是要选择是否处于布防状态，若是处于布防状态，则人体红外传感器开始工作，此时系统就可以执行人体感应的工作了。若是在红外感应范围内检测到异常信号，那么传感器会将信号传送给单片机，单片机会对信号进行处理，然后启动报警程序，蜂鸣器发出声音并且人体感应指示灯会亮起。这种状况会一直持续直到人为的关闭布防状态，整个报警过程结束。若是一开始就没有打开布防状态，则红外传感器此时不能进行人体感应。

4.3.4 报警电路模块流程图

图4-5 报警电路模块流程图

如图4-5所示，报警电路模块的工作流程就如图中所示一样，首先在进行检测之前要对系统进行初始化，然后再让传感器进行检测，因为会担心有之前遗留的残余信号会影响之后传感器的检测结果。当系统中的传感器检测到环境中的各种数据时，传感器会将数据信号发送到单片机，让单片机进行数据处理，对接收到的数据信号进行分析。此时要对这些数据进行一个阈值判断，看有没有哪一项数据值超过了设定的阈值。若是有，则报警系统会被启动，此时声音报警和灯光报警都会打开，蜂鸣器会发声，并且相对应的LED指示灯会发亮，为我们提供双重的报警效果。此时就需要我们对导致报警的环境隐患进行处理，比如若是烟雾值过高，我们可以通过开窗等措施来降低当前环境的烟雾浓度；温度或湿度过高则也可以采取相对应的措施来进行处理。等到把超过阈值的环境数据处理过后，报警系统将会关闭，报警过程结束。若是环境数据中没有数据值超过设定的阈值，那么报警系统将不会启动。在整个过程中，传感器是一直处于工作状态的，并不会因为报警系统的开启或关闭而影响它的正常工作。

5测试结果及结论

5.1 调试

图5-1 实物上电调试状态图
在调试时会产生不同的现象，比如LED灯的亮暗表示了不同的报警状态，如图5-1中，LED灯亮了就表示相应的模块进行报警。同时各个按键所要表示的功能和作用也不同，下面就简单说明一下这些器件的作用以及长生这些现象所表示的意义：
LED灯：LED灯共有六个，将LED灯从左往右依次列为LED1、LED2、LED3……LED6，LED1连接的单片机的P3.1引脚，它代表的是烟雾报警；LED2连接的单片机的P3.2引脚，它代表的是温度上限报警；LED3连接的单片机的P3.3引脚，它代表的是温度下限报警；LED4连接的单片机的P3.4引脚，代表的是湿度上限报警；LED5连接的是单片机的P3.5引脚，代表的是湿度下限报警；LED6连接的是单片机的P3.6引脚，代表的是红外报警。
按键：按键在整个设计当中所起的作用就是对状态进行设置，对当前的数据进行调整。在整个设计中除了电源开关之外还有四个按键，对它们进行编号，从左到右依次为K1、K2、K3、K4。K1连接单片机的P1.3引脚，它的功能是对各传感器的数据进行设置，所以它是设置键；K2连接单片机的P1.4引脚，它的功能是对当前选中的数据进行加操作，所以它是加操作键；K3连接单片机的P1.5引脚，它的功能是对当前选中的数据进行减操作，所以它是减操作键；K4连接单片机的P1.6引脚，它的功能是撤销当前布防，所以它是布防撤销键。
调试就是在电路设计完成之后，对已完成的电路的性能进行一个调整和测试的过程。由于整个设计包括了硬件和软件两大部分，所以我们的调试工作也是围绕着这两个部分进行的。硬件部分的调试就是看硬件电路的设计是否合格，若不合格就要对相应的模块进行调整和更换元器件等工作。这个过程也是对我们整个电路的线路进行一个整体的检查，可以检查我们在进行实际焊接的过程中有没有将电路连线焊错，或者在某些部位产生虚焊等问题。软件调试部分主要是检测各模块功能能不能够正常使用，我们采用的调试方法是先进行分模块调试，将各个模块分别进行调试和检测，在这个过程中检查有没有不能使用的功能以及产生不正常显示的功能，若有可以在这个过程中进行修改和重检，避免一些不必要的损失和浪费。在分模块检测完之后，我们还要进行一次整个系统的的调试，这个过程主要是为了检测系统的整体运行情况，以及各个功能模块之间的相互连接方式是否可行，避免因为各个模块之间的连接产生错误，影响整体功能和使用。在调试过程中遇到的问题有：
(1)在焊接之前对单片机和各元器件引脚功能掌握不够充分，使得部分引脚与元器件接口焊错了，就只能重新来过了。
(2)由于程序的逻辑结构较为复杂，在编写程序的过程中产生了一些顺序上的问题，对器件的功能表达上产生了一些影响，经过多次功能调试之后也对程序进行了修改。
(3)在本次设计中，各检测模块的报警范围都是要提前设置的，而且设置的值一定要合理，这样报警电路才会在检测到相应的数据值异常的时候开启报警状态，在一开始的时候，我的范围值设置的不合理，导致预期中的报警状态没有出现，后来在对各功能模块的范围值进行了合理的修改之后报警电路才可以正常报警。
5.2 结论
通过本次毕业设计，从一开始的选题到最后的制作完成，我都参与其中。在与同学的相互合作和老师的指导中，我学习到了很多新的知识，也提高了自己的动手能力。从硬件的焊接到软件的编程的过程中，我都学到了很多，对知识的感悟和认识也越来越深。也对我自己所选的课题和所设计的作品有了一个更加深入的认识。
之前我们也学习了很多的专业课，比如单片机原理及其应用、C语言基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、通信原理、信号与系统等，之前仅仅是学到一些书本上的理论知识，虽然在课程设计中也有用到所学的专业课的内容，但是课程设计毕竟只是针对单一的一门课程，所以设计的时候内容的偏向性比较大。很多时候仅仅是涉及到了所学的一门课的内容。而毕业设计就不同了，它是一个综合性比较强的设计，是对我们的大学的学习内容进行了一个总结，在这个设计中我们所运用到的知识不再只是局限于一门课或者一个小的模块。它对我们以前所做的课程设计来说就是一个整体和局部的关系，我们所学的内容都可以在毕业设计中体现出来。这样一来一方面我们可以在制作过程中让自己的知识得到更好的提炼，能够将自己所学的专业课的理论知识得到更好的应用，同样也可以在应用中让自己的知识掌握的更加透彻，将理论知识运用在自己的作品中。另一方面因为它不再是一个单一的小模块的设计了，而是各个功能模块的组合而形成的一个具有多种功能的产品，所以这就说明了它对我们的要求也提高了，我们需要掌握更多的相关的知识，还要将各种知识进行融合，使其能够在一个产品中展现出多种的功能，而且各功能之间还要互不影响，这就需要我们对各个元器件的特性、功能都能够熟练的掌握，才能设计出更好的作品。
虽然在整个设计过程遇到了各种各样的问题，比如对各模块元器件的选择、电路图的设计以及程序的调试等数不胜数，但是在同学和老师的帮助下，通过在网上和图书馆查找资料的方式，将遇到的问题基本解决，最终成功的完成了毕业设计的作品。虽然过程不是很顺利，但是最终还是实现了指定的目标，结果还是让人觉得很开心。但是由于个人能力的限制，我们的设计产品还不是尽善尽美的，还有很多需要我们去改进的地方等待着我们。

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附录
1．系统电路原理图

致 谢
在选择了这个课题之后，自己内心也是很忐忑不安的，因为不知道在实际设计过程中会遇到怎样的困难，更多的是担心自己解决不了会怎么办。但是在同学的帮助下和老师的指导中，我渐渐地有了一种充实的感觉，慢慢的对自己产生了信心。
在整个制作过程中，我碰到了许许多多的问题。有制作方面的，也有设计方面的，更多的是来自于设计方面的问题。从电路的设计到器件的选择，都需要结合理论和实际情况进行反复的实验与论证，将自己的设计一次又一次的推翻然后再重建。在这个过程中，我身边的同学给了我许多宝贵且实际的建议，让我在设计的过程中能够越来越熟练，自己设计的产品也越来越完整。
所以我要感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们。同时我还要感谢给与我知识和技术指导的郭老师，因为有了老师的答疑解惑，我遇上的很多问题最后都很顺利的得到了解决。正是因为有了他们对我的这些的帮助，不仅让我对自己所学过的知识有了一个更深入的了解，也让我所学的知识在我的设计中得到了体现和运用。除此之外我还学到了超越本次课题设计之外的新的知识，就是让我我看到并且感受到了知识以外的一种很强大的东西，那就是团结的力量。
最后还要感谢学校，为我们提供了一系列的测试环境的支持，如果没有这些测试器材及仪器，我们的设计产品的性能测试将不会这么顺利的进行。