车间环境安全监控系统-硬件系统设计
环境安全监控系统是对环境中的温度、湿度、烟雾、粉尘等进行检测的装置，该系统能显示当前环境中的温度和湿度值，并在当环境中的温湿度超过设定限值和环境中有烟雾或可燃气体出现时，系统将进行声光报警。本设计以两片单片机（STC89C52）为核心，配合温湿度传感器（DHT11）、气体传感器（MQ-2）、粉尘传感器（GP2Y1010AU）和无线模块（NRF24L01）以及相关的外围电路组成的监测系统，可以接收所测环境的温度、湿度、烟雾、可燃气体和粉尘信号，监测人员可以通过LCD1602显示的数据，实时监控环境的温度和湿度等情况。
关键词 环境安全，单片机，DHT11，MQ-2，GP2Y1010AU，NRF24L01，LCD1602
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 现阶段状况 2
1.3 课题研究意义 3
2 主要元器件介绍 3
2.1 STC89C52单片机 3
2.2 时钟芯片 4
2.3 NRF24L01无线模块 8
2.4 AMS1117稳压块 9
2.5 1602液晶 10
2.6 ADC0832 A/D转换芯片 12
2.7 DHT11温湿度传感器 14
2.8 GP2Y1010AU粉尘传感器 15
2.9 MQ-2烟雾传感器 18
3 硬件系统设计 21
3.1 硬件整体设计 21
3.2 主机模块电路设计 22
3.3 从机模块电路设计 29
4 绘图与制板 32
4.1 AD软件介绍 32
4.2 原 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
理图绘制 32
4.3 PCB板的制作 35
5 软硬件联调 37
5.1 软件概述 37
5.2 系统调试 37
结论 40
致谢 41
参考文献 42
附录A 主机原理图及PCB图 43
附录B 从机原理图及PCB图 44
1 绪论
最近几年来随着我国工业的快速发展，其生产水平也不断提高，这就对生产环境的要求越来越苛刻，主要体现在生产环境的温湿度及粉尘的控制上，比如说电子产品装配车间、粮仓、特殊材料加工工场等场合，就需要对温湿度进行严格的监控，确保在某一特定的范围内。从安全生产的角度来考虑，对生产环境进行监控是必要的，可以提前预警、及时发现和消除风险，保证工作人员的生命安全，同时也避免或减少企业财产的损失。
1.1 课题研究背景
温湿度、粉尘与人类的生活和生产密切相关，而且跟着生活节奏的不断加快，人们也愈来愈关注自己的生活环境，而环境中的温度、湿度以及粉尘等的变动都会对人们的心情和舒适度产生或多或少的影响，所以对温湿度、粉尘的检测及控制就显得非常必要了。随着科技的飞速发展，生产过程中有些人工操作已经被低成本高精度的环境监测仪器所代替，环境监测与调节仪器的研发对人们的生产加工具有重大的意义。
无线数据采集适用于那些地形复杂、腐蚀性高、建筑物群以及爆炸等场合，或者是一些旋转、运动等的情况。随着科技的不断发展，微电子技术、高能量电池、低功率消耗电路及集成电路等不断进步，无线通信也得以飞速发展，无论是从实现难易度，还是从其传输速度，亦或是其可靠性等各个方面来说，都取得了非常大的进步，并且逐步达到了可以与有线网络相媲美的水平。
无线传输在各个领域数据采集上的应用越来越多，解决了许多布线繁琐甚至于不能布线的问题[1]。无线模式具备以下几个显著特点：通过电磁波传输，节省架设电缆所需的占地和各种成本花费，不会给建造其他建筑物带来不便，应用也更加方便；具有电路简单、成本低、体积小、功耗小等优点，非常便于使用；其设计简单，实施起来也很方便，适合在不同的场合反复利用。
温湿度、粉尘和有害气体监控系统是一种被广泛应用于环境测试实验、科学研究（如养殖、种植、化学工程、生物工程）、工厂生产现场等领域的现场环境控制系统。它可以根据需要模拟出各种不同的环境条件，像温湿度、粉尘等条件，可以研究不同的生化过程。因此，在科研、化工、农林、医药、冶金及生物工程等领域，温湿度、粉尘等监控系统有着广泛的应用。
1.2 现阶段状况
进入二十一世纪后，特别是中国加入WTO后，国内产品受到了巨大的冲击。所有的行业，尤其是传统产业，在技术改造和技术升级时都迫切需要电子技术和自动控制技术。像轻纺业，成品质地与很多要素有关，不过温湿度是其中的关键要素之一，然而就当前大多数轻纺业企业的温湿度监控方法来看，依旧停留在粗拙甚至说是过时的层面上，它们大都依旧利用古老的干湿球湿度计，应用人工察看、调度阀门和风机的法子，其控制结果是不言而喻的。医药行业的情况也基本如此。而在和我们最密切相关的食品行业，就更为落后了，基本都仅是凭借以往的经验。值得一提的是，随着这几年农副业的蓬勃发展，许多农民已经发现摆脱滞后的传统耕作和养殖方式，而利用现代科学技术来面对进口农副产品的挑战已是必然的选择。现在，新的温室已经开始建立，反季节种植花卉，蔬菜，等；养殖业的快速发展，也给环境测控提出了愈来愈高的要求；以及调温冷库的兴建都为温湿度测控技术的发展带来了良好的前景。目前我国已经从State of Israel、Holland等国家引入了40多座自动化水平很高的新型大棚，国内正逐渐吸取并转化相关的技巧和经验，正常都是先进行温度和光照的调整，控制通风；然后再实现温湿度和二氧化碳的自发调节。另外，随着国家食粮贮备工程的大批兴修，使得温湿度监控亟待达到一个新的水准[2]。
当前就信息采集系统看来类型很多，工时输入分布（编码，测试，需求，设计，等），文件、量表分析、代码量、代码错误率、收敛的缺陷率、需求的变化率、维护成本、不一致性分布、审查质量评价等数据采集方法。数据采集方法有手动采集和自动采集数据的方法，常见的手动输入、无线传输、条码扫描和最新的RFID技术。目前在医疗卫生上使用的依旧是常见的玻璃温度计，但是工业、科研等方面需要测量的温湿度范围往往比较大，而且精度相对要求高。目前很多的数字式温湿度计都应用国外的芯片来拼装，其精密度和准确度都比较高，功率损耗低，而且内部自供电，外部选用坚实、雅观的不锈钢作为保护壳。目前国内部分温度计选用先进的功率消耗低、精度高的集成电路和能够在较宽温度范围内工作的液晶，内部自带高效电源至少可以在五年之内连续工作而不用额外铺设电线，是一款具有许多优点的新式温度测试显示仪，可用来取代以前使用的双指针型温度计，在各研究单位、采矿业、工业及高等院校等可以普遍使用。
单片机和DS1302 时钟芯片之间可以通过正常的同步串行方式进行通信，每次通信的时候，不管是进行读操作或者进行写操作，均需要由单片机主动发出通信信号，每次均需要给实时时钟芯片命令帧，该帧方式如表2-3所示，最低位BIT1表示进行的操作是写操作还是读操作，紧接着的五位BIT1～BIT5表示时钟寄存器或RAM 在DS1302中的内部地址，BIT6表示操作的对象是时钟寄存器还是RAM，而最高位BIT7则总是固定为1。从物理结构上来看，和单片机之间进行通信的端口由时钟芯片的3根通信线构成，即CE、I/O和SCLK。每次当CE 由低变高时起动一次数据传输进程，I/O是数据线，SCLK 是时钟线[5]。具体读写时序可参考图2-4。
表2-10 引脚接口说明表
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 现阶段状况 2
1.3 课题研究意义 3
2 主要元器件介绍 3
2.1 STC89C52单片机 3
2.2 时钟芯片 4
2.3 NRF24L01无线模块 8
2.4 AMS1117稳压块 9
2.5 1602液晶 10
2.6 ADC0832 A/D转换芯片 12
2.7 DHT11温湿度传感器 14
2.8 GP2Y1010AU粉尘传感器 15
2.9 MQ-2烟雾传感器 18
3 硬件系统设计 21
3.1 硬件整体设计 21
3.2 主机模块电路设计 22
3.3 从机模块电路设计 29
4 绘图与制板 32
4.1 AD软件介绍 32
4.2 原 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
理图绘制 32
4.3 PCB板的制作 35
5 软硬件联调 37
5.1 软件概述 37
5.2 系统调试 37
结论 40
致谢 41
参考文献 42
附录A 主机原理图及PCB图 43
附录B 从机原理图及PCB图 44
1 绪论
最近几年来随着我国工业的快速发展，其生产水平也不断提高，这就对生产环境的要求越来越苛刻，主要体现在生产环境的温湿度及粉尘的控制上，比如说电子产品装配车间、粮仓、特殊材料加工工场等场合，就需要对温湿度进行严格的监控，确保在某一特定的范围内。从安全生产的角度来考虑，对生产环境进行监控是必要的，可以提前预警、及时发现和消除风险，保证工作人员的生命安全，同时也避免或减少企业财产的损失。
1.1 课题研究背景
温湿度、粉尘与人类的生活和生产密切相关，而且跟着生活节奏的不断加快，人们也愈来愈关注自己的生活环境，而环境中的温度、湿度以及粉尘等的变动都会对人们的心情和舒适度产生或多或少的影响，所以对温湿度、粉尘的检测及控制就显得非常必要了。随着科技的飞速发展，生产过程中有些人工操作已经被低成本高精度的环境监测仪器所代替，环境监测与调节仪器的研发对人们的生产加工具有重大的意义。
无线数据采集适用于那些地形复杂、腐蚀性高、建筑物群以及爆炸等场合，或者是一些旋转、运动等的情况。随着科技的不断发展，微电子技术、高能量电池、低功率消耗电路及集成电路等不断进步，无线通信也得以飞速发展，无论是从实现难易度，还是从其传输速度，亦或是其可靠性等各个方面来说，都取得了非常大的进步，并且逐步达到了可以与有线网络相媲美的水平。
无线传输在各个领域数据采集上的应用越来越多，解决了许多布线繁琐甚至于不能布线的问题[1]。无线模式具备以下几个显著特点：通过电磁波传输，节省架设电缆所需的占地和各种成本花费，不会给建造其他建筑物带来不便，应用也更加方便；具有电路简单、成本低、体积小、功耗小等优点，非常便于使用；其设计简单，实施起来也很方便，适合在不同的场合反复利用。
温湿度、粉尘和有害气体监控系统是一种被广泛应用于环境测试实验、科学研究（如养殖、种植、化学工程、生物工程）、工厂生产现场等领域的现场环境控制系统。它可以根据需要模拟出各种不同的环境条件，像温湿度、粉尘等条件，可以研究不同的生化过程。因此，在科研、化工、农林、医药、冶金及生物工程等领域，温湿度、粉尘等监控系统有着广泛的应用。
1.2 现阶段状况
进入二十一世纪后，特别是中国加入WTO后，国内产品受到了巨大的冲击。所有的行业，尤其是传统产业，在技术改造和技术升级时都迫切需要电子技术和自动控制技术。像轻纺业，成品质地与很多要素有关，不过温湿度是其中的关键要素之一，然而就当前大多数轻纺业企业的温湿度监控方法来看，依旧停留在粗拙甚至说是过时的层面上，它们大都依旧利用古老的干湿球湿度计，应用人工察看、调度阀门和风机的法子，其控制结果是不言而喻的。医药行业的情况也基本如此。而在和我们最密切相关的食品行业，就更为落后了，基本都仅是凭借以往的经验。值得一提的是，随着这几年农副业的蓬勃发展，许多农民已经发现摆脱滞后的传统耕作和养殖方式，而利用现代科学技术来面对进口农副产品的挑战已是必然的选择。现在，新的温室已经开始建立，反季节种植花卉，蔬菜，等；养殖业的快速发展，也给环境测控提出了愈来愈高的要求；以及调温冷库的兴建都为温湿度测控技术的发展带来了良好的前景。目前我国已经从State of Israel、Holland等国家引入了40多座自动化水平很高的新型大棚，国内正逐渐吸取并转化相关的技巧和经验，正常都是先进行温度和光照的调整，控制通风；然后再实现温湿度和二氧化碳的自发调节。另外，随着国家食粮贮备工程的大批兴修，使得温湿度监控亟待达到一个新的水准[2]。
当前就信息采集系统看来类型很多，工时输入分布（编码，测试，需求，设计，等），文件、量表分析、代码量、代码错误率、收敛的缺陷率、需求的变化率、维护成本、不一致性分布、审查质量评价等数据采集方法。数据采集方法有手动采集和自动采集数据的方法，常见的手动输入、无线传输、条码扫描和最新的RFID技术。目前在医疗卫生上使用的依旧是常见的玻璃温度计，但是工业、科研等方面需要测量的温湿度范围往往比较大，而且精度相对要求高。目前很多的数字式温湿度计都应用国外的芯片来拼装，其精密度和准确度都比较高，功率损耗低，而且内部自供电，外部选用坚实、雅观的不锈钢作为保护壳。目前国内部分温度计选用先进的功率消耗低、精度高的集成电路和能够在较宽温度范围内工作的液晶，内部自带高效电源至少可以在五年之内连续工作而不用额外铺设电线，是一款具有许多优点的新式温度测试显示仪，可用来取代以前使用的双指针型温度计，在各研究单位、采矿业、工业及高等院校等可以普遍使用。
单片机和DS1302 时钟芯片之间可以通过正常的同步串行方式进行通信，每次通信的时候，不管是进行读操作或者进行写操作，均需要由单片机主动发出通信信号，每次均需要给实时时钟芯片命令帧，该帧方式如表2-3所示，最低位BIT1表示进行的操作是写操作还是读操作，紧接着的五位BIT1～BIT5表示时钟寄存器或RAM 在DS1302中的内部地址，BIT6表示操作的对象是时钟寄存器还是RAM，而最高位BIT7则总是固定为1。从物理结构上来看，和单片机之间进行通信的端口由时钟芯片的3根通信线构成，即CE、I/O和SCLK。每次当CE 由低变高时起动一次数据传输进程，I/O是数据线，SCLK 是时钟线[5]。具体读写时序可参考图2-4。
表2-10 引脚接口说明表
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