河北工程大学科信学院毕业设计说明书
第2章 系统设计方案论证和总体框架设计
2.1 设计要求
本论文要设计的是一种面向于家居的空气环境质量监控系统，能够实时检测空气温度湿度、PM2.5、甲醛等有害气体。当某一数据超标时能自动发出报警信号并开启相应设备。此外为了满足智能家居的设计要求，该系统监控的各项数据能够实时传送至系统显示屏，计算机，主人的通信设备。还能与空调、加湿器、净化器等设备形成智能联动，帮助改善家中的空气质量。
本文设计的空气质量检测系统的环境质量数据依据《室内空气质量标准》GB/T18883-2002设计。相应标准如下表2-1：
表2-1 室内空气质量标准
项目 相对湿度 温度 甲醛 HCHO 可吸入颗粒 PM2.5 单位 % ℃ mg/m3 mg/m3 值 40~80 22~28 0.10 0.15 适用范围 1小时均值 日平均值 2.1.1 家居空气质量监测系统功能 在本文设计的家居空气质量监控系统，是以单片机为核心，收集相应的气体采集模块采集相应的空气数据。并将采集的各项数据实时显示在LCD显示屏上，并通过控制器将采集数值与内部设定值比较，采集值越限时启动报警模块发出声光报警。为了实现以上功能：系统硬件在搭建过程中，具有单片机控制器，温度传感器，湿度传感器甲醛传感器、PM2.5含量探测器、A/D 转换电路、液晶显示器，LED灯光与蜂鸣器等。
2.2 系统硬件的选型与论证
2.2.1 单片机控制器的选型
本文设计的监控系统是围绕单片机进行整体构建的，因此选择一个合适的运转的核心与大脑就是设计的至关重要的一部。因而，在开始设计之前，我们需要从市场是种类繁多的单片机中选择出合适的类型，并经过一定的论证，以此保证整个系统运行的可靠。所以，在选型过程中，我们本着讲究技术性，开发性，实用性三方面综合考虑，从而达到最优的性价比与未来升级换代的可能性。具体说来
(1)在技术性方面:以满足系统功能实现，可靠运行为目的，对单片机芯片引脚，功能进行考察，是否满足上述要求。
(2)在实用性方面:对特定厂家特定市场生产的单片机产品进行调研，通过型号间的纵向比对以及不同产品间的横向比较，选择最合适的产品，保证系统可靠运行。
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（3）在开发性方面，着眼长远发展，选择的单片机类型能够满足未来升级换代的选择性，从而最大限度的满足经济性的条件。
本设计选用的AT89C51单片机芯片是美国ATMEL公司的产品。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEAROM—Flash Progra1mmable and Erasaable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位单片机，数据可重复擦除。该器件使用了ATMEL公司所研发的最先进的高密度存储制造技术，并可与工业级别的MCS-51指令集与阵脚所兼容。正式因为以上优点，AT89C51在不失工作性能与存储性能的同时更兼具了灵活与成本低廉等特点。故而在控制领域得到了极其广泛的应用。AT89C51的芯片如图2.1所示。
图2.1 AT89C51的外观及针脚
2.2.2 温、湿度传感器的选型
在目前市场上众多的流行温度湿度传感器主要分为两种。即分立式与集成式:分立式传感器就是采用各自的温度检测探头与湿度检测探头分别采集数据，然后将两个传感器采集的实时信息分别送入单片机相应的I/O接口，单片机通过采集两个接口的信息然后再进行数据处理，通过以上流程可知，分离式使用较为繁琐并占用更多的数据资源。而集成式正是解决了这个缺点，将温度检测，湿度检测合成一个传感器。并继承了两种器件的全部功能。综上所述，本系统采用集成式的DHT11温湿度传感器。DHT11 是数字温湿度传感器系列中的插针型传感器，如图2.2所示，温湿度探头集成了温敏元件与湿敏元件，并聚合在一个芯片后传输数据。
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图2.2 DHT11温湿度传感器
DHT11体积仅为为7.65mm×5.08mm×2.35mm和耗电电流在工作时为550μA, 休眠为3μA，平均为28μA，因而具有体积小，功耗小等特点。当家居环境温度越限时，报警信号可产送至终端设备，实现报警功能。DHT11湿度量程范围是0%RH～100%RH,温度量程范围是-42℃～125.2℃，测量分辨率分别为 12bit（温度）、14bit（湿度），在高速或超低功耗的应用中也可分别降至11bit 和7bit。同时还具有电源电压监测功能，可监测到Vdd电压低于 2.51V 的状态，精度为± 0.05V通过以上分析，可以作为家居温湿度传感器使用。
2.2.3 甲醛气体监测模块选择与论证
目前市场上流行甲醛监测传感器主要分为：电化学传感器、光学传感器和光生化传感器等。其中光学传感器本身体积较大，使用陈本价高，因此不适用于实时监测系统。而光生化传感器本身在其测量元件酶的活性以及其它因素可能导致传感器不稳定，大大降低了系统可靠性。
电化学传感器正是弥补了上述类型的缺点，成本低，易生产，性价比高。非常适用于家居环境检测。因此，本设计中采CH2O/C-10电化学传感器,如图。
图2.3 CH2O/C-10甲醛气体检测器
2.2.4 PM2.5监测模块选择与论证
PM2.5指空气中空气动力学当量直径小于2.5UM的细小固体颗粒物质。它们在空气中悬浮时间越长，其浓度越高，空气污染越严重。具有小粒径、大面积、强活性等特点，易吸附重金属等有毒物质，而且在空气中的滞留时间长、扩散距离远。现有技术下，检
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测、的方法主要有重量检测法、微量振荡天平法、射线检测法、光散射检测法。由于光散射法具有检测速度快、重复性好并且可实现在线检测等优势，所以被广泛应用，本文采用夏普 GP2Y1010AU0F 光学空气质量传感器。
图2.4 GP2Y1010AU0F PM2.5传感器
2.3 家居空气质量监测系统总体设计框架
本系统以AT89C51单片机为核心，主要包括传感器温湿度采集，传感器气体采集，A/D模/数转换，LCD液晶显示，声光报警等部分。
系统通过搭建的传感器元件采集家居中温湿度，甲醛含量以及PM2.5含量，并实时显示上述采集数据。此外，采集上来的数据与单片机内部设定的整定值比较。当数据不合标准时发出报警信号并开启相应设备通知家居主人。系统整体设计如图2.5所示
LCD显示PM2.5采集A/D转换单片机声光报警甲醛采集温湿度采集 图2.5 家居环境质量监控系统整体框架
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