第二屆“暢學杯”電子設計大賽------- 室內環境檢測語音報警系統

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第一章 任務要求概述

1.1任務目標

喜乐彩什么时候开奖 www.oqxml.com 設計出一款可以監測環境主要參數的環境監測儀,并帶有語音報警功能。同時在有人進入時進行語音播報監測數據。

1.2任務要求

本設計利用MCS-51系列單片機,配合傳感器,設計出一款環境測試監測儀,可以檢測周圍環境的溫度、濕度、空氣質量和可燃性氣體,通過液晶以簡單直觀的方式顯示出來。  溫度、濕度和空氣質量(每2秒左右刷新一次)同時顯示,測量的誤差不超過1%,當空氣中可燃性氣體超標時發出報警。并且在有人進入時,會通過手機進行當前環境參數的播報。

 

 

第二章  系統整體方案選擇

    傳感器是整個系統中的核心,其直接決定了系統的穩定性,實用性。是整個系統數據的源頭。傳感器選擇的適用性是整個系統能否成功的第一步。

 

溫度、濕度??櫸槳稈≡?/p>

 

第一種方案

 以傳統的電阻電容傳感器,濕敏元件和溫感電阻為基礎增加ad轉換???,將模擬信號轉換成數字信號提供給單片機處理得到數值。

優點,傳統的電阻電容傳感器及其便宜,經過ad轉換后單片機無需復雜軟件處理。

缺點,模擬信號輸出的傳感器數據傳送要經過ad轉換時間比較長。

     溫度濕度必須分開成兩個傳感器來分別測量數據。

       Ad占用大量io口尤其對于io口比較緊張的51系列單片機來說影響更大。

     

第二種方案

以數字溫濕度傳感器通過iic總線協議傳輸數據到單片機得到溫濕度數據

  優點

免去了ad的本身延遲,得到的數據更為實時。數字傳感器的精度更高、更穩定。

只占用1個io口,與ad相比節約了大量的io資源

  缺點  

iic總線協議帶來的軟件復雜性提高。讀取的時間較長

  數字傳感器成本較高。

綜合考慮,我們選擇第二種方案,以數字型溫濕度傳感器為基礎收集數據。具體傳感器型號選擇了由奧松電子dht22.(asm2302)

Dht22含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中,傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。極低的功耗,信號傳輸距離可達20米以上。為4針單排引腳封裝。對溫度量程在(-20℃—80℃),精度可達±0.2℃,對濕度測量精度在±0.3范圍內。采用單總線協議與單片機相連。整體刷新一次在2s左右。滿足設計需要。

 

可燃性氣體監測報警

傳感器選擇標準

城市家庭中主要使用的可燃性氣體燃料為天然氣、和煤氣。傳感器選擇要優先考慮對這兩種氣體燃料的監測靈敏度。

輸出信號可直接通過與單片機io口連接讀取。

基于以上兩點選擇mq5可燃性氣體傳感器。

Mq5可燃性氣體傳感器,對天然氣,城市煤氣有較好的靈敏度。對乙醇,煙霧幾乎不響應。并且響應快、恢復快,具有靈敏度高的特性。有兩條輸出信息口。一種是a0口通過模擬電壓形式顯示當前環境中的可燃性氣體水平。一種為d0口輸出TTL電平。在可燃性氣體水平異常升高時輸出低電平報警??劑康皆黽涌扇夾云寮嗖獾哪康鬧饕羌笆奔嗖獗ň鑰扇夾云逅絞薟⑽尢笠?。且a0轉換要經過ad存在相當的延遲。選擇d0口直接輸出TTL電平形式在監測到異常的可燃性氣體上升時,語音報警。

語音報警通過isd18b20實現,當mq5檢測到低電平后,isd18b20進行語音提示。Isd18b20的提示音事先已錄制。用戶也可以自行自定義。

 

空氣質量監測

第一種方案

  采用mq135空氣質量傳感器,通過1個ad轉換??櫚玫嬌掌柿渴?/p>

MQ135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污染氣體時,傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。

優點

電路簡單,價格相對更便宜

缺點

監測范圍是一些污染氣體氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高,和煙霧和其它有害氣體。

得出的只是一個級別,不能得出具體的數值。

Ad占用大量io口

 

第二種方案

采用GP2Y1010AU0F傳感器通過單片機產生PWM型波形控制,輸出的電壓值與空氣中粉塵的數值上成正比。通過ad轉化傳輸給單片機。

GP2Y1010AU0F是一個檢測灰塵,粉塵的光學傳感器。是由紅外發光二極管和光敏晶體管組成的。能由反射光檢測到,在空氣中的灰塵。檢測能力是大于0.3um以上的空氣微粒。在單片機給出輸入脈沖后經過三極管驅動,在給傳感器3號腳。輸出端輸出此時電壓值,中間轉換倍數k的確認一般為500.與各地情況有關。

優點

監測的精度大大提高,可以精確到小數位。

缺點

Ad占用io口。

傳感器的驅動程序極其復雜,對pwm波的要求極其精確。在長時間使用后要led燈會有一個衰減函數。要在主程序中依照這個衰減函數對數據進行補償。衰減函數是一個指數函數難以加入程序。

 

第三種方案

采用GP2Y1050AU0F傳感器,通過串口將數據傳給單片機處理。每10ms一次。

GP2Y1050AU0F傳感器與GP2Y1010AU0F檢測精度上基本相同,在GP2Y1010AU0F的基礎上增加了內置的mcu,把控制函數,按時間補償函數等驅動程序集成在了mcu之中。在模擬電壓輸出基礎上增加了串口輸出。波特率2400.

優點

大大簡化了主程序的負擔,輸出結果也更加精確,節約了大量io口

缺點

與GP2Y1010AU0F相比成本高出10元。

 

綜合考量我們選擇第三種方案采用GP2Y1050AU0F傳感器,以保證空氣質量的精確程度,同時,為了保證監測的準確性,添加了小風扇進行空氣的流通,通過大量的實驗,確定小風扇的關鍵性。

 

顯示???/p>

溫度濕度是兩位數據帶一位小數??掌柿渴僑皇荽晃恍∈?。

確定使用1602液晶顯示傳感器讀數。

 

測距???/p>

  測距??槭迪旨嗖廡腥私齙那榭?,選用的是HC-SR04超聲波測距??楹凸獾绱釁?,兩個傳感器配合使用,實現監測進出情況的功能。

 

藍牙???/p>

  藍牙??椴捎么車腍C-06從機???,與手機進行無線串口通行

 

語音???/p>

第一種方案

  采用ISD1760進行語音的播報

  優點

  1760芯片具有60秒的錄音時間,同時可以改變震蕩電阻決定芯片的采樣頻率,從而延長錄音時間,存儲內容可斷電保存,內置多信息管理系統,新信息提示,可處理多達255段以上的信息,芯片內部包含自動增益控制、麥克風前置擴大器、揚聲器驅動線路、振蕩器與內存等的全方位整合系統功能,采用SPI模式進行通信。

  第二種方案

采用ISD1820進行語音播報

  1820具有十秒的簡易語音播報功能,能夠進行簡單的語音提示功能。

  

 

 

電源???/p>

系統中所有??槎際怯?v直流直接供電。GP2Y1050AU0F對電壓準確性要求較高。在電壓偏離大于±0.3時不能正常工作。選擇220v ac—5v-dc供電。并保留電池供電接口提高了系統的適用性。

 

第三章 系統硬件的構建

 

單片機最小系統

單片機的最小系統就是讓單片機能正常工作并發揮其功能時所必須的組成部分,也可理解為是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。對51 系列單片機來說, 最小系統一般應該包括: 單片機、時鐘電路、復位電路、輸入/ 輸出設備等。

 

一、單片機最小系統

 

 

P0口:P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口,每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時,引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時,P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下,P0不具有內部上拉電阻。

P1口:P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口,P1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1 端口寫“1”時,內部上拉電阻把端口拉高,此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時,被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因,將輸出電流(IIL)。

P2口:P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2輸出緩沖器能驅動4個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時,內部上拉電阻把端口拉高,此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時,被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因,將輸出電流(IIL)。 

P3 口:P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口,P3輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時,內部上拉電阻把端口拉高,此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時,被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因,將輸出電流(IIL)。 

RST——復位輸入。當振蕩器工作時,RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。

 

二、時鐘電路

在設計時鐘電路之前,讓我們先了解下51 單片機上的時鐘管腳:

XTAL1(19 腳) :芯片內部振蕩電路輸入端。

XTAL2(18 腳) :芯片內部振蕩電路輸出端。

XTAL1 和XTAL2 是獨立的輸入和輸出反相放大器,它們可以被配置為使用石英晶振的片內振蕩器,或者是器件直接由外部時鐘驅動。在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時元件(一個石英晶體和兩個電容),內部振蕩器便能產生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2 ~ 12MHz 之間任選,甚至可以達到24MHz 或者更高,但是頻率越高功耗也就越大。在本實驗套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并聯的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響,可以起到頻率微調作用。當采用石英晶振時,電容可以在20 ~ 40pF 之間選擇(本實驗套件使用30pF);當采用陶瓷諧振器件時,電容要適當地增大一些,在30 ~ 50pF 之間。通常選取33pF 的陶瓷電容就可以了。

 

三、復位電路

在單片機系統中,復位電路是非常關鍵的,當程序跑飛(運行不正常)或死機(停止運行)時,就需要進行復位。

MCS-5l 系列單片機的復位引腳RST( 第9 管腳) 出現2個機器周期以上的高電平時,單片機就執行復位操作。如果RST 持續為高電平,單片機就處于循環復位狀態。

復位操作通常有兩種基本形式:上電自動復位和開關復位。上電瞬間,電容兩端電壓不能突變,此時電容的負極和RESET 相連,電壓全部加在了電阻上,RESET 的輸入為高,芯片被復位。隨之+5V電源給電容充電,電阻上的電壓逐漸減小,最后約等于0,芯片正常工作。并聯在電容的兩端為復位按鍵,當復位按鍵沒有被按下的時候電路實現上電復位,在芯片正常工作后,通過按下按鍵使RST管腳出現高電平達到手動復位的效果。一般來說,只要RST 管腳上保持10ms 以上的高電平,就能使單片機有效的復位。圖中所示的復位電阻和電容為經典值,實際制作是可以用同一數量級的電阻和電容代替,讀者也可自行計算RC 充電時間或在工作環境實際測量,以確保單片機的復位電路可靠。 

Dht22溫濕度???nbsp; 

單總線接口 DATA用于微處理器與AM2302之間的通訊和同步,采用單總線數據格式,一次通訊時間5ms左右。

數據傳輸為40bit,高位先出。數據格式:40bit數據=16bit濕度數據+16bit溫度數據+8bit校驗和例子:接收40bit數據如下:

0000001010001100000000010101111111101110 

濕度數據溫度數據校驗和=濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位         例如:00000010+10001100+00000001+01011111=11101110濕度=65.2%RH溫度=35.1℃

 當溫度低于0℃時溫度數據的最高位置1。

例如:-10.1℃表示為1000000001100101用戶主機(MCU)發送一次開始信號后,AM2302從低功耗模式轉換到高速模式,等待主機開始信號結束后,dht22發送響應信號,送出40bit的數據,并觸發一次信號采集。(注:主機從AM2302讀取的溫濕度數據總是前一次的測量值,如兩次測量間隔時間很長,連續讀兩次以獲得實時的溫濕度值)

空閑時總線為高電平,通訊開始時主機(MCU)拉低總線500us后釋放總線,延時20-40us后主機開始檢測從機(AM2302)的響應信號。 從機的響應信號是一個80us左右的低電平,隨后從機在拉高總線80us左右代表即將進入數據傳送。

高電平后就是數據位,每1bit數據都是由一個低電平時隙和一個高電平組成。低電平時隙就是一個50us左右的低電平,它代表數據位的起始,其后的高電平的長度決定數據位所代表的數值,較長的高電平代表1,較短的高電平代表0。共40bit數據,當最后一Bit數據傳送完畢后,從機將再次拉低總線50us左右,隨后釋放總線,由上拉電阻拉高。

GP2Y1050AU0F傳感器

串口輸出參數 

     1) 波 特 率:2400 bit/s; 

     2) 每10ms發送一個字節,共7個字節,其中校驗位=Vout(H)+ Vout(L)+Vref(H)+ Vref(L); 

     3) 數據發送格式: 

起始位 Vout(H) Vout(L) Vref(H) Vref(L) 校驗位 結束位 

0xaa 如:0x01 如:0xe0 如:0x00 如:0x7a 如:0x5b 0xff 

     4)數據處理: 

      接收到的數據按公式計算后得到Vo的值:Vo=(Vout(H)*256+Vout(L))/1024*5 

例如:Vout(H)=0x01,轉換為10進制為1; 

Vout(L)=0xe0,轉換為10進制為224; 

      得到Vo的數值后,乘以系數K即可得到灰塵濃度值:灰塵濃度=K*Vo

1602液晶顯示???/p>

州仔 發表于11-15 15:53 瀏覽8970次
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已有1條評論

  • 子不語
    子不語02-22 21:39

    請問用gp2y1010au0f傳感器做過嗎?有問題能否問一下?

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