论文总字数：25634字

目 录

1 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.1.1背景 1

1.1.2意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容 3

1.4 本章小结 3

2 系统整体方案设计及硬件选择 4

2.1监测系统总体要求 4

2.1.1 系统设计原则 4

2.1.2 系统实现功能 4

2.2 监测系统主要硬件选型 4

2.2.1 GSM 无线传输模块 4

2.2.2 主控制单片机 5

2.3 系统整体结构 5

2.4 本章小结 6

3 系统的硬件电路设计 7

3.1 单片机MSP430F149及其外围电路 7

3.1.1 MSP430F149概述 7

3.1.2 单片机最小系统 8

3.1.3 时钟电路 9

3.1.4 复位电路 10

3.1.5 ADC12模数转换模块 11

3.2 GSM模块电路 11

3.2.1 TC35模块介绍 11

3.2.2 TC35模块外围电路 12

3.3 DHT11温湿度传感器电路 15

3.3.1 DHT11的工作原理 15

3.3.2 DHT11的检测电路 15

3.4 MQ-7 气敏传感器电路 16

3.4.1 MQ-7的工作原理 16

3.4.2 MQ-7的检测电路 18

3.5 GP2Y1010AU0F粉尘传感器电路 19

3.5.1 GP2Y1010AU0F的工作原理 19

3.5.2 GP2Y1010AU0F的检测电路 20

3.6 LCD1602液晶显示电路 20

3.6.1 LCD1602的工作原理 20

3.6.2 LCD1602显示电路 21

3.7 按键电路 22

3.8 本章小结 23

4 系统的软件设计 24

4.1 单片机程序设计 24

4.2 功能模块程序设计 26

4.2.1温湿度检测模块子程序 26

4.2.2 CO检测模块子程序 27

4.2.3 PM2.5检测模块子程序 28

4.2.4 LCD显示模块子程序 29

4.3 本章小结 29

5 系统调试 30

5.1 无线通信模块TC35的调试 30

5.2 系统功能模块的调试 30

5.3 本章小结 32

6 总结 33

参考文献 33

致谢 35

附录1 系统原理图 36

附录2 源程序代码 38

基于单片机和GSM的家庭环境监测系统的设计

张倩

,China

Abstract: In daily life，monitoring environmental parameters of domestic environment to coordinate daily household appliances constructs a safe and healthy living environment ,which can not only improve the quality of people's life effectively but also reduce accidents and loss of bodily injury. In this paper, a family environment monitoring system based on microprocessor is designed. Indoor temperature and humidity values and concentration of CO and PM2.5 are collected by temperature and humidity sensors DHT11, gas sensors MQ-7 and dust sensor GP2Y1010AU0F respectively. The analog signal is converted to the digital signal by A/D converter, and the results will be displayed on the LCD screen after the analysis and processing by microcontroller. When the concentration of CO reaches the set upper limit, the alarm information of the concentration of CO will be sent to mobile terminals by GSM wireless communication module, which supports short message service. Some shortcomings that ordinary measuring instruments are expensive and the measurement parameters are single have been overcame by this system, and also some functions that the acquisition and real-time display of these data (temperature, humidity, concentration of CO, concentration of PM2.5) and SMS alarm have been realized by the system.

Key words: SCM; GSM; temperature and humidity; concentration of CO; PM2.5

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1背景

随着科技的进步和社会的发展，空调，加湿器，空气净化器等各种产品日益普及，人们对自己的家庭生活环境越来越重视，且空气质量与人们的生产生活息息相关，目前，越来越多的人患上了不同程度的呼吸道疾病，虽然现在的科技比较先进，基本上每家每户都装有空调、加湿器和空气净化器等家用电器，但是频繁地开启这些家电不仅费电，是对于国家资源的一种浪费，更容易患上最近几年兴起的“空调病”和“加湿器肺炎”，而且，每家每户基本都有煤气灶，对于使用煤气的安全问题就不得不进行考虑，如煤气中毒、煤气泄漏、煤气爆炸等事件频频发生。因此，如果我们能设计并制造出一种便宜且便携的家庭环境监测系统，不仅能够使人们有目的并且恰当地使用家用电器，更加避免了一些存在的家庭隐患酿成悲剧的问题。所以，设计出这样一款简单方便的监测系统迫在眉睫。随着最近科技的不断发展，短消息服务(SMS)和通用分组无线服务(GPRS)等数据业务日渐成长，GSM网络信号覆盖范围广、网络接入设置灵活、没有布线这一复杂工序，打破了空间的限制，从而可以实现全国以及全球漫游监控[10]。短消息(SMS)利用信令信道传输，直接将要发送的信息以及它的目的地址发送至短消息服务中心，再通过服务中心发送给终端[11]。SMS传输具备实现简单，通信成本低，且不受时间空间以及使用人群的限制等优点，目前，GSM无线通信模块被越来越多地应用于各类产品中。

1.1.2意义

本系统是在受温室温度监控远程报警系统及智能家居环境监控系统的启发下，结合目前国内外的研究现状，以及国内人们的生产生活水平所设计的。系统选取温度、湿度、有害气体（CO）浓度、PM2.5浓度这几个与人生产生活息息相关的主要环境参数作为监测对象，设计了使用单片机MSP430F149作为控制模块，再通过TC35模块与手机相连，通过发送报警短消息(SMS)给手机用户的方式进行对CO的监控报警。本系统的设计目的在于设计出一款操作简单且便宜的家用环境监测系统，适用于各地区、各年龄层的人群使用，方便一些贫困或偏远地区、无WIFI覆盖地区或高龄人群的使用。

本系统提出一种基于单片机和GSM短消息的家庭环境监测系统，是将实时采集到的环境数据（温度、湿度、CO浓度、PM2.5浓度）经过单片机的分析处理，将其结果显示于LCD液晶屏上，可利用键盘电路对CO浓度值设置上限，当CO浓度达到设定上限值时，再利用支持短消息业务的GSM模块（TC35）向手机终端发送CO浓度报警信息，从而实现对家庭环境的实时数据的监测，以便协调日常家用电器及时对家庭环境的温度湿度以及空气质量进行调整，防止煤气中毒等事件的发生，营造适合生活的舒适家居环境。本设计结构简单、传输可靠、成本合理，可应用于多种场合。

1.2 国内外研究现状

现有的家庭室内环境监测设计大多是针对单参数的便携式检测仪,如国内的科尔诺GT-903-CO泵吸式一氧化碳检测仪（图1-1）和PM-300激光尘埃粒子计数器（图1-2），适用于各种无尘车间、洁净室、公共环境等场所的粉尘粒子浓度监测，采用进口电化学/红外吸收气体传感器和微控制器技术，适用于各种工业环境和特殊环境中的气体浓度检测，虽然其响应速度快，测量精度高，但是其检测手段死板，价格昂贵，测量数据单一，且不具有实时监测报警功能。这种检测仪器固然稳定可靠但是其使用价值被严重的约束了，它的实时性和对安全隐患的可预见性没有得到很好地发挥。

图1-1 科尔诺GT-903-CO泵吸式一氧化碳检测仪 图1-2 科尔诺PM-300激光尘埃粒子计数器

国外的一款智能家居环境监测仪名为Netatmo Weather Station（图1-3）。它拥有两个传感设备，分别置于室内和室外，作用在于检测周围的环境，从而及时反映室内外空气质量、温度、湿度、气压、噪音和二氧化碳浓度等信息。这些实时信息可通过无线网络传送到用户的手机、平板和电脑的应用程序上。用户只需在两个传感设备中安装电池，并使较为高大的主机连上wifi，便可通过app浏览数据。但是，此监测仪价格昂贵，且实用性不强，普通家庭并不需要测量如此多不必要的环境参数，更重要的是，它没有实时显示屏，对于一些没有Wifi的地区或者不会使用智能手机的用户来说，更加不具有实用性。

图1-3 Netatmo Weather Station

1.3 研究内容

近年来，空气污染趋于严重，空气质量也越来越差，随着科技的进步和社会的发展，空调、加湿器、空气净化器等各种产品日益普及，人们对自己的家庭生活环境越来越重视，所以研究设计可靠性好并实用性强的环境参数监测系统迫在眉睫。

本系统旨在设计出一种基于单片机和GSM短消息的家庭环境监测系统，是将实时采集到的环境数据无线发送到数据终端，从而实现对家庭环境的实时监测，以便及时利用各种家电对家庭环境参数进行调整，营造适合生活的家居环境，这种基于单片机和GSM短消息的家庭环境监测系统具备实现简单，通信成本低，且不受使用人群和使用地区的限制等优点。

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