基于单片机的环境监测系统开题报告

本科毕业论文（设计）开题报告

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电子信息工程

论文（设计）题目

基于单片机的环境监测系统

选题的目的和意义：

随着电子技术的迅猛发展，环境监测的方法也不断改进，尤其是以计算机系统为基础的环境监测手段更加方便、快捷，广泛适用于农业温室控制和日常家庭生活等。随着社会的不断发展，人们对农产品的需求越来越高，传统能也生产方式已经远不能满足社会的需要，而随之诞生的现代农业技术愈来愈受到人们的青睐，温室大棚就是其中一种。我们知道，农作物的生长受到光照、温度、湿度和压强等多重因素的共同作用，而温室可以借助计算机系统模拟植物生长的气候条件，提供最佳的生长环境以避免因外界恶劣气候等不利因素的影响，进而提高农作物的产量。此外，室内空气质量对人们的日常生活也产生了重要影响，适宜的温湿度能给人舒适感，而有害气体的散发却严重损害人体健康。因此，如何控制室内温度、湿度、气压等影响空气质量的因素显得至关重要。而传感器技术的发展为我们解决这个问题找到了突破口，我们可以运用单片机配合传感器实时采集环境数据并进行处理实现

自动控制。

文献综述（国内外研究现状、研究方向、进展情况、存在问题等，并列出所查阅的主要国内外参考文献，要求3000字以上）：

1、国外研究现状、研究方向及发展趋势

国外对于环境监测技术的研究较早，就温室控制而言，始于20世纪70年代。从组合仪表，采集、记录、控制待监测地信息到80年代末的分布式控制系统再到目前正在研发当中的基于计算机的数据采集的综合控制系统。历经四十多年的发展，环境监测测控制技术日新月异，研制自动化、微型化、无人化的智能监测控制系统成为各国追求的目标。在日本，凭借其先进的计算机技术，将各种植物生长发育不同阶段所需要的环境因素编写成计算机程序，对温室环境因素进行相应的调节，当某一因素发生变化时（如光照），在计算机的控制之下其他因素（如湿度、温度、CO2浓度等）随之作出适当的修正或调整，始终保持各个环境因素为最佳配合状态，另外，为实现播种、浇灌、喷药等作业的自动化，日本还研制了蔬菜塑料大

棚。在荷兰，花卉生产技术非常先进，借助计算机系统对玻璃温室进行精确控制。由英国伦敦大学农学院发明的温室计算机遥控技术实现了远程监控和控制，可以监测和遥控50km以外温室的温度、湿度、光照和CO2浓度等影响作物生长的环境因素。在蔬菜、花卉等农作物的生长和发育阶段，美国和荷兰还利用差温管理技术对其进行控制，生产出了适合社会需求的产品。韩国在温室安装的自动控制装置可以控制温室的光照等环境因子，但其表现并不尽如人意，人们往往需要依据经验才能实现控制。在现代科技农业的发展过程中，以色列走在了世界的前列，它拥有一体化智能温室控制系统，配套监控系统软件平台及其他先进设备，使其有限的农业资源得到充分发挥。

当前，节约能源、降低成本成为国外发展温室控制的重要目标，对设备的自动化提出更高要求，控制因子由调控单因子转向多因素综合调控。就室内温室环境监测而言，在早期人们采用实验分析室内环境状况，由于数据分析需要一段时间，所以这种方式实时性较差。随着传感器技术和信息处理技术的发展，室内环境监测的手段步入了一个崭新的时代，监测系统更加智能化，实时性大大提高。

2、国内研究现状及研究方向

我国研究环境监测系统的起步较晚，就温室控制技术而言，始于20世纪80年代，那时生产水平不高，技术设备比较落后，对环境监测的研究能力有限，更多的需要从国外引进相关设备，再加上研究经费太高，对使用者的素质要求较高，因此大规模推广使用很难实现。在吸收、借鉴国外先进技术的基础上，我国研究环境监测的相关工程人员逐渐掌握了这种技术。随后，从欧美等国家引进的连栋温室，把原有的独立单间温室，用科学的手段、合理的设计、优秀的材料将原有的独立单间模式温室连起来，连栋温室是温室的一种升级存在。在当时，工程人员只盲目关注温室设备，对温室管理、栽培技术的挖掘、研究和开发没有给予足够的重视，再加上设备能耗高，管理不善，最终导致企业亏损，甚至倒闭。前车之鉴，“九五”初期，我国又从以色列进口温室技术供相关的工程技术人员学习和使用，并在北京建立示范农场。从90年代中后期开始，我国开始自主研制环境控制系统，钻研温室栽培和管理等技术，温室大棚不仅数量增加，而且相关配套设施和材料的质量也有所提升。1995年以后，我国相继研发了温室环境计算机监控系统、工控机管理系统、智能温室系统、和蔬菜大棚监控系统等一列环境监控系统，在温室控制技术上，我国取得了不少成果。

研究方向

随着近几年来科学的发展和人们的需要，温湿度监测设备也变得小型、快捷，方便起来。新型数字仪表的发展趋势主要有几个方向：

低电压，低功耗，低价格

在单片机为核心的设计基础上，其大量应用于携带式产品和家电消费类产品以及其应用面广、应用量大，低电压、低功耗和低价格也在很大程度上方便了人们使用。

向高性能和高准确度方向发展

由于集成度的进一步提高，数字技术的出现把模拟仪器的准确度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别参量的测量转变成测量整个系统的特征参数，从单纯的接受、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。

(3)高稳定性和高可靠性

在各行业的需求量增加及要求不断的提高及仪器仪表和测控系统应用领域的不断扩大，可靠性技术在航天航空、电力、石油化工等大型工程和工业生产中起到维护正常工作的重要作用。保障现场仪器仪表的测控系统正常工作的计量仪器也要求高稳定性和高可靠性。

(4)方便携带性

计量仪器的应用场合已经不再局限于实验室，户外作业的需求更加迫切。现场校准还是环境

保护的现实需求都需要便携式计量仪器。超大规模集成（VLSI）新器件、微机电系统（MEMS）、圆片规模集成（WSI）和多芯片模块（MCM）等；采用微控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、微分光光学系统、微传感器等，使计量仪器产品体积缩小，精度提高成为可能。最新的进展

环境空气质量自动监测系统是基于干法仪器的生产技术、利用定电位电解传感器原理、结合国际上成熟的电子技术和网络通讯技术研制开发出的最新科技产品。该系统符合国家对城市环境空气自动监测系统的各项技术指标要求，国产化程度高，可替代同类进口产品，是开展城市环境空气自动监测的理想仪器。

环境空气质量自动监测系统是一套以空气质量监测仪器为核心的自动测控系统。而空气质量监测仪器一般采用湿法和干法两种方式，湿法的测量原理是库仑法和电导法等，需要大量试剂，存在试剂调整和废液处理等问题，操作繁琐，故障率高，维护量大；干法则基于物理光学测量原理，利用顶电位电解传感原理，样品始终保持在气体状态，没有试剂损耗，维护量较小，具有较强的实用性和理想的性能价格比。空气质量监测仪器在经历了第一代湿法仪器、第二代干法仪器后，近年来一种基于差分吸收光谱法(也称长光程法，英文简称DOAS。)原理的监测仪器开启了空气质量监测仪器的第三个时代，不仅能够分时测量SO2、NO2、O3三个主要参数，还能测量THC(总碳氢)、CH4、NMHC(非甲烷总烃)、BTX(苯系物)等有机污染参数，被广泛应用于大气成分研究，

近年来，国外已经开始发展灵敏度更高的长光程吸收光谱仪，区别于DOAS，这种仪器是基于激光光源进行监测，但目前尚处于试验阶段。同时，激光雷达技术具有距离分辨率高和实时测量范围较大等特点，在环境监测应用方面已得到了国际范围内的广泛重视，目前已成为空气质量自动监测系统发展的新方向。另外，通过卫星遥感数据、地面观测数据结合后向轨迹模型、空气质量预报模型构建天地空一体化的大气环境监测和预报系统，可对大气环境形成一个立体的、全方位的认识，这也是目前环境空气质量自动监测系统的发展趋势之一。国内存在的问题

（1）、环境监测理论研究滞后

理论源自实践又指导实践。环境监测事业的科学发展离不开的科学理论指导。近年来，全国环境监测在实践上取得了较大突破。业务领域从最初的"三废"监测，发展到了空气、地表水、近岸海域、噪声、生态、酸雨、生物、沙尘暴、土壤、污染源等众多领域，从简单的二氧化硫、重金属、化学需氧量监测 发展到了有机污染物、农药、持久性有机物、环境激素、温室气体等多要素的综合性监测环境监测范围从以城市为中心的环境污染监测，发展到流域、区域的生态环境监测乃至全球性重大环境问题监测 环境监测技术水平从手工采样监测、发展到自动在线连续监测和空间遥感监测，环境监测仪器设备向高、精、尖和自动化方向发展初步建立了一整套环境监测技术和标准方法体系，初步具备了说清全国环境质量的能力。但是，在环境监测实践快速发展的形势下，与之相对应的环境监测理论研究却出现了滞后。迄今为止，无论是各级政府部门还是环境监测机构，对于环境监测的定位，还简单停留在为管理服务的"辅助工具"和"手段"这一层次上，而没有将其视为一个完整的工作体系，作为一门专门学科加以研究和建设，对环境监测本质、内涵、特性、规律 特别是对环境监测与环境管理之间的内在关系、环境监测在环保工作中的地位和作用、环境监测目前所处的历史方位和将来的发展走向等问题，思考不深、研究不透。导致在现实工作中，究竟是以环境管理的需求指挥环境监测，还是以环境监测所得出的科学结论引导环境管理决策的问题上 争论不休 纠缠不清。新形势下 全国环境监测事业的科学发展需要一个科学的总体设计，而这个总体设计能否具有前瞻性、科学性、针对性和指导性，又取决对对环境监测本质、内涵、特性、规律等理论问题的深刻把握，进而将其融入国家环境保护的战略全局系统筹划、通盘考虑。而当前理论研究的滞后所导致的认知模糊，已经影响了对整个环境监测事业发展的战略

规划，造成实践上的盲目。这是制约当前环境监测事业科学发展的深层根源。

、是环保部门在对全国环境监测的技术主导上"力不从心"

环境监测是一项技术性、科学性很强的工作，包括了布点、采样、分析检测、数据处理、数据传输、综合评价等多个技术环节，涉及到人员、仪器、方法、标准、操作过程等诸多方面，要想从根本上解决各部门环境监测数据质量"良莠不齐"的现状，必须从国家层面对各部门开展环境监测工作的诸多环节和因素进行统一的技术监督，这就要求环保门必须具备相当的技术主导实力，在环境监测技术体系建设、环境监测质量管理体系建设、环境监测科研能力方面相对其他部门技高一筹。而从目前环保部门监测系统的实际潜能看，近年来仅配合污染减排和污染防治开展相关监测，完成环境应急监测任务等已经超负荷运转，在能力拓展，特别是在监测技术上引领其他部门监测显得心有余而力不足。

3、参考文献

[1] 张吉香，万大娟，董洪梅.国内外环境监测平台研究进展.环境研究与监测，2014，27：42～44

[2] 宁欣，苗青林，李晓敏. 基于单片机的环境监测系统设计. 河南科技学院学报(自然科学版)，2008，36：75～77

[3] 钟钢. 国内外温室发展历程、现状及趋势. 农业科技与装备，2013，9：68～69

[4] 涂瑞. 基于ARM的远程室内环境监测系统[D].长沙：湖南大学, 2014：1～57

[5] 于波. 基于单片机的室内环境监测系统设计[D].青岛：中国海洋大学, 2011：1～28

[6] 谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计.第3版.北京：清华大学出版社，2014

[7] 刘迎春，王磊C语言程序设计.西安电子科技大学出版社，2008.08.

[8] 杨帆，秦会斌.传感器技术.西安电子科技大学出版社，2008.09.

[9] 清源计算机工作室.Protel 99SE 原理图与PCB及仿真.机械工程出版社，2004.01.

[10] 陈卫兵，宋健娟.单片机原理及应用.西安科技大学出版社，2008.07.

[11] 周兴华.手把手教你学单片机C语言程序设计.北京航天航空大学出版社，2007.08.

[12] 杨碧石，何其贵.模拟电子技术基础.北京航天航空大学出版社，2006.01.

注：不够可加页。

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主要研究内容：

1、研究目标：本文基于单片机实现PM 2.5、温度、湿度、光照强度、大气压强的实时监测。当五个被测环境参数中的任何一个超过设定范围，系统会发出警报提醒外界进行干预控制。

2、研究对象：本课题主要对PM2.5，温度，湿度，光照和大气压强等五个环境因素进行监控。

3、拟解决的问题：

（1）使用传感器采集环境数据，并对其中的模拟量进行模数转换，以便于单片机处理；（2）了解单片机最小系统及典型模块的电路设计，掌握基于典型外围电路如测温度、测湿度、测光照等的软件设计，实现用单片机对所采集的数据进行处理；

（3）实现RS232串口通信和1602液晶屏的程序设计，解决数据的传输、显示及排列问题；（4）完成单片机与按键联合工作的程序设计，实现数据的手动设置。

创新之处（如无可不填）：

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研究路线、方法、措施及实践方案或实验设计：

1、通过查阅资料，明确本系统的研究对象及实现功能，对本系统软硬件设计进行划分并提出具体的实现方案；

2、确定系统的总体设计方案，包括其功能设计，电路工作原理；

3、进行系统的硬件电路设计，包括硬件电路构成、测量原理以及单片机的选择；

4、建立单片机软件开发环境，掌握对KEIL C51软件的使用；

5、根据所设计的硬件原理图，在分析透彻其工作原理的基础上，完成各部分的软件流程设计并编写相应的程序代码，必要时查阅相关的数据手册和使用说明书等资料；

6、根据课题要求达到的功能，实现外围电路各部分电路程序的有机整合，完成课题主程序及相关函数代码的编写；

7、进行系统调试，验证系统功能，并根据实际调试的结果修改与完善程序流程与代码；

8、总结课题设计的过程和结果，整理相关资料，撰写毕业设计论文。

指导教师意见：

签字：

年月日

学院意见：

签字：

年月日