【摘要】本文设计的环境监测系统主要功能是对家庭厨房可能发生的天然气泄漏，以及家庭房间的温度，湿度进行监测。当气体传感器检测到甲烷时，系统自动报警；并且随时感应家庭的温度，从而对家庭环境进行整体的监控。系统基于树莓派开发板，主要是由气体传感器(MQ-2)，温湿度传感器（DTH11），报警电路组成。系统以树莓派（Raspberry Pi）为核心，当树莓派的管脚接收到来自传感器的电信号时，经过程序判断是否对报警电路发出报警信号，对于家庭内的温度,湿度进行实时采集，并且显示在系统中。本文将先对于原理进行阐述，然后提出解决方案，以及对于系统中的硬件电路和软件系统的详细解释
目录
引言 1
一、 系统设计方案 2
(一) 设计系统框图 2
(二) 方案的选择 2
1. 主控芯片的选择 2
2. 气体传感芯片的选择 3
3. 温湿度传感器的选择 3
二、 硬件电路设计 4
(一) 树莓派主板 4
(二) 天然气检测电路 6
1. MQ2简介6
2. 天然气检测电路 7
（三）温湿度检测电路 8
1. DHT11简介 8
2. 温湿度检测电路 9
（四）报警电路 9
三、 系统软件设计 10
(一) 主程序设计 10
(二) 子程序 11
四、 实物制作与调试 12
(一) 实物制作 12
(二) 调试过程中的问题以及解决方法 13
总结 15
致谢 16
参考文献 17
附录1电路原理图 18
附录2 PCB图 19
附录3实物图 20
附录4程序 21
引言
随着城市化的不断加深，天然气以其不含硫、燃烧不产生粉尘，燃值高，不产生温室气体等优点逐渐的被人们所接受，并成为城市家庭的燃料，但由于家庭管道长时间的老化和人的不规范使用可能发生泄漏，而造成不必要的财产损失和人身伤害。对于现在对于天然气的防范主要是在其中加入刺激性气体（四氢噻
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吩）来进行感官警告，但是尽管如此，每年还会发生数起由于天然气泄漏所引发的火灾事故。这套主要针对于家庭中的天然气泄漏的预防系统，具有体积小巧，安装方便，操作简单，并且对于多种可燃性气体，烟雾的检测，家庭环境温度的检测等多方面的监控，集成度高等特点。随着树莓派开发板功能的不断扩展，以及集成化的发展，这套系统将更加的方便，也将逐渐走入与天然气相关的企业，应用范围也将逐步的拓展。
由于对于家庭天然气泄漏所存在的安全隐患的忽视，市面上少有面向家庭用户的天然气检测系统，而企业所使用的专业设备，由于其复杂，不易安装，价格高昂，能耗大，不易维护等等特点，并不能满足家庭用户对于可燃性气体的低精度监测与警报。因此，本系统对于家庭的可燃气体监测系统的开发具有重大现实意义。
系统设计方案
设计系统框图
根据设想，整个系统分为3个模块，通过可燃性气体检测模块检查空气中是否含有危险可燃性气体、温湿度检测模块可以检测家庭环境的舒适度，警报电路模块可以对潜在的危险进行提醒。
系统框图如图1所示。
图1系统框图
由温湿度传感器和可燃性气体传感器读取家庭室内的环境，实时传给主控芯片，实时上传到物联网平台，并带有警报电路。
方案的选择
主控芯片的选择
在最开始的时候，我的设计方案是选择市面上常见的单片机UNO3 (图2)作为主板，但是经过一段实际的实际操作和论证，我发现单片机并不能完成本方案的需求，在性能上和功能上都远不及树莓派主板。比如单片机缺少蓝牙功能，也无法把数据实时上传网络，修改程序也远不如树莓派灵活方便。经过考虑我更换了主板。
图2 UNO3 开发板 图3树莓派开发板
树莓派（见图3）是一种强大的卡片电脑，具有单片机所不具备的一些功能，而且可以随时进行程序的修改，并且体积小巧，对于数据处理迅速，由于自带的5V和3V两种Pin，对于各种传感器都很好的支持，由于其自带的Python对于使用者十分友好，所以选择它作为主板。
气体传感芯片的选择
市面上常见的可燃性气体传感器有TGS（图4）系列和MQ（图5）系列两种传感器，他们的原理都是催化型可燃气体传感器，是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。
图4 TGS系列 图5 MQ系列
TGS系列和MQ系列来讲，TGS的灵敏度更加的好，工作的稳定新能也更好，但是TGS的电路电压高达24V，24V的电路电压相较于MQ系列的5V电压来讲，虽热MQ的性能不如TGS，但是本次设计中气体传感器是为了实现警报的设计，无需过高的灵敏度。气体传感（MQ2）是一种可以用于家庭和工厂的可燃性气体传感器，可以探测空气中的液化气，甲烷，丁烷、丙烷、酒精、烟雾等等家庭常见的可燃性危害气体。并且具有灵敏度高、响应速度快、寿命长、探测范围广、易于驱动等等优点。而且MQ系列较低的价格和模块化使得当传感器出问题时，只要将旧的传感器去下，插上新的传感器就可以继续使用，补足了MQ使用寿命的问题。
所以对于这次设计而言MQ系列更加贴合要求。
温湿度传感器的选择
市面上的温湿度传感器有很多，但是特别常见的就是DTH系列，其中DTH11是使用最广泛的一种温湿度传感器。价格便宜小巧。别的传感器要不价格昂贵，或者体积大，不适合家庭用户使用。
温湿度传感器（DTH11）是一种有己校数字信号输出的温度传感器，湿度精度+5%RH，温度精度+2℃，湿度量程20~90%RC，温度量程0~50℃。其精度和量程可以满足家庭的日常生活所需。
硬件电路设计
树莓派主板
树莓派（Raspberry Pi）是基于Linux系统的，为学习编程而由Raspberry Pi基金会开发的，由英国剑桥大学发布的卡片式电脑，树莓派集成度极高，虽然只有银行卡信用卡的大小，但是却具备电脑的基本功能。树莓派基金会希望，无论是在发达国家还是发展中国家的学生、都可以学习计算机及相关学科。而且由于Linux系统的开源性，使得树莓派的开发性更高。树莓派基金会于2016年2月发布树莓派3B版本，并且在不断的更新中。
树莓派是一款基于ARM的电脑主板，以SD卡/TF卡作为硬盘，并配备网口、USB接口、AV输出端口、HDMI输出端口的卡片电脑。通过配套的外接电源，连接上键盘、鼠标、显示器；就可以完成普通电脑的所有功能。
本设计采用的树莓派是最新的3B型，其系统参数如表1所示。

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