基于無線通信技術(shù)的溫度、濕度及空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)集中控制系統(tǒng)

孫德富

（杭州奧普衛(wèi)廚科技有限公司 浙江杭州310018）

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境空氣質(zhì)量的改善變得越來越重要。為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境空氣質(zhì)量的改善，在車站候車室、地鐵站、影院、商場(chǎng)等局部公共環(huán)境中，多安裝有通風(fēng)換氣設(shè)備。而通常此類通風(fēng)換氣設(shè)備的控制是依靠相關(guān)工作人員的感覺判斷，采用手工進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的開、關(guān)控制。本文采用無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了采用溫、濕度實(shí)時(shí)測(cè)量及空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的集中控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)采集的溫、濕度數(shù)據(jù)來控制加熱、制冷設(shè)備或加濕、除濕設(shè)備的開啟和停止，從而把溫、濕度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。采用氣體傳感器自動(dòng)地進(jìn)行空氣質(zhì)量檢測(cè)，能根據(jù)環(huán)境空氣的混濁污染程度，對(duì)通風(fēng)換氣設(shè)備或空氣凈化設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，改善環(huán)境中人們的舒適度和呼吸健康保障。所有溫、濕度及空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)均通過LCD顯示顯示出來。為了防止單片機(jī)掉電引起的數(shù)據(jù)丟失，溫度、濕度的設(shè)定值存儲(chǔ)在記憶電路中。

2 控制系統(tǒng)工作原理

本控制系統(tǒng)由無線發(fā)射主機(jī)和無線接收從機(jī)構(gòu)成，主機(jī)負(fù)責(zé)溫度、濕度和空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集以及顯示，數(shù)據(jù)通過主機(jī)設(shè)定對(duì)比，通機(jī)單片機(jī)內(nèi)部處理，通過無線發(fā)射模塊將控制信號(hào)發(fā)給無線接收從機(jī)，從機(jī)通過無線接收模塊接收后，通過解碼、單片機(jī)處理后，控制相應(yīng)設(shè)備啟動(dòng)或停止工作。無線發(fā)射主機(jī)可選擇“自動(dòng)”和“手動(dòng)”兩種工作狀態(tài)?！笆謩?dòng)”工作狀態(tài)由人工控制相應(yīng)設(shè)備工作或停止。

3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由無線發(fā)射主機(jī)和無線接收從機(jī)組成，無線發(fā)射主機(jī)由單片機(jī)，溫度、濕度傳感器、氣體傳感器、鍵盤輸入、LCD顯示器及無線發(fā)射模塊組成。無線接收從機(jī)由單片機(jī)、無線接收模塊、LED工作指示模塊（可選模塊）、驅(qū)動(dòng)控制模塊組成。無線發(fā)射主機(jī)和無線接收從機(jī)框架如圖1所示。

4 硬件設(shè)計(jì)

無線發(fā)射主機(jī)單元和無線接收從機(jī)單元的各主要部分在后續(xù)敘述中會(huì)一一闡述，本文在此略去單元整體原理圖。

4.1 無線發(fā)射主機(jī)單元

無線發(fā)射主機(jī)單元組成：中央處理單元S3P9234，Q2、Q3及SM組成無線發(fā)射電路。K01-K12組成鍵盤輸入電路，SH10為溫、濕度傳感器，TGS2600為氣體傳感器，24C02為記憶電路。

4.2 無線接收從機(jī)單元

無線從機(jī)單元組成：中央處理單元M37544G2GP，T01、D01-D04、U02B及U03組成電源電路，Q04及R24組成蜂鳴器電路，U04組成驅(qū)動(dòng)電路，24C02為記憶電路，RF接收模塊為L(zhǎng)M358組成的通用型超再生接收模塊。

4.3 濕度、溫度檢測(cè)電路

（1）濕度、溫度傳感器選用的SH10型數(shù)字溫濕度傳感器，如圖2a，SH10傳感器由瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)，該芯片通過CMOSens TM技術(shù)將溫濕度傳感器、放大和A/D電路、串行通信接口以及傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)集成在一個(gè)芯片上，無需外圍元器件。具有溫濕度一體、測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間快、可靠性高、穩(wěn)定性好、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對(duì)濕度、溫度的信號(hào)，然后經(jīng)過放大，分別送至 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò)，最后通過二線串行接口將相對(duì)濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至微控制，再利用微控制器完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。SHT10的相對(duì)濕度測(cè)量范圍為 0～100%，精度為±(4.5%)；溫度測(cè)量范圍為-40C～120, 精度為（±0.5℃ 在25℃）。

（2）SHT1X系列為貼片型溫濕度傳感器芯片特點(diǎn)：

－全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出；

－濕度測(cè)量范圍：0～100%RH；

－溫度測(cè)量范圍：-40～+123.8℃；

－濕度測(cè)量精度： ±3.0%RH

－溫度測(cè)量精度：±0.4℃

－響應(yīng)時(shí)間：8s(tau63%)；

－低功耗 80μW(12位測(cè)量，1次/s)；

－可完全浸沒。

（3）SH1X系列引腳定義和應(yīng)用電路如圖2b所示。

4.4 氣體傳感檢測(cè)電路

（1）氣體傳感選用日本FIGARO氣體傳感器TGS2600。TGS系列傳感器屬n型半導(dǎo)體類氣體傳感器，其主要成分是二氧化錫燒結(jié)體。當(dāng)吸附還原性氣體（例如液化氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、有機(jī)溶劑蒸氣等）時(shí)，電導(dǎo)率上升。當(dāng)恢復(fù)到清潔空氣中時(shí)，電導(dǎo)率恢復(fù)。TGS傳感器就是將這種電導(dǎo)率變化，以輸出電壓的方式取出，從而檢測(cè)出氣體的濃度。TGS2600能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染物的異味，如空氣中的低濃度香煙污染物和其它異味，對(duì)H2、CO等有較高的敏感度。該傳感器能檢測(cè)到幾個(gè)ppm級(jí)H2含量。TGS2600具有成本低、體積小、壽命長(zhǎng)、選擇性和穩(wěn)定性好等特性，可廣泛用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)、空氣清新機(jī)和氣流控制設(shè)備中。該器件比較適合于在室溫下長(zhǎng)時(shí)間通電連續(xù)工作。由于采用小型化芯片，TGS2602的加熱器所需電流僅為42mA，并且安置于標(biāo)準(zhǔn)TO-5封裝中。與其它空氣傳感器相比，TGS2600在靈敏度和穩(wěn)定性方面有很大的優(yōu)越性。TGS2600外形和基本測(cè)量電路如圖3所示。此傳感器要求有兩個(gè)電壓輸入：加熱器電壓VH和電路電壓VC。加熱器電壓VH加于集成加熱器上以保持傳感器在一個(gè)特定的最佳感應(yīng)溫度。電路電壓VC被加載以便于測(cè)量與氣敏元件串聯(lián)的負(fù)載電阻電壓Vout。此傳感器有極性所以電路電壓VC必須是直流?？梢杂靡粋€(gè)公共的電源來同時(shí)供給VH和VC以滿足傳感器的電氣需求。合理選擇負(fù)載電阻RL使報(bào)警門限電壓最優(yōu)化，并使半導(dǎo)體傳感器功耗小于15mw。當(dāng)目標(biāo)氣體存在時(shí)，傳感器功耗在RS與RL相等時(shí)最大。傳感器信號(hào)經(jīng)微處理器處理后作出判斷，將空氣質(zhì)量分成3個(gè)級(jí)別，差、中、好，在LCD中顯示。

（2）TGS2600傳感器靈敏度特性：TGS2600典型靈敏度特性如圖4所示，所有數(shù)據(jù)都采集于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，Y軸表示傳感器靈敏度，即電阻比RS/R0。其中RS為傳感器在不同氣體濃度下的阻值；R0為傳感器在清新空氣中的阻值。

（3）TGS2600傳感器典型溫度、濕度依賴特性曲線：TGS2600典型的溫度、濕度依賴特性如圖5所示。同樣，Y軸表示傳感器靈敏度（電阻比）RS/R0，其中RS為清新空氣中的傳感器在不同溫、濕度條件下的阻值;R0為清新空氣中的傳感器在20℃及65%相對(duì)濕度下的阻值。

4.5 掉電記憶電路

圖6的掉電記憶電路由24C02及Q01組成，24C02是2K位串行I2C總線EEPROM。

4.6 鍵盤輸入電路

鍵盤輸入電路由K01-K12組成，如圖7

4.7 LCD顯示電路

LCD顯示電路由LCD顯示器、U01及背光源組成，采用帶液晶驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)設(shè)計(jì)，顯示電路如圖8

4.8 無線發(fā)射、接收電路（LM358通用型超再生接收模塊）

無線發(fā)射電路由Q2、Q3、SM及發(fā)射天線組成，電路如圖9，發(fā)射模塊的工作頻率為315M，采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高，當(dāng)環(huán)境溫度在-25～+85℃之間變化時(shí)，頻飄僅為3ppm/℃。特別適合多發(fā)一收無線遙控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。聲表諧振器的頻率穩(wěn)定度僅次于晶體，而一般的LC振蕩器頻率穩(wěn)定度及一致性較差，即使采用高品質(zhì)微調(diào)電容，溫差變化及振動(dòng)也很難保證已調(diào)好的頻點(diǎn)不會(huì)發(fā)生偏移。無線接收電路由Q1、Q2、LM358及接收天線組成，這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）天線輸入端有選頻電路，而不依賴1/4波長(zhǎng)天線的選頻作用，控制距離較近時(shí)可以剪短甚至去掉外接天線。（2）輸出端的波形在沒有信號(hào)比較干凈，干擾信號(hào)為短暫的針狀脈沖，而不象其它超再生接收電路會(huì)產(chǎn)生密集的噪聲波形，所以抗干擾能力較強(qiáng)。（3）模塊自身輻射極小，加上電路模塊背面網(wǎng)狀接地銅箔的屏蔽作用，可以減少自身振蕩的泄漏和外界干擾信號(hào)的侵入。（4）采用帶骨架的銅芯電感將頻率調(diào)整到315M后封固，這和采用可調(diào)電容調(diào)整接收頻率的電路相比，溫度、濕度穩(wěn)定性及抗機(jī)械振動(dòng)性能都有極大改善?？烧{(diào)電容調(diào)整精度較低，只有3/4圈的調(diào)整范圍，而可調(diào)電感可以做到多圈調(diào)整?？烧{(diào)電容調(diào)整完畢后無法封固，因?yàn)闊o論導(dǎo)體還是絕緣體，各種介質(zhì)的靠近或侵入都會(huì)使電容的容量發(fā)生變化，進(jìn)而影響接收頻率。另外未經(jīng)封固的可調(diào)電容在受到振動(dòng)時(shí)定片和動(dòng)片之間發(fā)生位移；溫度變化時(shí)熱脹冷縮會(huì)使定片和動(dòng)片間距離改變；濕度變化因介質(zhì)變化改變?nèi)萘?；長(zhǎng)期工作在潮濕環(huán)境中還會(huì)因定片和動(dòng)片的氧化改變?nèi)萘?，這些都會(huì)嚴(yán)重影響接收頻率的穩(wěn)定性，而采用可調(diào)電感就可解決這些問題，因?yàn)殡姼锌梢栽谡{(diào)整完畢后進(jìn)行封固，絕緣體封固劑不會(huì)使電感量發(fā)生變化。電路如圖10

4.9 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路主要由U04(2003)及繼電器組成，電路如圖11

4.10 LCD顯示字符圖（圖12）

LCD顯示分成四個(gè)區(qū)，溫度顯示區(qū)、濕度顯示區(qū)、空氣質(zhì)量顯示區(qū)和時(shí)鐘顯示區(qū)，字符如圖14

5 軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、控制等功能，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，以利于軟件的兼容性、可維護(hù)性及移植性。根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，將軟件按分時(shí)處理進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序、自動(dòng)控制子程序、手動(dòng)控制子程序、溫、濕度讀取子程序、顯示子程序和輸出控制子程序。圖13為主機(jī)主程序流程圖，圖14為手動(dòng)控制子程序流程圖，圖15為從機(jī)主程序流程圖。

6 結(jié)束語

本文研究的溫度、濕度及空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)集中控制系統(tǒng)，采用無線集中的控制方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制。采用溫濕度一體化的數(shù)字傳感器同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的測(cè)量，系統(tǒng)具有可無人值守，節(jié)約資源，可靠性高，成本低的優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)運(yùn)行良好，具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景。本設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：（1）采用無線集中的控制方式，實(shí)現(xiàn)多個(gè)空氣參數(shù)的無線監(jiān)控，無須布置通信電纜，管理方便，維護(hù)簡(jiǎn)單；（2）系統(tǒng)可無人值守，節(jié)約人力、物力資源，（3）采用的SH10型數(shù)字溫濕度傳感器，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)可靠性高，成本低。本設(shè)計(jì)缺點(diǎn)：無線發(fā)射主機(jī)和無線接收從機(jī)單向通信，無線接收從機(jī)為被動(dòng)控制。

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[7]張洪潤(rùn).單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)200例（上冊(cè)）.北京航天航空大學(xué)出版社，2006.

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[9]24C02中文資料.pdf