基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王君巖

摘 要 以AT89S52單片機(jī)為控制核心設(shè)計分析了可用于對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和報警的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用傳感器技術(shù)等單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對家居環(huán)境的溫濕度、煤氣濃度與甲醛濃度的采集、顯示與狀態(tài)報警等功能。文章首先對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各模塊功能進(jìn)行了分析，然后從軟件設(shè)計的角度對各功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，最后對其應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞 AT89S52；單片機(jī)；室內(nèi)環(huán)境；監(jiān)測；控制

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0029-02

單片機(jī)具有可編程、損耗低、應(yīng)用場景靈活多變、實(shí)現(xiàn)功能多樣等特點(diǎn)，以單片機(jī)作為控制核心的控制與監(jiān)測系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。隨著生活條件的改善，人們對家居環(huán)境的需求逐漸提升，為實(shí)時監(jiān)測家居環(huán)境中的空氣質(zhì)量，及時調(diào)整與控制家居環(huán)境中的溫濕度等，基于單片機(jī)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測中獲得了普遍的應(yīng)用。利用單片機(jī)作為主控核心，配合使用多種傳感模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，可以非常高效便捷的對家庭環(huán)境中的溫濕度、氣體等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，一旦家居環(huán)境出現(xiàn)異常，系統(tǒng)可以及時報警，若配合使用無線通信技術(shù)和無線通信模塊，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和控制，使得家居生活逐漸向自動化、智能化方向發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能應(yīng)該包括以下幾部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)處理與功能控制、環(huán)境參數(shù)采集與傳輸、顯示與報警?；谠摾砟羁蓪⒄麄€室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計為如圖1所示結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

其中，主控制核心部分可以使用AT89S52單片機(jī)，其具有8K的可編程存儲器和256個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，可使用的輸入輸出端口為32位，該單片機(jī)還具有3個定時/計數(shù)器，可通過中斷的方式實(shí)現(xiàn)高級中斷行為的處理，能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)的控制與管理需求。溫濕度檢測模塊可以使用DHT11傳感器，該傳感器可以將采集到的溫度和濕度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行傳輸與處理，具有穩(wěn)定性高、可靠性高等特點(diǎn)。其可辨別的溫度范圍為0到50℃，分辨率為1℃，濕度范圍為20%到90%，分辨率為1%RH，可滿足應(yīng)用需求。煤氣檢測與傳感模塊可以使用MQ-5半導(dǎo)體式氣體傳感器。甲醛檢測模塊可以使用CH20/C-10電化學(xué)傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，基本能夠滿足家庭使用需求。其他如報警電路、控制電路等適配簡單，只需要滿足系統(tǒng)功能需求即可。

若希望系統(tǒng)具有無限通信功能，則只需要在單片機(jī)的輸入輸出端口添加無限傳輸模塊即可。

2 硬件功能

2.1 整體功能

整個硬件系統(tǒng)中單片機(jī)作為主控核心，外圍連接傳感器電路、報警電路以及控制電路等模塊。系統(tǒng)工作時各傳感器會定時對周圍環(huán)境中的溫度、濕度、氣體濃度等參數(shù)進(jìn)行采集和量化，得到的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行數(shù)值比較，若所采集到的數(shù)據(jù)信息在正常范圍以內(nèi)，則單片機(jī)將該數(shù)據(jù)信息輸出至顯示單元進(jìn)行實(shí)時顯示，并控制系統(tǒng)重新執(zhí)行數(shù)據(jù)采集工作；若所采集到的數(shù)據(jù)信息已經(jīng)超出正常范圍，則單片機(jī)通過其輸出端口向報警電路發(fā)送報警信號，并向控制單元輸出控制信號，由控制單元控制其所連接的換氣扇或閥門等工作，遏制環(huán)境的進(jìn)一步惡化。

2.2 各模塊具體功能

1）溫濕度監(jiān)測模塊。系統(tǒng)中所使用的溫濕度傳感器具有自校準(zhǔn)信號輸出功能。其分別使用感濕元件和測溫元件對家居環(huán)境中的空氣濕度和空氣溫度進(jìn)行采集和數(shù)字化處理，所處理后的數(shù)據(jù)可通過四位引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。該模塊所使用的傳輸方式為單線制串口傳輸，故其傳輸距離遠(yuǎn)，可在重點(diǎn)關(guān)注位置進(jìn)行布置。

2）甲醛監(jiān)測模塊。為實(shí)現(xiàn)對環(huán)境中甲醛含量的檢測，甲醛監(jiān)測模塊需要由甲醛探頭和數(shù)據(jù)傳感器兩部分構(gòu)成。探頭負(fù)責(zé)對室內(nèi)環(huán)境中的空氣進(jìn)行采樣分析，生成一個與甲醛濃度相關(guān)的電流信號，然后該電流信號被轉(zhuǎn)化為可識別和處理的電壓信號進(jìn)行傳輸。

3）煤氣監(jiān)測模塊。該模塊主要是使用氣敏元件對家居環(huán)境中的天然氣、液化氣等敏感，可以將檢測到的信息轉(zhuǎn)化為電流號，再經(jīng)由MQ-5傳感器將電信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，獲得最終可識別和處理的數(shù)字電信號。

3）模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。該模塊主要用于將煤氣檢測數(shù)據(jù)與甲醛檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識別的數(shù)字信號。系統(tǒng)所使用的模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊為ADC0832，該芯片可將模擬信號轉(zhuǎn)換為8為數(shù)字信號，即分辨率為256，其采用雙通道模式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，故轉(zhuǎn)換時間短，轉(zhuǎn)換穩(wěn)定度高。

4）單片機(jī)模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)的接收和控制信號的傳輸?shù)裙δ?。AT89S52單片機(jī)可進(jìn)行并行輸入輸出，可以外接多個數(shù)據(jù)輸入輸出單元，具有非常廣泛的適用性。系統(tǒng)中，單片機(jī)除了外接傳感器傳輸端口外，還連接了顯示單元、報警單元以及控制單元。

5）換氣扇控制電路。該電路模塊主要負(fù)責(zé)在系統(tǒng)檢測到室內(nèi)被檢測氣體含量超出預(yù)定范圍時的排風(fēng)換氣等工作，這樣可以有效降低家居生活中危險情況發(fā)生的可能性。該部分模塊可以使用光電耦合器件控制換氣扇的啟停。當(dāng)需要換氣扇工作時，控制電路向光電耦合器發(fā)送控制電平使其處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而使得換氣扇線路變?yōu)橥姞顟B(tài)，當(dāng)需要換氣扇停止工作時，只需要發(fā)送停止控制電平即可斷開換氣扇的電源輸入。

6）燃?xì)忾y門控制電路。該電路模塊主要負(fù)責(zé)控制燃?xì)忾y的通斷狀態(tài)。該部分電路由光電耦合器、晶閘管以及電磁閥等三部分構(gòu)成。其中電磁閥為直動式，其接收到正向脈沖時會變?yōu)殚_啟狀態(tài)并保持，接收到反向脈沖時會關(guān)閉并保持。實(shí)際應(yīng)用中只需要適時適當(dāng)調(diào)節(jié)單片機(jī)控制信號輸出電平即可實(shí)現(xiàn)對燃?xì)忾y門的控制。

3 軟件功能

3.1 溫濕度測量功能實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)中預(yù)設(shè)家居環(huán)境的正常溫度為10℃到30℃，濕度為30%到60%。系統(tǒng)上電后各模塊進(jìn)行初始化，然后經(jīng)過一定的時延后，單片機(jī)向傳感器發(fā)送工作信號，控制傳感器進(jìn)行溫濕度采集，采集得到的信息被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后被傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)單元進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換和數(shù)值分析，轉(zhuǎn)換的目的在于將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換為顯示器可識別的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值顯示，分析的目的在于將相關(guān)弄信息與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，若環(huán)境參數(shù)值不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，則單片機(jī)驅(qū)動光報警裝置進(jìn)行報警。同時，單片機(jī)控制溫濕度采集單元繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)采集，參數(shù)恢復(fù)正常狀態(tài)時，單片機(jī)輸出控制信號取消報警。endprint

在控制方式、時間和數(shù)據(jù)長度設(shè)置方面，為適應(yīng)系統(tǒng)需求，可使用單總線的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信時間間隔控制在4 ms，數(shù)據(jù)長度控制為40bit，該長度內(nèi)既包含數(shù)據(jù)信息，還包含校驗(yàn)信息。

溫濕度采集單元處于空閑狀態(tài)時運(yùn)行在低功耗模式下，處于工作狀態(tài)時運(yùn)行在高速模式下。這種工作方式對于實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 煤氣測量功能實(shí)現(xiàn)

煤氣測量的軟件設(shè)計思路與溫濕度測量實(shí)現(xiàn)方式類似，均由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，即首先在單片機(jī)中存儲一個煤氣正常范圍，然后在系統(tǒng)上電后進(jìn)行模塊初始化，并經(jīng)過一定時延后接收控制信號進(jìn)入環(huán)境空氣采集狀態(tài)。所采集到的信息經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行處理和分析，處理結(jié)果被傳送到顯示單元進(jìn)行顯示，而分析結(jié)果則需要進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。若測量值大于預(yù)設(shè)值，則系統(tǒng)進(jìn)入延時狀態(tài)，等待下一次測量結(jié)果，若所得到的測量結(jié)果恢復(fù)至正常范圍內(nèi)，則認(rèn)為上次測量結(jié)果是由某些干擾或可控原因所引起的，不需要報警，若所得到的測量結(jié)果仍舊超出正常范圍，則確認(rèn)家庭環(huán)境中出現(xiàn)煤氣泄漏，單片機(jī)控制報警單元發(fā)出報警信號，同時單片機(jī)向控制單元發(fā)送控制信號，關(guān)閉閥門切斷氣源，打開排氣扇進(jìn)行通風(fēng)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果恢復(fù)到正常狀態(tài)時可關(guān)閉蜂鳴器，但仍舊打開光報警器，以便于后續(xù)的檢查與處理。

3.3 甲醛測量功能實(shí)現(xiàn)

該功能實(shí)現(xiàn)流程與上述兩個功能類似，但相較于上述兩個功能而言，甲醛測量與控制實(shí)現(xiàn)更為簡單，只需要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與結(jié)果顯示即可。

需要說明的是，為便于用戶觀察，可以使用不同的發(fā)光二級管來顯示不同的報警類型，如使用最為醒目的紅色發(fā)光二級管顯示煤氣測量信息、使用黃色發(fā)光二級管顯示甲醛測量信息、使用綠色發(fā)光二級管顯示溫濕度測量信息等。

4 總結(jié)

隨著家庭生活條件的改善，人們對家居環(huán)境的安全性和舒適度提出了更高更新的要求。為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的使用需求，可以使用單片機(jī)作為控制核心實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境相關(guān)參數(shù)的測量與監(jiān)控。本文所述系統(tǒng)中所使用的AT89S52單片機(jī)成本低，功能豐富，配合使用多種傳感器和外圍電路可以很好很方便的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，配合使用LED顯示模塊、蜂鳴器報警模塊、報警模塊、光電耦合控制模塊等還能實(shí)現(xiàn)對實(shí)時監(jiān)測結(jié)果的顯示和處理等功能。該系統(tǒng)使用方便，對于推動室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測自動化、智能化的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]于波.基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].中國海洋大學(xué)，2011.

[2]柴恒蕾.基于單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011，30（6）.

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[4]劉千，丁會柱，吳晟暌，基于ARM的智能化公寓安防測控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011，19（13）.endprint

在控制方式、時間和數(shù)據(jù)長度設(shè)置方面，為適應(yīng)系統(tǒng)需求，可使用單總線的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信時間間隔控制在4 ms，數(shù)據(jù)長度控制為40bit，該長度內(nèi)既包含數(shù)據(jù)信息，還包含校驗(yàn)信息。

溫濕度采集單元處于空閑狀態(tài)時運(yùn)行在低功耗模式下，處于工作狀態(tài)時運(yùn)行在高速模式下。這種工作方式對于實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 煤氣測量功能實(shí)現(xiàn)

煤氣測量的軟件設(shè)計思路與溫濕度測量實(shí)現(xiàn)方式類似，均由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，即首先在單片機(jī)中存儲一個煤氣正常范圍，然后在系統(tǒng)上電后進(jìn)行模塊初始化，并經(jīng)過一定時延后接收控制信號進(jìn)入環(huán)境空氣采集狀態(tài)。所采集到的信息經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行處理和分析，處理結(jié)果被傳送到顯示單元進(jìn)行顯示，而分析結(jié)果則需要進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。若測量值大于預(yù)設(shè)值，則系統(tǒng)進(jìn)入延時狀態(tài)，等待下一次測量結(jié)果，若所得到的測量結(jié)果恢復(fù)至正常范圍內(nèi)，則認(rèn)為上次測量結(jié)果是由某些干擾或可控原因所引起的，不需要報警，若所得到的測量結(jié)果仍舊超出正常范圍，則確認(rèn)家庭環(huán)境中出現(xiàn)煤氣泄漏，單片機(jī)控制報警單元發(fā)出報警信號，同時單片機(jī)向控制單元發(fā)送控制信號，關(guān)閉閥門切斷氣源，打開排氣扇進(jìn)行通風(fēng)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果恢復(fù)到正常狀態(tài)時可關(guān)閉蜂鳴器，但仍舊打開光報警器，以便于后續(xù)的檢查與處理。

3.3 甲醛測量功能實(shí)現(xiàn)

該功能實(shí)現(xiàn)流程與上述兩個功能類似，但相較于上述兩個功能而言，甲醛測量與控制實(shí)現(xiàn)更為簡單，只需要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與結(jié)果顯示即可。

需要說明的是，為便于用戶觀察，可以使用不同的發(fā)光二級管來顯示不同的報警類型，如使用最為醒目的紅色發(fā)光二級管顯示煤氣測量信息、使用黃色發(fā)光二級管顯示甲醛測量信息、使用綠色發(fā)光二級管顯示溫濕度測量信息等。

4 總結(jié)

隨著家庭生活條件的改善，人們對家居環(huán)境的安全性和舒適度提出了更高更新的要求。為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的使用需求，可以使用單片機(jī)作為控制核心實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境相關(guān)參數(shù)的測量與監(jiān)控。本文所述系統(tǒng)中所使用的AT89S52單片機(jī)成本低，功能豐富，配合使用多種傳感器和外圍電路可以很好很方便的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，配合使用LED顯示模塊、蜂鳴器報警模塊、報警模塊、光電耦合控制模塊等還能實(shí)現(xiàn)對實(shí)時監(jiān)測結(jié)果的顯示和處理等功能。該系統(tǒng)使用方便，對于推動室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測自動化、智能化的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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[4]劉千，丁會柱，吳晟暌，基于ARM的智能化公寓安防測控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011，19（13）.endprint

在控制方式、時間和數(shù)據(jù)長度設(shè)置方面，為適應(yīng)系統(tǒng)需求，可使用單總線的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信時間間隔控制在4 ms，數(shù)據(jù)長度控制為40bit，該長度內(nèi)既包含數(shù)據(jù)信息，還包含校驗(yàn)信息。

溫濕度采集單元處于空閑狀態(tài)時運(yùn)行在低功耗模式下，處于工作狀態(tài)時運(yùn)行在高速模式下。這種工作方式對于實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 煤氣測量功能實(shí)現(xiàn)

煤氣測量的軟件設(shè)計思路與溫濕度測量實(shí)現(xiàn)方式類似，均由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，即首先在單片機(jī)中存儲一個煤氣正常范圍，然后在系統(tǒng)上電后進(jìn)行模塊初始化，并經(jīng)過一定時延后接收控制信號進(jìn)入環(huán)境空氣采集狀態(tài)。所采集到的信息經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行處理和分析，處理結(jié)果被傳送到顯示單元進(jìn)行顯示，而分析結(jié)果則需要進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。若測量值大于預(yù)設(shè)值，則系統(tǒng)進(jìn)入延時狀態(tài)，等待下一次測量結(jié)果，若所得到的測量結(jié)果恢復(fù)至正常范圍內(nèi)，則認(rèn)為上次測量結(jié)果是由某些干擾或可控原因所引起的，不需要報警，若所得到的測量結(jié)果仍舊超出正常范圍，則確認(rèn)家庭環(huán)境中出現(xiàn)煤氣泄漏，單片機(jī)控制報警單元發(fā)出報警信號，同時單片機(jī)向控制單元發(fā)送控制信號，關(guān)閉閥門切斷氣源，打開排氣扇進(jìn)行通風(fēng)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果恢復(fù)到正常狀態(tài)時可關(guān)閉蜂鳴器，但仍舊打開光報警器，以便于后續(xù)的檢查與處理。

3.3 甲醛測量功能實(shí)現(xiàn)

該功能實(shí)現(xiàn)流程與上述兩個功能類似，但相較于上述兩個功能而言，甲醛測量與控制實(shí)現(xiàn)更為簡單，只需要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與結(jié)果顯示即可。

需要說明的是，為便于用戶觀察，可以使用不同的發(fā)光二級管來顯示不同的報警類型，如使用最為醒目的紅色發(fā)光二級管顯示煤氣測量信息、使用黃色發(fā)光二級管顯示甲醛測量信息、使用綠色發(fā)光二級管顯示溫濕度測量信息等。

4 總結(jié)

隨著家庭生活條件的改善，人們對家居環(huán)境的安全性和舒適度提出了更高更新的要求。為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的使用需求，可以使用單片機(jī)作為控制核心實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境相關(guān)參數(shù)的測量與監(jiān)控。本文所述系統(tǒng)中所使用的AT89S52單片機(jī)成本低，功能豐富，配合使用多種傳感器和外圍電路可以很好很方便的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，配合使用LED顯示模塊、蜂鳴器報警模塊、報警模塊、光電耦合控制模塊等還能實(shí)現(xiàn)對實(shí)時監(jiān)測結(jié)果的顯示和處理等功能。該系統(tǒng)使用方便，對于推動室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測自動化、智能化的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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