基于單片機的空氣質量及溫濕度檢測儀的設計*

祝鳳金

(菏澤學院蔣震機電工程學院，山東 菏澤 274015)

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基于單片機的空氣質量及溫濕度檢測儀的設計*

祝鳳金

(菏澤學院蔣震機電工程學院，山東 菏澤 274015)

該設計以AVR ATMETA16為主機，STC12C4052AD為從機，實現(xiàn)空氣中PM2.5和PM10以及溫、濕度的實時檢測，并且通過LCD12864實時顯示的.同時可實現(xiàn)語音報警、空氣加濕及除塵功能.

單片機；溫濕度傳感器；粉塵傳感器

引言

隨著社會經濟的飛速發(fā)展，社會生產力的不斷地提高和人類生活水平的提高，在生產過程中向大氣環(huán)境中排放的廢氣越來越多，人類出行的交通工具所排放的尾氣也成為了污染環(huán)境的一大殺手.人類賴以生存的環(huán)境問題越來越嚴重，近幾年出現(xiàn)的大氣污染成為環(huán)境中最難以解決的嚴重問題.如何實時、有效的對環(huán)境質量及變化進行準確的檢測，進而改善生存環(huán)境是現(xiàn)今人類面對的重要的問題[1、2].本設計通過多種傳感器實現(xiàn)對環(huán)境中的PM2.5、PM10有害微粒，溫濕度的實時監(jiān)測，并對周圍環(huán)境進行凈化、加濕等功能.

1　系統(tǒng)總體方案設計

本設計采用的兩片單片機來實現(xiàn)的，主機采用的是AT公司生產的ATMEGA16單片機[3]，主要負責溫濕度的采集、開機時間的記錄、LCD液晶數據的顯示，從機采用的是STC公司生產的STC12C4052AD單片機[4]，主要負責空氣質量數據的采集.主機與從機之間的通信是采用串口的方式來實現(xiàn)的，主機通過不同的串口數據來實現(xiàn)從機數據的采集與關閉，從機也是通過串口將采集的數據經過處理后傳送給主機.實現(xiàn)的過程是當打開主機后，主機處理完數據后會自動發(fā)送一個串口數據給從機，從機接收數據后會進行數據的采集與反饋，當關閉主機時主機也會自動的發(fā)送一個數據關閉從機的數據的采集，這樣就避免了在關閉主機時，從機還向主機發(fā)送數據從而避免了數據錯亂的出現(xiàn).按鍵輸入模塊可以實現(xiàn)該系統(tǒng)的開關機，開機后主控單片機ATMEGA16單片機首先打開從機單片機STC12C4052AD，并和溫濕度傳感器SHT11、DS1302時鐘模塊建立通信，并將數據實時的在LCD12864液晶上顯示，而且通過各個傳感器輸出的數值，來控制加濕及凈化模塊不同的工作模式.其系統(tǒng)組成如圖1所示.

圖1　檢測儀系統(tǒng)組成

2　系統(tǒng)硬件電路設計

2.1顯示模塊設計

本設計采用不帶字庫的并且通信方式為串行通信的HEM-LCD12864作為該設計的顯示器件，該液晶模塊價格較低，是帶字庫液晶的一半左右.單片機中提供了大容量的ROM,在單片機掉電過程中數據也不會丟失，由于本設計顯示字符不是很多，所以完全可以把字符的代碼保存在單片機中，而且也不會影響單片機的正常工作[5].由于該液晶采用的是串行的通信方式，節(jié)省單片機的I/O資源，以用來做其他的工作，并且串行通信的速度完全可以滿足該設計的需要，其電路原理如圖2所示.

圖2　LCD12864電路

2.2系統(tǒng)工作時間設計

采用DS1302時鐘芯片作為時鐘記錄系統(tǒng)的開機工作時間.DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5V.采用三線接口與CPU進行同步通信[6]，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數據.其電路原理如圖3所示.

圖3　DS132時鐘芯片電路

2.3溫濕度傳感器設計

采用集成式的數字溫濕度傳感器DHT11，該傳感器采用單總線的通信方式與單片機相連的，只需要三根線(電源線正、電源負、數據線)就可以準確的讀取出溫濕度傳感器的數值.在該系統(tǒng)設計中對溫濕度值的要求比較高，為提高數據采集的準確度，所以該系統(tǒng)采用DHT11集成式數字溫濕度傳感器[7].其電路原理如圖4所示.

圖4　DHT11溫濕度傳感器電路

2.4粉塵傳感器設計

采集空氣質量的傳感器采用的是SM-PWM-01A粉塵傳感器，它是一款利用光學方法檢測空氣中粉塵濃度的傳感器.能夠區(qū)分香煙等微小顆粒和灰塵等大顆粒.該傳感器是以脈沖的形式來輸出信號的，在一定周期內低電平所占有的時間的總和的比例就是空氣中粉塵的含量.該傳感器有兩個輸出端，一個端子輸出的是直徑小于2.5 um(PM2.5)的顆粒脈沖,一個端子輸出的是直徑小于10 um(PM10)的顆粒脈沖.在本設計中采用的用中斷查詢法來記錄兩個輸出引腳的低電平的比例的，由于在采集過程中會頻繁的應用中斷，如果所有的數據的采集及處理只應用一個單片機，那單片機就會只處理中斷，而不執(zhí)行其他的操作了，所以本設計利用了一個一腳較少的單片機來采集分成傳感器的數值，這樣可以實現(xiàn)所有的數據都能較為準確的采集和顯示.其電路原理如圖5所示.

圖5　粉塵傳感器電路

2.5語音報警及加濕凈化設計

語音報警模是利用的集成的語音模塊，只需給芯片發(fā)送相應的脈沖并接上拉電阻揚聲器就可以正常工作.加濕和凈化氣的電路設計是應用N-MOS管來驅動外部直流負載，并實現(xiàn)PWM的調速，其電路原理如圖6所示.其中J2為揚聲器接口，J3為凈化器負載接口，J4為加濕器負載接口.

2.6主從通訊設計

本設計中兩個單片機通信的方式采用的是串口通信，在通信過程中兩個單片機的距離很近，所以采用兩單片機直接相連接的方案，通信頻率為9 600 bit/s.其主從通訊電路如圖7所示.

圖7　主從單片機通訊電路

3　程序設計

本設計主要包括 DS1302時鐘芯片、DHT11溫濕度傳感器、LCD12864、EM-PWM-01A粉塵傳感器以及報警、加濕凈化裝置的編程設計.為方便編程和調試，各模塊采用子程序方式進行編程設計，其整體程序流程如圖8所示.

圖8　程序流程圖

4　結論

本設計所涉及的檢測裝置濕度檢測范圍為20%～90%RH、溫度測量范圍0～50 ℃.濕度檢測精度控制在1%RH以內、溫度檢測精度控制2 ℃以內.在在實際運行效果良好，在空氣質量檢測及調節(jié)空氣濕度及降低灰塵度有較明顯效果.該檢測裝置具有較廣泛的市場應用前景.

[1]孟澤健.基于AT89S52 單片機的無線環(huán)境檢測系統(tǒng)的設計[J].數字技術與應用,2015,6:161-163．

[2]邵婷婷,任瑞瑞,李平.基于單片機的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子測試,2014,5:67-68．

[3]徐瑋.AVR單片機快速入門[M].第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[4]郭天祥.51單片機C語言教程[M].第1版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]張偉.Protel 99 SE實用教程[M].第2版.北京:人民郵電出版社，2012.

[6]胡漢才.單片機原理與接口技術[M].第2版.北京：清華大學出版社，2004.

[7]吳建平.傳感器原理及應用[M].第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

Design of Air Quality and Temperature and Humidity Detecting Instrument Based on Single Chip Microcomputer

ZHU Feng-jin

(Jiangzhen Mechanical and Electronic Engineering School, Heze University, Heze Shandong 274015, China)

The design makes AVR ATMETA16 machine as the main engine and STC12C4052AD as an assist to gain the real-time data for monitoring PM2.5, PM10, temperature and humidity, displaying the data on LCD screen in real-time. At the same time, the voice alarm, air humidification and dust removal function can be realized.

MCU; temperature and humidity sensor; dust sensor

1673-2103(2016)02-0062-03

2016-01-10

菏澤學院科學研究基金項目(XY12KJ05)

祝鳳金(1982-)，男，山東成武人，講師，碩士，研究方向：機電一體化.

TP368.1

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