基于STC89C54RD+的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

石河子大學(xué) 歐陽萱霖 郭志浩 王皓翔

基于STC89C54RD+的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

石河子大學(xué) 歐陽萱霖 郭志浩 王皓翔

系統(tǒng)為基于STC89C54RD+的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量檢測儀。通過AD590實(shí)現(xiàn)溫度檢測，HS1101實(shí)現(xiàn)濕度檢測，MS1100實(shí)現(xiàn)VOC氣體檢測以及GL5537-1實(shí)現(xiàn)對光照強(qiáng)度的實(shí)時采集處理，由LCD12864顯示ADC0809轉(zhuǎn)換而來的數(shù)字量，同時由LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)分步報警的功能。為了提供人機(jī)對話界面，系統(tǒng)采用獨(dú)立按鍵設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過USB連接外部5V電壓供電。整個檢測系統(tǒng)具有設(shè)備小巧，操作簡單，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

單片機(jī)；環(huán)境監(jiān)測；ADC0809；555非穩(wěn)態(tài)電路

現(xiàn)在的環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，人們對生活的追求越來越高。由于室外環(huán)境太廣，不可一時改變。而室內(nèi)環(huán)境通過一定的調(diào)節(jié)，將會有足夠大的變化，同時將會更適合人們保持身體健康。本系統(tǒng)將提供一定舒適度范圍的檢測，同時將提醒人們需要對當(dāng)前環(huán)境的某些變量進(jìn)行調(diào)整，以便人們調(diào)整室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

一、硬件設(shè)計(jì)

（一）整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)為基于STC89C54RD+的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量檢測儀[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度(AD590)，濕度(HS1101)，VOC氣體(MS1100)以及光照強(qiáng)度(GL5537-1)的實(shí)時采集處理(ADC0809) 、顯示(LCD12864)、報警(LED,蜂鳴器)的功能。通過獨(dú)立按鍵進(jìn)行操作，并由USB提供5V電源。整體效果圖，如圖1所示。

圖1 整體效果圖

（二）模塊設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)模塊

采用STC89C54RD+，16k Flash存儲器，以滿足足夠的程序存儲量。同時采用按鍵復(fù)位，12MHz晶振，以適應(yīng)ADC0809嚴(yán)苛的時序要求。

2.溫度檢測模塊

系統(tǒng)采用AD590作為室內(nèi)溫度傳感器，如圖2所示。由于AD590輸出電流同絕對溫度（-273℃）成正比[2]，因此在AD590的輸出端連接一個采樣電阻即可實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。從而使得電壓與絕對溫度（-273℃）滿足一定關(guān)系。AD590作為溫度傳感器，輸出的電流是以絕對溫度（-273℃）為基準(zhǔn),每增加1℃,它便會增加1μA的輸出電流。通過連接的10K的采樣電阻，使得傳感器輸出端電壓值為（2.73+T/100）V。又因電流輸出較小，為μA級，在放大電信號前，連接一電壓跟隨器[3]，以便提高輸入阻抗，減小輸入信號的影響，使得輸出電壓穩(wěn)定。接穩(wěn)壓管是為了減少電壓分壓誤差。同時調(diào)整變阻器阻值，電壓接近2.73V以便抵消傳感器的初始輸出電壓，再經(jīng)過放大器使得整個部件輸出為T/10V，得到溫度電壓。本系統(tǒng)中溫度檢測精度為0.1℃。

圖2 溫度監(jiān)測模塊

3.濕度檢測模塊

系統(tǒng)所使用的濕度傳感器HS1100，如圖3所示。這是一種可變電容的電容類濕度傳感器。由于其為可變電容，考慮由555振蕩電路組成多諧振蕩器[4]，進(jìn)而組成單片機(jī)的頻率計(jì)算器，環(huán)境濕度的穩(wěn)定，使得充放電也趨于穩(wěn)定，進(jìn)而得到環(huán)境內(nèi)的實(shí)時濕度。電路中，R16為內(nèi)部溫度補(bǔ)償，其目的是引入溫度效使其與HS1101的溫度效應(yīng)相匹配。且R16同其他的R-C時鐘電路對該位置1%精度的電阻的要求相同。由于相對濕度滿值為100PPm，故針對市面上不同型號的555電路有不同的電阻要求，已便達(dá)到與HS1101近似的溫度效應(yīng)，同時保證該頻率計(jì)數(shù)器輸出最大值6033Hz時，環(huán)境濕度為100%。本系統(tǒng)中濕度檢測精度為1%。

圖3 濕度監(jiān)測模塊

4.光強(qiáng)檢測模塊

系統(tǒng)采用的光敏電阻為GL5537-1型[5]。由于光敏電阻輸出結(jié)果不具備線性結(jié)構(gòu)，故用于計(jì)量檢測會產(chǎn)生很大的不確定性。因此，本系統(tǒng)光強(qiáng)只做大致計(jì)量研究，故不考慮余弦漫射的光學(xué)入口以及濾色片的選取使用等一系列光學(xué)問題?？紤]到環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可能會處于高溫高濕環(huán)境，系統(tǒng)采用了CdS型光敏電阻，CdS型光敏電阻最顯著的特點(diǎn)在于耐濕耐高溫。在75%RH的環(huán)境中高溫狀態(tài)下，其電阻變化率小于±10%，誤差影響較小。在接入采樣電路后，光敏電阻由于對環(huán)境的變化較為敏感，同時隨著環(huán)境光強(qiáng)細(xì)微的變化，將產(chǎn)生不同的電導(dǎo)率。由于系統(tǒng)最大電壓約為5V，且光明電阻是非線性變化元件，故本系統(tǒng)只能通過對當(dāng)前環(huán)境的當(dāng)前采樣點(diǎn)的總體光照強(qiáng)度進(jìn)行大致電壓轉(zhuǎn)換。并不能保證光照強(qiáng)度與電壓轉(zhuǎn)換間的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)中光強(qiáng)檢測精度為1cd。

5.VOC氣體檢測模塊

系統(tǒng)該模塊的大致原理為MS1100產(chǎn)生的熱效應(yīng)與室內(nèi)一定范圍的氣體進(jìn)行物理變化[6]，從而改變MS1100檢測電路的電導(dǎo)率，以便將當(dāng)前環(huán)境中有效范圍內(nèi)的VOC（甲醛、酒精氣體等有機(jī)揮發(fā)物）氣體濃度轉(zhuǎn)換為電壓值并輸出[7]。MS1100的缺陷在于開機(jī)后必須預(yù)熱5分鐘，當(dāng)其檢測電路熱量趨于穩(wěn)定時，才可得到一個較精確的模擬數(shù)據(jù)，同時，由于系統(tǒng)利用的是熱效應(yīng)，故系統(tǒng)在運(yùn)作后，該模塊將產(chǎn)生一定的熱量，使用者應(yīng)需要額外注意。經(jīng)測量，該模塊熱量不足以改變環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中溫度檢測模塊的結(jié)果，不會影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)中VOC氣體檢測精度為1PPm。

6.AD轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)使用的多種傳感器輸出信號均為模擬信號，但由于STC-89C54RD+只能處理數(shù)字信號，故需要對各傳感器輸出信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，以便該單片機(jī)能夠讀取并處理所有傳感器輸出信號。由于室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)變化范圍不明顯，考慮成本因素，故采用ADC0809進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，如圖4所示。ADC0809對時序的要求一般為500KHz[8]。由于本系統(tǒng)采用12MHz晶振的內(nèi)部時鐘方式電路。且單片機(jī)正常運(yùn)作時，只要不進(jìn)行模塊拓展連接，ALE引腳就將一直有輸出穩(wěn)定的正脈沖信號，此時頻率為晶振頻率的1/6，即2MHZ的正脈沖信號，再經(jīng)過雙D觸發(fā)器的四分頻，正好可以得到500KHz的時序信號，以滿足驅(qū)動ADC0809所需時序的要求。由于ADC0809是8位AD轉(zhuǎn)換芯片，理論轉(zhuǎn)換精度為1/256。

圖4 ADC0809模塊

7.聲光報警模塊

系統(tǒng)采用LCD12864漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊作為主要反饋界面[9]，歡迎界面、等待界面、檢測界面以及結(jié)果界面都主要由其進(jìn)行提示，且12864是系統(tǒng)中唯一一個全程參與的電路運(yùn)作模塊。此系統(tǒng)中除了LCD12864以外沒有其他可以作為提示和輔助監(jiān)測的設(shè)備，因此引入LED和蜂鳴器，在系統(tǒng)運(yùn)作過程中起提示用戶目前系統(tǒng)工作進(jìn)程的作用。只有在系統(tǒng)處于循環(huán)檢測的過程中，且系統(tǒng)每當(dāng)接收到下一個傳感器模塊的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)中的LED才會被點(diǎn)亮，以便提醒使用者當(dāng)前系統(tǒng)即將接受其他傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)處于兩種模式的跳轉(zhuǎn)過程中，蜂鳴器將鳴響一次，以便提醒使用者當(dāng)前系統(tǒng)即將啟動下一個模塊。

8.控制模塊

系統(tǒng)采用兩個獨(dú)立按鍵分別進(jìn)行控制，兩個獨(dú)立按鍵全部連接單片機(jī)的中斷系統(tǒng)。當(dāng)有外部中斷0到達(dá)單片機(jī)時（按下檢測鍵），系統(tǒng)將改變當(dāng)前等待狀態(tài)進(jìn)入檢測模式；若沒有外部中斷1到達(dá)時（沒有按下回饋建），系統(tǒng)將會進(jìn)行循環(huán)檢測。當(dāng)有外部中斷1到達(dá)單片機(jī)時（按下回饋鍵），系統(tǒng)將退出檢測模式，同時進(jìn)入結(jié)果顯示頁面。此時若再有外部中斷0到達(dá)時（按下檢測鍵），系統(tǒng)將退出顯示界面，并再次進(jìn)入檢測模式。

二、軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過C51進(jìn)行程序編寫，系統(tǒng)主要由LCD12864提供人機(jī)互動。開機(jī)啟動后，啟動界面，當(dāng)按下檢測鍵后，系統(tǒng)將進(jìn)入檢測界面，直到使用者按下回饋鍵前，系統(tǒng)將一直循環(huán)檢測，且在循環(huán)檢測的過程中，每一輪檢測，LED指示燈將閃亮一次，已提醒當(dāng)前進(jìn)入下一項(xiàng)指標(biāo)的檢測。反饋界面告訴了使用者當(dāng)前的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)是否達(dá)標(biāo)，若達(dá)標(biāo)，提示環(huán)境狀況良好，若某一項(xiàng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，將提示使用者應(yīng)該注意改善某一項(xiàng)指標(biāo)，以便環(huán)境得到改善。該系統(tǒng)程序框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序框圖

三、結(jié)束語

該系統(tǒng)整體分為檢測、顯示和操作三大模塊。檢測的精度可以達(dá)到日常生活需求，LCD顯示也較為詳細(xì)，通俗易懂。后期配合無線模塊可以實(shí)現(xiàn)多空間的總體控制監(jiān)測[10]，將具有良好的二次開發(fā)前景，也有一定的實(shí)際價值。

[1]宏晶科技有限公司.STC89C54系列單片機(jī)期間手冊[Z].2015,8,12.

[2]蘇茜.基于溫度傳感器AD590的電熱鍋爐溫度控制器[J].儀器儀表用戶,2012.

[3]楊新鵬.基于LM75A的多點(diǎn)溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2013.

[4]元器件交易網(wǎng).HS1101中文資料[Z].https://wenku.baidu.com/ view/65c8f945f7ec4afe04a1df13.html,2002,7,7.

[5]馬琳.GL5537-1型CDS光敏電阻.HW/GL5537-1[Z].深圳市海王傳感器件有限公司.

[6]MS1100中文資料[Z].https://wenku.baidu.com/view/ e6797ff35fbfc77da269b1c9.html.

[7]尹艷.淺述室內(nèi)空氣中甲醛的危害和預(yù)防[J].四川建材,2008,5.

[8]魯杰爽.基于ADC0809的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)與調(diào)試[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2012,1.

[9]深圳市錦昌電子有限公司.12864詳細(xì)中文資料[Z].https:// wenku.baidu.com/view/ecfe14d9ad51f01dc281f19c.html

[10]邢凱.基于單片機(jī)的室內(nèi)無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].廣西:廣西名族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,2014.