基于C51單片機(jī)的GSM智能環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王曉蓮，張皓然

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405）

一、引言

現(xiàn)如今，我國第二產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)發(fā)展，自動(dòng)化的生產(chǎn)方式已經(jīng)取代了原始的生產(chǎn)方式。而在這些自動(dòng)化生產(chǎn)的過程中，最令人重視的問題就是生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)測，在一些藥品、食品、化工用品等方面這些問題顯得更加明顯，不僅對環(huán)境的溫度濕度有著嚴(yán)格的要求[1]，而且還要保證監(jiān)測工作人員的安全。本設(shè)計(jì)的GSM智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)便能適用于這些地方，以高性能，低功耗的STC89C52RC單片機(jī)為控制的核心，利用多種傳感器，最終實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的溫度、濕度、一氧化碳含量和PM2．5含量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示、警報(bào)、出現(xiàn)超標(biāo)情況能發(fā)送到手機(jī)上。不僅能完成對環(huán)境的監(jiān)測，還能減少人工監(jiān)測出現(xiàn)事故的幾率，甚至實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)對制作現(xiàn)場環(huán)境的的遠(yuǎn)程監(jiān)測[2]。

二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)與GSM技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用無線GSM技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，AT89C51單片機(jī)、SIM900A集成GSM短信息通訊模塊、液晶顯示屏等有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成一種功能先進(jìn)、實(shí)用、成本低廉的環(huán)境智能監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，以AT89C51單片機(jī)為核心，單片機(jī)連接檢測溫濕度、PM2.5、一氧化碳的傳感器，并將檢測到的數(shù)據(jù)顯示在LCD液晶面板上。按鍵設(shè)置溫濕度、一氧化碳及PM2.5的上限值并在顯示屏上顯示，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值相比較，一旦超過上限值相應(yīng)指示燈亮蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)通過GSM模塊向用戶發(fā)送警報(bào)信息[3]。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(一)控制器的選擇

AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)，單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51作為環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，在接收系統(tǒng)各傳感器檢測的模擬信號的同時(shí)，還需要對信號進(jìn)行處理，滿足系統(tǒng)體積小、成本低廉、計(jì)算速度快以及接口數(shù)量要求，同時(shí)保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性以及抗干擾性。

（二）傳感器模塊

1.溫濕度傳感器模塊

圖1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

檢測溫度與濕度的模塊采用溫濕度一體化的數(shù)字傳感器DHT11，該傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。DHT11與單片機(jī)之間采用單線制串行連接，只需要一個(gè)I/O口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為該類應(yīng)用中，在苛刻應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便，如圖所示。

2.氣體傳感器模塊

圖2 溫濕度傳感器硬件連線圖

氣體傳感器采用對一氧化碳?xì)怏w靈敏度高，適合多種應(yīng)用的低成本、壽命長的MQ-7傳感器。其工作原理為采用高低溫循環(huán)檢測方式，低溫（1.5V加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中的一氧化碳濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體，使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。

圖3 粉塵傳感器硬件接線圖

要使MQ-7工作，首先左側(cè)三個(gè)引腳要全部接+5V電源，然后串聯(lián)后，再經(jīng)過一個(gè)5.1Ω電阻R7，最后接地，構(gòu)成一個(gè)基本的工作電路。MQ端接的是A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入端。如圖3所示。

3.PM2.5檢測模塊

圖4 粉塵傳感器硬件接線圖

粉塵傳感器用的是夏普公司開發(fā)的GP2Y10，這個(gè)傳感器其實(shí)是使用光敏原理來進(jìn)行工作的，其內(nèi)部的紅外發(fā)光管和光電晶體管呈對角式分布。傳感器硬件設(shè)備上有一個(gè)直徑約為1CM的孔，可以通過檢測當(dāng)前環(huán)境流入該孔中的微粒含量確定當(dāng)前環(huán)境中PM2.5的值，該傳感器的工在零下10℃到零上65℃都可以正常工作，在工廠和家居中都能正常使用，這個(gè)傳感器可負(fù)責(zé)檢測PM2.5的值。

如圖4所示，在本設(shè)計(jì)中的粉塵傳感器，VCC和S端接電源，為整個(gè)傳感器提供電源，其中的VLED、LED和LED-G端是控制傳感器中的光敏系統(tǒng)，V0端是本傳感器輸出端，因?yàn)樵搨鞲衅饕彩悄M量的輸出方式，輸出端不能直接接到單片機(jī)上，所以PM端接通的會是A/D轉(zhuǎn)換芯片。

（三）GSM模塊

系統(tǒng)中GSM模會選用的是SIM900A，有體積小，功能多，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較常用的通信模塊，SIM900A功能較多，但是在本設(shè)計(jì)中的主要功能是在警報(bào)時(shí)候?qū)κ孪仍O(shè)定好的手機(jī)發(fā)送短信，短信內(nèi)容為當(dāng)前檢測到的各項(xiàng)環(huán)境值的實(shí)時(shí)信息，所以有些引腳的功能并不需要用到。

圖5 SIM900A硬件接線圖

連線圖如圖5所示，SIM900A的工作電壓低于5V的電壓，所以5V的電源不可以直接接到SIM900A上，會導(dǎo)致模塊的損壞，需要利用整流二極管1N4007和電解電容C4串聯(lián)組成一個(gè)電路，能將電壓控制在3.5V到4.8V內(nèi)[5]。GND端接地，使SIM900A正常供電并且工作。通訊模塊上的TX端為發(fā)送數(shù)據(jù)端，與單片機(jī)的RX端，也就是接收數(shù)據(jù)端連接，完成從通訊模塊到單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。同理，通訊模塊的RX接收端與單片機(jī)的TX輸出端連接，完成從通訊模塊到單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。這兩對連接完成了單片機(jī)和通訊模塊之間的數(shù)據(jù)交換?？梢詫?shí)現(xiàn)發(fā)送短信的功能。由于SIM900A其他引腳的功能并沒有用得上，所以其他引腳全部懸空。

（四）液晶顯示模塊

本系統(tǒng)選用的顯示屏為SMC1062A，是一款16×2個(gè)字符的標(biāo)準(zhǔn)型顯示屏，工作電壓為4．7V到5V，顯示的字符尺位 2．95mm 到 4．35mm，再本次設(shè)計(jì)中用于把在當(dāng)前環(huán)境檢測到的各項(xiàng)數(shù)值顯示在顯示屏上，更直觀的展現(xiàn)給用戶。

顯示屏的硬件接線圖如圖6所示。

圖6 1062A顯示屏的硬件接線圖

VSS端和VDD端分別對應(yīng)接上地線與+5V電源。保證顯示屏的正常供電，同時(shí)BLA端和BLK端也分別接上+5V電源和地線，保證背光的正常工作。RS是數(shù)據(jù)/命令的選擇端，本次設(shè)計(jì)需要的是選擇數(shù)據(jù)，所以通過左側(cè)由VCC、R6、R4、地的串聯(lián)給RS端一個(gè)高電平。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的讀寫會發(fā)生變化，所以R/W端必須是接通單片機(jī)的P2．7端。E端為使能端，直接接通單片機(jī)控制顯示屏是否工作。D0端到D8端是用來控制顯示屏所顯示的詳細(xì)內(nèi)容，如圖示對應(yīng)接通單片機(jī)的 P0．0 到 P0．7，P2．5 和 P2．6 端。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7 主程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。程序開始執(zhí)行時(shí)，首先對單片機(jī)及各模塊進(jìn)行初始化，通過鍵盤設(shè)置一氧化碳濃度、PM2．5濃度、溫濕度的上限值，單片機(jī)通過I/O口連接各傳感器檢測環(huán)境一氧化碳濃度、PM2．5濃度、溫濕度。當(dāng)所測數(shù)據(jù)超過設(shè)置上限，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)通過GSM模塊向用戶發(fā)送報(bào)警信息。

五、結(jié)語

基于51單片機(jī)為核心，結(jié)合各傳感器模塊和GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測環(huán)境報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要針對環(huán)境中的一氧化碳濃度、空氣溫濕度及PM2．5濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)硬件電路簡單，操作簡捷，成本低廉，運(yùn)行穩(wěn)定，具有很高的實(shí)用性。

[1]張正華,徐 楊,等．基于WIFI和電力載波的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)[J]．無線電工程,2016,46(5)：9-11．

[2]劉 靜,楊正校,等．基于WIFI的安卓智能家居控制與監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．軟件,2014,35(6)：19-22．

[3]高晶晶,沈 娟,等．基于GSM的遠(yuǎn)程短信家電控制器的設(shè)計(jì)與研究[J]．電子世界,2016(5)：198．

[4]常亞兵,鄭建立．基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程,2016,24(2)：132-134．

[5]張 毅,馬鈞元,等．基于Cortex和ZigBee的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電視技術(shù),2012,36(1)：56-58．