基于單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝 超， 王 正

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京210037；2.南京林業(yè)大學(xué)南方學(xué)院，江蘇 南京210037)

隨著時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求越來越高，開展室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究具有重要意義[1-5]。當(dāng)前市面上的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀種類繁多，但大多不能完全符合普通家庭的使用需求。李峰設(shè)計(jì)了一款可以同時(shí)監(jiān)測粉塵含量、溫濕度、CO、CO2等多種有害氣體的系統(tǒng)[6]，但該設(shè)計(jì)是基于無線通信的系統(tǒng)，且監(jiān)測內(nèi)容大大超出了普通家庭的應(yīng)用需要，并且沒有全面考慮系統(tǒng)成本、功耗等問題。本文構(gòu)思了基于單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對粉塵含量以及溫濕度的監(jiān)測，同時(shí)借助液晶顯示、按鍵輸入、聲光報(bào)警等模塊較好完成了人機(jī)交互，且該系統(tǒng)還具有成本低、能耗小、使用便捷等特點(diǎn)。

1 空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本文從硬件和軟件兩大部分進(jìn)行考慮，各功能模塊之間相互獨(dú)立，也相互影響。各個(gè)模塊之間的關(guān)系如圖1所示，系統(tǒng)主要包括微控制器(Microcontroller Unit，MCU)、傳感器采集模塊、液晶顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、按鍵模塊，以及其他一些輔助性元件。MCU采用宏晶公司旗下的STC89C52單片機(jī)，此單片機(jī)是51單片機(jī)的升級版，具有功耗低、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，非常符合本設(shè)計(jì)對MCU的需求。其余各硬件模塊設(shè)計(jì)在MCU周圍，依據(jù)引腳進(jìn)行相應(yīng)連接。其中，MCU與傳感器采集模塊信息交互，實(shí)現(xiàn)空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、讀取和換算；顯示模塊實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)；按鍵模塊用于用戶向系統(tǒng)輸入相應(yīng)指令；監(jiān)測到異常后，聲光報(bào)警模塊起到提示用戶的作用。考慮到室內(nèi)供電的方便性，本系統(tǒng)采用最為常見的USB插頭供電方式。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小控制電路

單片機(jī)最小控制電路包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，如圖2所示。時(shí)鐘電路由兩個(gè)小電容加一個(gè)晶振組成，接在MCU的18、19引腳。該部分在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一定的脈沖信號，起到時(shí)鐘作用。復(fù)位電路接在9引腳，起到使電路恢復(fù)到最開始狀態(tài)的作用。本設(shè)計(jì)采用的是電動(dòng)復(fù)位，無需外加按鈕就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

圖2 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路

2.2 傳感器選型及其接口

夏普GP2Y1010AU0F光學(xué)粉塵傳感器是一款對細(xì)微顆粒(如香煙煙霧)監(jiān)測特別有效的傳感器，經(jīng)常應(yīng)用在空氣凈化系統(tǒng)中。該傳感器具有檢測靈敏度高、使用壽命長、尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)。圖3顯示了該粉塵傳感器與MCU之間的連接電路。由于傳感器的輸出(5腳)是模擬量，因此在接入MCU之前需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用的是ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。電路方式如圖3所示。

空氣溫濕度方面，采用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。其溫度量程為-20～+60 ℃，溫度精度為±2 ℃，濕度量程為5%～95%RH，濕度精度為±5%RH。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保監(jiān)測具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性，同時(shí)還具有成本低、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樵搨鞲衅魇褂玫氖菃尉€制串行接口，所以系統(tǒng)集成簡易快捷，4針單排引腳封裝，連接方便。電路連接如圖4所示。

圖3 PM2.5粉塵傳感器GP2Y1010AU0F與MCU連接

圖4 DHT11溫濕度傳感器與MCU連接

2.3 顯示模塊

液晶顯示屏對本設(shè)計(jì)尤其重要，液晶顯示屏可以把單片機(jī)接收的來自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)顯示出來，實(shí)時(shí)提供給用戶。本系統(tǒng)選用LCD1602液晶顯示作為顯示模塊。LCD1602是一款工業(yè)字符型液晶，專門顯示數(shù)字和字母，而且成本低、薄厚適中、性價(jià)比高，比較適合本系統(tǒng)用作顯示模塊。在本設(shè)計(jì)中，只需要將RS、R/W、E、D0～D7引腳與MCU正確連接后就可以正常顯示。電路連接如圖5所示。

圖5 LCD顯示模塊與MCU連接

2.4 按鍵輸入及聲光報(bào)警模塊

按鍵輸入模塊主要通過按鍵完成對系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)(如報(bào)警閾值、巡檢周期等)的設(shè)置。燈光報(bào)警模塊則主要根據(jù)用戶設(shè)定的各項(xiàng)報(bào)警閾值，通過亮起不同的色燈完成對用戶的提醒作用。如若某項(xiàng)指標(biāo)超過警戒值，系統(tǒng)還會(huì)通過聲光報(bào)警模塊中設(shè)計(jì)的蜂鳴器對用戶進(jìn)行聲音警告。

3 空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了達(dá)成上述系統(tǒng)功能，進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)并利用Keil軟件進(jìn)行程序的編寫。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要可以分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部分。主程序主要對硬件和變量進(jìn)行初始化，對各個(gè)控制寄存器設(shè)置初值，對運(yùn)算過程中使用的各種變量分配地址并設(shè)置相應(yīng)的初值。初始化模塊僅在MCU上電復(fù)位后被執(zhí)行一次，然后進(jìn)入循環(huán)等待時(shí)期，如圖6所示。

中斷服務(wù)與巡檢子程序是系統(tǒng)軟件的核心部分，包括定時(shí)器中斷巡檢、按鍵輸入巡檢、異常情況巡檢。在主程序進(jìn)入循環(huán)等待時(shí)期后，這些程序?qū)⒁恢北谎h(huán)執(zhí)行。其中，本系統(tǒng)通過設(shè)置定時(shí)器中斷來精確設(shè)定空氣傳感器的巡檢周期。定時(shí)周期到達(dá)后，由中斷程序設(shè)置使能標(biāo)志，當(dāng)檢測到該標(biāo)志有效后，程序會(huì)對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，如讀取的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)變化，則進(jìn)一步在液晶顯示屏上進(jìn)行相應(yīng)更新。按鍵與異常巡檢則不通過定時(shí)器中斷的方式進(jìn)行。因傳感器的數(shù)據(jù)讀取很重要，所以本文僅以MCU讀取DHT11數(shù)字溫濕度傳感器數(shù)據(jù)為例進(jìn)行介紹，流程圖如圖7所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 MCU讀取DHT11傳感器數(shù)據(jù)流程圖

4 系統(tǒng)測試

針對設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體性能測試，共進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)：①從25～845 μg/m3區(qū)間內(nèi)選取10個(gè)均勻隨機(jī)的數(shù)值點(diǎn)進(jìn)行PM2.5測試；②在60%RH濕度條件下選取15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃四種室溫進(jìn)行測試；③在30 ℃室內(nèi)條件下選取20%RH、50%RH、70%RH、90%RH四種濕度數(shù)值進(jìn)行測試。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖

經(jīng)過對以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得知，本系統(tǒng)的PM2.5監(jiān)測數(shù)值與真實(shí)值的相對誤差<3.2%，溫度絕對誤差<2 ℃，濕度絕對誤差<5%RH。以上測試結(jié)果均符合預(yù)期要求，且系統(tǒng)在整個(gè)測試過程中工作穩(wěn)定，各模塊功能正常，整體運(yùn)行良好。

5 結(jié) 論

為了滿足人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的需求，設(shè)計(jì)了基于STC89C52單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效地對室內(nèi)PM2.5以及溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。測試實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)方案正確，功能良好，測量精度較高，完全滿足人們?nèi)粘Ｊ覂?nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的需求。后續(xù)本系統(tǒng)還將繼續(xù)升級，可以與大數(shù)據(jù)[7]、納米傳感器[8]、云計(jì)算[9]、5G技術(shù)[10]，以及人工智能[11]相結(jié)合，以滿足人們不斷增長的技術(shù)需求。