一種空氣環(huán)境檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

張寶 梁繼俊 孫騰達(dá) 任靖宇 李麗 周倫

（1.淮南師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 2.淮南第二十六中學(xué)）

0 引言

工業(yè)化發(fā)展帶來的工業(yè)垃圾、白色污染、PM2.5超標(biāo)等環(huán)境問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人的身心健康，尤其以新裝修房屋為首的空氣環(huán)境問題最為嚴(yán)重，對(duì)大家的健康有著極大的威脅[1-2]。當(dāng)前空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的研究有了較大的發(fā)展，對(duì)于環(huán)境的檢測(cè)初步形成了網(wǎng)狀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)由低性能、高價(jià)格向高性能、價(jià)格低等目標(biāo)發(fā)展[3-5]。

本文主要以檢測(cè)室內(nèi)溫濕度、有害氣體等環(huán)境信息為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一款利用STC8952RC為控制芯片的簡單易用、方便精準(zhǔn)的環(huán)境檢測(cè)儀，當(dāng)污染程度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，就發(fā)出報(bào)警。此外本系統(tǒng)具有采樣精準(zhǔn)、小巧便利、簡單易操作、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、DHT11溫濕度檢測(cè)模塊、VOC氣體檢測(cè)模塊、PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、串口通信模塊和LCD12864液晶顯示模塊還有電源模塊等電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

環(huán)境監(jiān)測(cè)儀利用STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，將溫濕度、甲苯濃度、光照強(qiáng)度等自然界的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可編輯的離散數(shù)字信號(hào)，將這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，并與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比分析，將信息傳送到LCD12864上顯示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC單片機(jī)作為微處理器，此單片機(jī)具精度高、功耗小、抗干擾強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，采取STC第九代加密工藝，同時(shí)兼容傳統(tǒng)STC89C51代碼，速度比傳統(tǒng)89C51快12～18倍[16]。內(nèi)部集成R/C時(shí)鐘，在-40℃到+85℃下只有±1%溫度偏差，常溫下溫漂±0.6%。

2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

在單片機(jī)電源管腳接10μf的電容，使輸入電壓更加平滑，避免單片機(jī)長時(shí)間工作在高供電電壓的環(huán)境下。當(dāng)復(fù)位按鍵按下時(shí)，單片機(jī)RST管腳接收到高電平，持續(xù)3到4個(gè)機(jī)器周期單片機(jī)復(fù)位。由于單片機(jī)放電的瞬間，電容兩端的電壓不能突變，隨著時(shí)間的推移，電源對(duì)電容的充電，電容兩端的電壓就會(huì)由零變高，連接在單片機(jī)復(fù)位管腳的電壓就會(huì)由高變低直到為零，此時(shí)單片機(jī)正常工作，電路如圖2所示。

2.3 溫濕度采集電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)采集溫度和濕度信號(hào)電路使用DHT11模塊，如圖3所示。溫濕度傳感器DHT11有四個(gè)管腳，1管腳連接電源的正極5V電壓，2管腳為數(shù)據(jù)傳輸口，連接單片機(jī)的P26管腳，用于單片機(jī)單向采集溫濕度數(shù)據(jù)，3管腳懸空，4管腳連接地。單片機(jī)根據(jù)溫濕度傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)的協(xié)議讀取DHT11數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理與控制。濕度的采集原理和溫度的采集相同。

DHT11傳感器可采用PWM驅(qū)動(dòng)和模擬量輸出驅(qū)動(dòng)兩種方式，本設(shè)計(jì)使用模擬量輸出驅(qū)動(dòng)方式，供電電壓為5V，Pin26（VADJ）為模擬量輸入引腳，溫濕度采集電路接線如圖3所示。

圖3 溫濕度采集電路接線圖

2.4 PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

采集光照強(qiáng)度電路采用光敏電阻與一個(gè)10k百分之一精度的電阻分壓。電路如圖4所示。光照強(qiáng)度與光敏電阻的阻值成反比例關(guān)系，當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，光敏電阻變小，根據(jù)光照強(qiáng)度變化引起的電阻電壓變化傳送到PCF8591中，再將采集的電壓值存放在PCF8591內(nèi)存中，單片機(jī)通過IIC協(xié)議將光照強(qiáng)度的AD值讀取，再經(jīng)過處理運(yùn)算得到光照強(qiáng)度值。

圖2 MCU與外圍接線圖

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

2.5 氣體檢測(cè)?？?/h3>

系統(tǒng)選用VOC氣體檢測(cè)傳感器，該模塊是一款使用氣體化學(xué)反應(yīng)與電信號(hào)之間的非線性變化關(guān)系已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器，傳感器通過電信號(hào)的變化將對(duì)應(yīng)氣體的濃度體現(xiàn)出來，單片機(jī)根據(jù)電壓信號(hào)的變化計(jì)算出空氣中的甲苯濃度。

3 軟件設(shè)計(jì)

各測(cè)試模塊的測(cè)試流程大致相同，由于篇幅原因，在這里只介紹溫濕度監(jiān)測(cè)模塊的測(cè)試流程。

系統(tǒng)首先對(duì)程序進(jìn)行初始化配備，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫濕度信號(hào)，通過LCD12864顯現(xiàn)顯示實(shí)時(shí)溫濕度值；如果沒檢測(cè)到溫濕度信號(hào)，系統(tǒng)重新采集信息，并通過LCD顯現(xiàn)顯示“溫濕度正在檢測(cè)”。檢測(cè)到溫濕度信息后再進(jìn)行判斷當(dāng)前值和設(shè)定值的關(guān)系，判斷當(dāng)前狀態(tài)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如果信號(hào)在正常范圍內(nèi)，不發(fā)出報(bào)警，需要獲取語音播報(bào)時(shí)，通過開關(guān)按鍵獲??；如果檢測(cè)到的值超標(biāo)，經(jīng)由通過串口對(duì)QJ008語音播報(bào)模塊發(fā)送相應(yīng)的指示，發(fā)出聲音報(bào)警，系統(tǒng)流程如圖5所示，圖6為設(shè)計(jì)出的檢測(cè)儀產(chǎn)品實(shí)物圖。

4 試驗(yàn)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)環(huán)境中的溫濕度、光照度含量進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試環(huán)境分為晴天、陰雨天；白天、夜晚。參照數(shù)據(jù)分別選用優(yōu)利德UT332數(shù)字溫濕度計(jì)、優(yōu)利德UT382數(shù)字式照度計(jì)等儀器采集。測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示，通過數(shù)據(jù)可以看出相對(duì)誤差較小。

圖5 系統(tǒng)流程圖

圖6 產(chǎn)品實(shí)物圖

表 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的環(huán)境檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中的溫濕度、光照度以及甲苯含量進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、成本低、體積小等，具有推廣使用價(jià)值。