基于單片機(jī)的教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏雅文

（沈陽市化工學(xué)校，遼寧 沈陽110122）

1 概述

基于單片機(jī)的教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，是由若干子設(shè)備和一個(gè)計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件構(gòu)成的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)背景是將某一教學(xué)樓內(nèi)所有教室的空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。由于該系統(tǒng)比較龐大，因此本文著重論述系統(tǒng)中各子設(shè)備的設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)教室空氣質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)中，主要對(duì)教室內(nèi)的一氧化碳指數(shù)、二氧化碳指數(shù)、硫化物指數(shù)、粉塵顆粒（PM2.5）指數(shù)、教室溫濕度和聲音強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行采集和分析。其中，前4 項(xiàng)指標(biāo)為關(guān)鍵指標(biāo)，教室的溫濕度和聲強(qiáng)參數(shù)為附加功能，其中溫濕度是較為常用的室內(nèi)參數(shù)，聲強(qiáng)檢測可使學(xué)生在自習(xí)室保證安靜。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體功能描述

教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)的主要功能是，通過裝置和傳感器位置的有效安裝，實(shí)時(shí)監(jiān)測對(duì)應(yīng)教室內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，其中關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)為4 項(xiàng)，分別是室內(nèi)一氧化碳指數(shù)、二氧化碳指數(shù)、硫化物指數(shù)（二氧化硫）、粉塵顆粒（以PM2.5 為主）指數(shù)；次要監(jiān)測參數(shù)為3 項(xiàng)，分別是溫度、濕度和聲音強(qiáng)度。子系統(tǒng)裝置中以串行通信方式，與總監(jiān)控室的計(jì)算機(jī)相連，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)軟件中。在總監(jiān)控室中可以查詢所有被監(jiān)測教室的各參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。在各個(gè)被監(jiān)測教室中，包含一個(gè)觸摸屏，能實(shí)時(shí)觀察到當(dāng)前教室的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，以及當(dāng)前提示信息。

2.2 系統(tǒng)控制器方案設(shè)計(jì)

在室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的下位機(jī)子系統(tǒng)中，需包含由控制核心構(gòu)成的電子系統(tǒng)，作用是處理由傳感器采集的各類參數(shù)（上文提到的7 項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)），隨后將轉(zhuǎn)換完畢的信息傳送至上位機(jī)。由于該子系統(tǒng)是在多個(gè)教室內(nèi)擺放，應(yīng)考慮廉價(jià)、小型化、便捷使用等方面，故選用單片機(jī)作為控制核心。單片機(jī)對(duì)應(yīng)性能不同，其處理數(shù)據(jù)能力、運(yùn)行速度不同，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，綜合考慮后選擇STC90C51 作為系統(tǒng)控制核心，并選取LQFP-44 封裝，包含44 個(gè)獨(dú)立引腳，滿足多傳感器信號(hào)處理、通訊等各項(xiàng)要求。

2.3 系統(tǒng)傳感器選型

本設(shè)計(jì)共采集7 項(xiàng)參數(shù)，其中溫濕度選用一個(gè)整體模塊，其余5 項(xiàng)參數(shù)對(duì)應(yīng)選擇獨(dú)立傳感器。傳感器選型的具體參數(shù)不在本文贅述，傳感器選型原則是滿足檢測精度要求。故本設(shè)計(jì)選取以下型號(hào)的傳感器，完成教室內(nèi)空氣質(zhì)量和溫濕度、聲強(qiáng)參數(shù)的采集。

溫濕度傳感器選用DHT11 傳感器；一氧化碳傳感器選用MQ-7-CO；二氧化碳傳感器選用MG811-CO2；硫化物傳感器選用 MQ135-SO2；PM2.5 粉 塵 顆 粒 檢 測 傳 感 器 選 用GP2Y1010AUOF11；聲音傳感器選用MS135。不同傳感器的額定電壓不同，故本系統(tǒng)內(nèi)根據(jù)不同傳感器的供電電壓不同，設(shè)計(jì)了+5V、+12V 和+24V 三路電源，供傳感器正常預(yù)熱和使用。

2.4 系統(tǒng)整體框圖

如圖1 所示為本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體框圖，包含上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。其中上位機(jī)是計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行的一款監(jiān)控軟件，主要作用是匯總各教室的空氣質(zhì)量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)總體監(jiān)控的功能。下位機(jī)是安裝在各個(gè)教室內(nèi)的裝置。系統(tǒng)傳感器部分包含6 個(gè)傳感器，根據(jù)選型，其中一氧化碳、二氧化碳、硫化物、粉塵檢測和聲音傳感器是模擬量輸出，輸出信號(hào)采用ADC0809 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳送至單片機(jī)內(nèi)；溫濕度傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，可直接與單片機(jī)相連。觸摸屏模塊的作用是顯示當(dāng)前各參數(shù)數(shù)據(jù)。聲光報(bào)警系統(tǒng)的作用是告知教室內(nèi)師生當(dāng)前空氣質(zhì)量存在的問題。串行通信接口采用RS485 模塊，實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的信息傳輸。系統(tǒng)控制核心STC90C51 最小系統(tǒng)的功能是，接收傳感器信息，經(jīng)過運(yùn)行內(nèi)部程序進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，將數(shù)據(jù)顯示在當(dāng)前系統(tǒng)的觸摸屏中，同時(shí)將各數(shù)據(jù)經(jīng)串行通信模塊傳送至上位機(jī)中。在遇到需要報(bào)警或顯示重要提示信息時(shí)，最小系統(tǒng)啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)，發(fā)出相應(yīng)提示信號(hào)。穩(wěn)壓電源模塊為系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行供電，提供多路電源電壓。

圖1 基于單片機(jī)的教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)整體框圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)（晶振電路、復(fù)位電路、倍頻模塊電路等）、單片機(jī)外部引腳接線電路設(shè)計(jì)、各傳感器信號(hào)接線電路設(shè)計(jì)、AD 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、RS-485 串行通信模塊接線電路設(shè)計(jì)、觸摸屏接線電路設(shè)計(jì)、執(zhí)行元件接線電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)。本文著重介紹單片機(jī)外部接線設(shè)計(jì)。

如圖2 所示為單片機(jī)最小系統(tǒng)外部接線電路，本設(shè)計(jì)采用LQFP-44 封裝形式的STC90C51RC 芯片作為教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)的控制核心，該芯片共有44 個(gè)管腳，其中除了第4 管腳RST 復(fù)位管腳、第14 管腳XTAL2 晶振管腳2、第15 管腳XTAL1 晶振管腳1、第16 管腳GND 電源負(fù)極管腳和第38 管腳VCC 電源正極管腳以外，共有39 個(gè)輸入輸出端口管腳。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的功能是接收傳感器對(duì)教室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)采集，經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的程序?qū)?shù)顯示在觸摸屏中，同時(shí)能夠與上位機(jī)通信，遇到緊急情況能控制報(bào)警模塊發(fā)出聲光報(bào)警。其I/O 分配情況如下：P0.1-P0.7 和P2.0-P2.2 是觸摸屏數(shù)據(jù)接口；P1.1-P1.7 是AD 轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出D0-D7 數(shù)據(jù)接口；P3.0-P3.2 是串行通信模塊數(shù)據(jù)接口；P3.2 是溫濕度信號(hào)接口；P3.3 聲光報(bào)警控制端；3.5-3.7 和P4.0-P4.6，是模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的通道選擇端和各種控制端。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)外部接線電路

4 系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

如圖3 所示為教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖，該子系統(tǒng)在運(yùn)行開始后，首先進(jìn)行單片機(jī)內(nèi)部模塊的初始化，包括內(nèi)部倍頻初始化、I/O 接口初始化、時(shí)鐘初始化、定時(shí)/計(jì)數(shù)器初始設(shè)置、開門狗程序初始化等，初始化的目的是將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行有效更新，防止陳舊數(shù)據(jù)影響新的檢測過程。然后對(duì)相關(guān)傳感器進(jìn)行預(yù)熱及初始化，本設(shè)計(jì)中的氣體傳感器均需要在上電后進(jìn)行一段時(shí)間的預(yù)熱才能正常工作，每種傳感器預(yù)熱時(shí)間不同，當(dāng)所有傳感器預(yù)熱完畢后，均向單片機(jī)發(fā)送一個(gè)預(yù)熱完成信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)收到全部預(yù)熱完成信號(hào)后，開始下一步工作。

圖3 教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖

當(dāng)所有傳感器預(yù)熱完畢后，各傳感器開始環(huán)境參數(shù)采集工作，獲取相應(yīng)參數(shù)，經(jīng)過處理后將不同數(shù)據(jù)分類顯示至觸摸屏中，同時(shí)啟動(dòng)RS-485 串行通信模塊，將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)中顯示。如果監(jiān)測期間某指標(biāo)達(dá)到報(bào)警條件，則下位機(jī)啟動(dòng)聲光報(bào)警程序，并在觸摸屏上做出顯著提示。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若無報(bào)警，程序跳轉(zhuǎn)至傳感器環(huán)境參數(shù)采集步驟，如此循環(huán)，直至系統(tǒng)關(guān)閉，在此期間，單片機(jī)程序不再初始化，且傳感器無需重復(fù)預(yù)熱。

5 結(jié)論

基于單片機(jī)的教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效對(duì)教室內(nèi)一氧化碳指數(shù)、二氧化碳指數(shù)、硫化物指數(shù)、粉塵顆粒（PM2.5）指數(shù)、教室溫濕度和聲音強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行采集和分析，以保證課堂教學(xué)在良好的室內(nèi)環(huán)境下開展。本設(shè)計(jì)在下位機(jī)子系統(tǒng)裝置與上位機(jī)的互動(dòng)下，可形成對(duì)整棟教學(xué)樓所有教室空氣質(zhì)量的監(jiān)測，未來，可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的聯(lián)動(dòng)，對(duì)更大區(qū)域范圍內(nèi)的室內(nèi)場所相關(guān)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行檢測，并可向酒店、寫字樓等場所推廣應(yīng)用，具有良好的發(fā)展應(yīng)用空間。