基于單片機(jī)的環(huán)境溫濕度及PM2.5濃度監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

鄭宇宏 鄢艷紅

摘要：為監(jiān)控環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)，營造一個(gè)更加健康的室內(nèi)環(huán)境，設(shè)計(jì)一款多功能的環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，使人們能夠及時(shí)對環(huán)境的變化并做出相對應(yīng)措施。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制中心，外部監(jiān)測電路由DHT11溫濕度傳感器和GP2Y1010AU0F粉塵傳感器構(gòu)成。系統(tǒng)完成監(jiān)測后將數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)內(nèi)處理后顯示在LCD1602液晶屏上。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過自定義閾值時(shí)蜂鳴器啟動(dòng)報(bào)警功能，并且點(diǎn)亮點(diǎn)對應(yīng)的LED燈。

關(guān)鍵詞：STC89C52單片;溫濕度;粉塵傳感器

中圖分類號：TP338 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）32-0104-03

Design of a Monitoring Instrument for Environmental Temperature， Humidity and PM2.5 Concentration Based on Single-chip Microcomputer

ZHENG Yu-hong， YAN Yan-hong

（School of Medical Information Engineering， Guangzhou University of Chinese Medicine， Guangzhou 510006， China）

Abstract： In order to monitor various environmental indicators and create a healthier indoor environment， a multi-functional environmental indicator monitoring system will be designed to enable people to respond to changes in the environment in time and take corresponding measures. This system uses STC89C52 single-chip microcomputer as the control center， and the external monitoring circuit is composed of DHT11 temperature and humidity sensor and GP2Y1010AU0F dust sensor. After the system completes the monitoring， the data is input into the single-chip microcomputer for processing and then displayed on the LCD1602 LCD screen. When the environmental parameters exceed the custom threshold， the buzzer will start the alarm function， and the corresponding LED light will be lit.

Key words： STC89C52 single chip; temperature and humidity; dust sensor

隨著人們對生活環(huán)境的重視，大家都追求一種更加舒適愉悅的生活和工作環(huán)境。為滿足人們的需求，本設(shè)計(jì)主要從環(huán)境溫濕度和PM2.5濃度兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)。溫度和濕度是一個(gè)相互影響的指標(biāo)，在高溫環(huán)境中，環(huán)境相對濕度對人機(jī)體的散熱呈正相關(guān)關(guān)系，而且溫度的變化會(huì)直接影響人體生理熱的變化，據(jù)有關(guān)研究表明舒適環(huán)境下溫度的劇烈變化更影響人體的健康，使人體患病和死亡的率提高。而環(huán)境PM2.5濃度的高低也直接影響著人體的呼吸道健康，據(jù)國內(nèi)PM2.5污染調(diào)研報(bào)告得出，與室外相比，人均室內(nèi)PM2.5暴露量和潛在劑量為室外環(huán)境的4倍[1]。設(shè)計(jì)一款環(huán)境監(jiān)測儀有利于人們監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境并及時(shí)對環(huán)境變化做出相對的措施。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用分層結(jié)構(gòu)模塊化的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，將整個(gè)設(shè)計(jì)分6個(gè)模塊進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制中心，分別對溫濕度傳感器、粉塵傳感器、顯示器和蜂鳴器等元器件進(jìn)行控制。環(huán)境溫濕度采用DHT11溫濕度傳感器監(jiān)測，其內(nèi)部自帶8位處理器并連接NTC測溫和電阻感濕元件，是一款內(nèi)含已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的傳感器。PM2.5濃度監(jiān)測采用夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器作為檢測元件，通過傳感器內(nèi)部發(fā)出的紅外反射光強(qiáng)間接測量出空氣PM2.5的濃度。顯示模塊采用LCD1602顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取顯示，且當(dāng)數(shù)據(jù)超出設(shè)置值時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，要求能自動(dòng)完成室內(nèi)環(huán)境溫濕度和PM2.5濃度的監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示至LCD顯示屏上，且用戶可以通過按鍵進(jìn)行自定義數(shù)據(jù)報(bào)警值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)不在范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，設(shè)計(jì)中需要以單片機(jī)為控制中心將各個(gè)功能模塊鏈接成整體從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

STC89C51外部具有40根引腳，每根引腳都有其獨(dú)立的功能單片機(jī)，內(nèi)部主要包含有8位CPU和具備可在線編程的8K字節(jié)系統(tǒng)Flash存儲(chǔ)器，從而使單片機(jī)本身具有8K字節(jié)程序存儲(chǔ)空間和512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的特性。具有32位I/O口線和看門狗定時(shí)器，且自帶4K字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)空間和MAX810復(fù)位電路。因?yàn)閱纹瑱C(jī)有了這些特性，所以在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中能得到更加高效靈活的應(yīng)用。

在電路設(shè)計(jì)中，將單片機(jī)最小系統(tǒng)分為三部分設(shè)計(jì)，首先為電源電路，通過外接5V的直流電源供電，然后晶振電路通過兩個(gè)30pF的電容和一個(gè)11.0592M的晶振并聯(lián)而成，由此為系統(tǒng)提供9600的波特率，單片機(jī)只有在時(shí)序信號和控制信號的協(xié)調(diào)工作下才能執(zhí)行各指令[2]。復(fù)位電路在設(shè)計(jì)中將單片機(jī)RST引腳與10uF電容相連并與VCC電源接通，在電容上并聯(lián)一個(gè)復(fù)位開關(guān)然后接地，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位功能，使程序地址從0000H單元重新執(zhí)行。整個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示，當(dāng)按下按鍵S0時(shí)，RST接收到高電平信號從而使系統(tǒng)執(zhí)行復(fù)位操作。

2.2 溫濕度監(jiān)測電路

DHT11是采用專門的溫濕度采集和傳感技術(shù)的復(fù)合傳感器。其內(nèi)含已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出器，能夠自動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，具有可靠性高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)[3]。DHT11中內(nèi)含的NTC熱敏電阻值隨溫度的增加而減小，而電阻式感濕原件則根據(jù)內(nèi)部的濕敏原件在吸濕和脫濕過程中，水分子分解出的離子H+的傳導(dǎo)狀態(tài)發(fā)生的變化從而改變電阻值，兩個(gè)指標(biāo)都呈線性變化從而可以間接測量出環(huán)境的溫濕度值，其溫度測量范圍為0-50℃，濕度測量范圍為20%-90%RH。在電路設(shè)計(jì)中為提高傳感器的穩(wěn)定性增強(qiáng)信號的抗干擾能力需要在1、2引腳之間并聯(lián)一個(gè)10KΩ的電路，其電路連接圖如圖3所示。

2.3 PM2.5濃度監(jiān)測電路

夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器是一款光學(xué)空氣灰塵檢測傳感器。通過內(nèi)部紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管對角放置，探測空氣的反射光強(qiáng)，并將其轉(zhuǎn)化成可輸出的模擬電壓顯示出來，且電壓值與塵埃粒子濃度成正比。由于PM2.5的主要成分有水溶性離子、金屬元素、碳組分和有機(jī)物，所以當(dāng)紅外光穿透時(shí)會(huì)形成折射，使用光強(qiáng)變?nèi)?，從而可測得空氣塵埃粒子濃度[4]。

電路設(shè)計(jì)過程中，為了將測量的模擬電壓轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識別的數(shù)字信號，所以將該傳感器與ADC0832芯片相連使數(shù)據(jù)完成AD轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)內(nèi)計(jì)算處理。其電路連接原理圖如圖4所示，為提高供電穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中在發(fā)光二極管正負(fù)極之間并聯(lián)一個(gè)220uf的電容;為增強(qiáng)LED的驅(qū)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)中在第4引腳LED和單片機(jī)P1.5連接電路之間增加一個(gè)三極管以放大電路信號。其中串聯(lián)的R5、R6起限流保護(hù)作用。

3 軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對各個(gè)元器件的控制，且符合設(shè)計(jì)的功能，在軟件設(shè)計(jì)中需要根據(jù)各元器件的功能原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用C語言在Keil Vision2 軟件內(nèi)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。Keil 提供了豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，生成的目標(biāo)代碼效率高，且容易理解[5]。

3.1 主程序流程

系統(tǒng)主程序部分主要包含程序的頭文件、各子程序的調(diào)用函數(shù)、位定義聲明程序以及定時(shí)器中斷程序。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)主程序自動(dòng)執(zhí)行初始化程序，使檢測值和顯示屏初始化，后再進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)監(jiān)測和處理并將數(shù)據(jù)顯示出來。并且通過掃描按鍵輸入設(shè)定報(bào)警值，當(dāng)測量數(shù)據(jù)超出設(shè)置范圍則反饋至蜂鳴器啟動(dòng)報(bào)警。在軟件設(shè)計(jì)中主要的技術(shù)難點(diǎn)為DHT11的時(shí)序控制問題，需要根據(jù)傳感器的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

將本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖焊接完成后導(dǎo)入系統(tǒng)軟件程序，進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。將本系統(tǒng)A與得力9016Rt5i溫濕度計(jì)及廣州氣象局監(jiān)測的PM2.5濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析比較。

（數(shù)據(jù)來源2021年4月14日同一時(shí)間點(diǎn)同一檢測范圍內(nèi)兩者分別檢測的數(shù)據(jù)）

如圖6所示，通過本系統(tǒng)A測量的數(shù)據(jù)與得力9016Rt5i溫濕度計(jì)測量的溫濕度值及廣州氣象局測量的PM2.5濃度值比較可看出，系統(tǒng)A測量的溫濕度值與得力9016Rt5i測量的溫濕度值偏差符合傳感器的偏差范圍，說明系統(tǒng)對環(huán)境溫濕度檢測的結(jié)果具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性，符合設(shè)計(jì)要求。

而對于PM2.5濃度而言，由于本系統(tǒng)A采用測量PM2.5濃度其基本原理為光散射法，測量精度較低，對于50mg/L以下的粒子濃度就無法測量到。而氣象局檢測的PM2.5濃度數(shù)據(jù)，其采用微量天平過濾法測量，測量精準(zhǔn)可靠，但價(jià)格昂貴。但是在PM2.5濃度數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)A測量的PM2.5濃度值總是氣象局測量的PM2.5濃度值的兩倍大。所以設(shè)本系統(tǒng)A測量的數(shù)據(jù)為a，氣象局測量的數(shù)據(jù)為Q，光散射法和微量天平過濾法之間的誤差系數(shù)為μ（μ為固定值），則可得關(guān)系式 a=μQ，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以得μ≈2，為固定值，所以關(guān)系設(shè)成立。由此可以推斷，本系統(tǒng)在PM2.5濃度值的測量上符合實(shí)際測量值，具有一定的可靠性，其中μ定義為系統(tǒng)誤差。

5 結(jié)束語

通過對系統(tǒng)的硬件測試和測試數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)需求，當(dāng)系統(tǒng)接通電源后，傳感器能自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測并傳輸至單片機(jī)處理后顯示在屏幕上，且監(jiān)測數(shù)據(jù)符合實(shí)際情況，具有使用價(jià)值。但系統(tǒng)也存在不足需要改進(jìn)，主要為：1）無法存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù);2）可通過技術(shù)改進(jìn)增加遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)控制功能。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 王寧，冀敏，趙沖.激光傳感器的智能pm2.5檢測儀[J].激光雜志，2017，38（8）：77-80.

[5] 王海燕，楊艷華.Proteus和Keil軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（5）：88-91.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2021-06-25

作者簡介：鄭宇宏（1996—），男，廣東普寧人，廣州中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生;鄢艷紅（1975—），女（滿族），通信作者，碩士，研究方向?yàn)槲C(jī)控制和計(jì)算機(jī)教學(xué)研究。