一個(gè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓旭

摘要：為了進(jìn)一步保證實(shí)驗(yàn)室安全，實(shí)時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)，文章設(shè)計(jì)了一款基于AT89C52單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件組成主要由STC89C52、LCD1602液晶顯示屏、DHT11溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、熱釋紅外傳感器、藍(lán)牙模塊、繼電器以及蜂鳴器等組成。系統(tǒng)工作時(shí)，通過相應(yīng)傳感器實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，然后通過液晶顯示屏顯示。當(dāng)獲取數(shù)據(jù)超出控制范圍，控制模塊自動(dòng)調(diào)控溫度。當(dāng)獲取數(shù)據(jù)超出報(bào)警范圍后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警。還可以通過藍(lán)牙模塊在手機(jī)上獲取當(dāng)前測量數(shù)據(jù)。為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測提供了重要數(shù)據(jù)，提高了實(shí)驗(yàn)室的安全性。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；單片機(jī)；控制；藍(lán)牙模塊

中圖分類號(hào)：TP273? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）13-0094-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

高校實(shí)驗(yàn)室是高校中教學(xué)和科研的重要場所，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境對(duì)人的健康、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室安全都有著極其重要的影響[1-2]。所以在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測是必不可少的，它是保證實(shí)驗(yàn)課程有效進(jìn)行以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)準(zhǔn)確的首要條件，研究實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)室一項(xiàng)重要工作[3]。

1 系統(tǒng)功能需求分析

本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地對(duì)室內(nèi)的環(huán)境（包括甲烷等可燃?xì)怏w、溫度、濕度）進(jìn)行測量，然后進(jìn)行顯示。當(dāng)溫濕度的值超過控制范圍時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)照{(diào)、加濕器等進(jìn)行控制。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度、溫濕度的值超過報(bào)警范圍時(shí)，系統(tǒng)能夠進(jìn)行報(bào)警提示。還可通過藍(lán)牙在手機(jī)上查看系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件選擇與電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件電路采取模塊化設(shè)計(jì)，由單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示模塊、熱釋紅外傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、溫濕度傳感器、藍(lán)牙、控制、報(bào)警及按鍵模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)硬件功能分析

系統(tǒng)通過溫濕度傳感器模塊、可燃?xì)怏w傳感器模塊從室內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過處理后由1602液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示這些數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將這些數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。如果超出控制預(yù)設(shè)值的范圍，系統(tǒng)會(huì)通過控制電路對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行控制。如果控制電路出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)超出報(bào)警值，系統(tǒng)會(huì)通過報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警，等待人工處理。按鍵電路可以對(duì)預(yù)設(shè)值進(jìn)行修改。該系統(tǒng)還配備了藍(lán)牙模塊，可以在手機(jī)App方便地查看系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選用STC89C52作為系統(tǒng)的CPU。為了保證給液晶顯示電路提供電壓的穩(wěn)定性，在正負(fù)極之間加電容，以提高液晶顯示電路工作的可靠性。電位器RV1可以調(diào)節(jié)液晶顯示的清晰度。

檢測模塊主要由溫濕度傳感器與可燃?xì)怏w傳感器兩部分組成。該系統(tǒng)選用的溫濕度傳感器為DHT11，主要測量室內(nèi)溫濕度，溫濕度測量模塊電路如圖2所示。電容C5是為了保證系統(tǒng)給模塊提供電壓的穩(wěn)定性。LED2是模塊電源指示燈，用于判斷模塊是否供電，方便后期系統(tǒng)故障排查。5K的上拉電阻是為了增加傳感器輸出信號(hào)的強(qiáng)度，防止傳感器離單片機(jī)較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸過程的能量損耗而使單片機(jī)接收不到傳感器的信號(hào)。

可燃?xì)怏w傳感器是通過利用某些材料自身的電阻率會(huì)隨著可燃?xì)怏w的濃度而發(fā)生變化的現(xiàn)象，將可燃?xì)怏w的濃度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種器件[4]。該系統(tǒng)選用的可燃?xì)怏w傳感器為MQ-2，主要用于檢測室內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度。其電路如圖3所示。電容C6是為了保證系統(tǒng)給模塊提供電壓的穩(wěn)定性。LED3是模塊電源指示燈，用于判斷模塊是否供電，方便后期系統(tǒng)故障排查。Lm393是一個(gè)電壓比較器，當(dāng)3處電壓高于2處時(shí)，1處就為高電壓，否則為低電壓。RV2用來模擬氣體傳感器的敏感元件，RV3可以調(diào)節(jié)氣體傳感器的靈敏度。D4為信號(hào)燈，用于直觀觀察信號(hào)的傳輸。

在控制電路中，因單片機(jī)引腳的輸出電流較小，不足以直接驅(qū)動(dòng)繼電器，所以采用三極管來驅(qū)動(dòng)繼電器。采用NPN型三極管來驅(qū)動(dòng)繼電器時(shí)，高電位導(dǎo)通，系統(tǒng)在剛上電的時(shí)候，單片機(jī)程序未運(yùn)行，所有引腳默認(rèn)處于高電位狀態(tài)，繼電器會(huì)出現(xiàn)通電瞬間吸合誤動(dòng)作，此時(shí)系統(tǒng)所有繼電器同時(shí)吸合，所需電流突然增大，可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法啟動(dòng)或者控制紊亂等狀況，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成極大的影響。故此處采用PNP三極管來驅(qū)動(dòng)繼電器，能夠有效避免上述狀況，極大地提高了系統(tǒng)正常啟動(dòng)的可靠性和控制的有序性?？刂颇K電路如圖4所示。

報(bào)警電路主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的報(bào)警，該電路由蜂鳴器、LED、三極管（PNP型）和兩個(gè)電容組成。該系統(tǒng)采用聲光報(bào)警，用三極管來驅(qū)動(dòng)。此時(shí)三極管相當(dāng)于電子開關(guān)。為了防止系統(tǒng)剛上電，程序還未運(yùn)行，報(bào)警電路就開始報(bào)警的情況，此處特別選用PNP型三極管對(duì)報(bào)警電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

藍(lán)牙模塊與單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，為了保證通信的正常進(jìn)行，藍(lán)牙模塊的RXD引腳必須接單片機(jī)的TXD引腳，TXD引腳必須接單片機(jī)的RXD引腳。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主程序、測控程序、報(bào)警程序和參數(shù)設(shè)定程序組成。其中主程序包括背光函數(shù)、熱釋紅外傳感器函數(shù)、按鍵程序函數(shù)和模式選擇函數(shù)，系統(tǒng)在主程序中完成初始化、初始顯示，背光函數(shù)控制液晶顯示器的背光，在5S之內(nèi)無人操作時(shí)，單片機(jī)關(guān)閉背光，實(shí)現(xiàn)更低功耗。熱釋紅外傳感器函數(shù)主要是檢測系統(tǒng)附近是否有人，當(dāng)有人時(shí)，能夠?qū)@示器背光打開，方便查看系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)。按鍵程序函數(shù)主要用于改變模式變量的值，進(jìn)而使系統(tǒng)進(jìn)入不同的模式，然后模式選擇函數(shù)根據(jù)模式變量的值進(jìn)而選擇執(zhí)行不同模式的程序。主程序流程圖如圖5所示。

3.2 測控程序設(shè)計(jì)

測控報(bào)警程序主要功能就是室內(nèi)溫度濕度的測量、顯示和控制，是整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的主要函數(shù)。主要由兩部分組成，第一部分為初始界面顯示函數(shù)，每次模式切換后只執(zhí)行一次，主要顯示該模式下不變的信息，避免頻繁刷新加大單片機(jī)的工作量，降低單片機(jī)的工作效率。第二部分包括溫濕度接收函數(shù)、溫濕度顯示函數(shù)、控制函數(shù)。

溫濕度接收函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)溫濕度傳感器對(duì)溫濕度進(jìn)行測量，然后將所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，保存在溫濕度變量中，方便單片機(jī)后期對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)的處理。顯示函數(shù)主要將溫濕度傳感器及氣體傳感器測得的數(shù)據(jù)顯示。控制函數(shù)首先將所測溫度與濕度下限值比較，當(dāng)溫度小于下限值時(shí)，給控制變量賦相應(yīng)的值，并打開低溫控制繼電器進(jìn)行升溫，當(dāng)溫度大于等于下限值時(shí)，再將溫度與上限值進(jìn)行比較，如果溫度大于上限值，則給控制變量賦相應(yīng)的值，并打開高溫控制繼電器進(jìn)行降溫，如果溫度小于等于上限值，則給控制變量賦相應(yīng)的值，并關(guān)閉低溫、高溫控制繼電器。在控制函數(shù)中利用軟件互鎖控制高溫與低溫控制繼電器，從而提高系統(tǒng)的工作效率。濕度控制同溫度控制。

3.3 報(bào)警程序設(shè)計(jì)

報(bào)警程序主要包括報(bào)警預(yù)處理函數(shù)、報(bào)警函數(shù)和報(bào)警顯示函數(shù)。報(bào)警預(yù)處理函數(shù)將當(dāng)前溫濕度數(shù)值與報(bào)警預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較并將比較結(jié)果賦值給報(bào)警變量。報(bào)警函數(shù)主要是根據(jù)報(bào)警變量數(shù)值來確定是否報(bào)警。報(bào)警顯示主要是根據(jù)報(bào)警變量將是否報(bào)警、誰報(bào)警、高溫（濕、濃度）報(bào)警或是低溫（濕）報(bào)警等信息通過相應(yīng)指示燈顯示，方便人們在得到報(bào)警信息后能夠快速準(zhǔn)確地去處理。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，能夠完成以下幾個(gè)方面：1） 液晶屏上顯示的內(nèi)容清晰可見；2） 使有害氣體濃度接近報(bào)警值時(shí)，傳感器就能夠給單片機(jī)信號(hào)；3） 當(dāng)人靠近傳感器的時(shí)候，熱釋紅外傳感器能及時(shí)給單片機(jī)發(fā)送信號(hào)；4） 藍(lán)牙模塊能保證手機(jī)App通過藍(lán)牙串口能夠與單片機(jī)進(jìn)行正常通信； 5） 溫濕度超過相應(yīng)控制值，能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫濕度和氣體濃度任意量超過報(bào)警閾值，系統(tǒng)能夠報(bào)警。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能夠有效地監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)室安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 申建軍.高校實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山東化工，2022，51（23）197-200.

[2] 荀磊.“云-管-端” 架構(gòu)下實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，22（2）：1-6.

[3] 郭向前，段金英，張銳.基于LabVIEW的高校實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2016（6）117-118.

[4] 王靜.基于STC89C52單片機(jī)的智能家居監(jiān)測器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案[J].現(xiàn)代信息科技，2022（1）：175-178.

[5] 鄧圓，李佳佳，何秋元.基于STC89C52的智能窗戶設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020，16（13）：206-207.

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