環境參數檢測系統

孫 燕，鄔天達，朱鵬健

（中國地質大學（武漢）機械與電子信息學院，湖北 武漢 430079）

1 項目簡介

系統的總體結構可以分為溫濕度采集模塊、濕濃度轉化模塊、數據顯示及報警模塊，通訊模塊四部分。具體實施過程：首先通過PC機設定溫度、濕度、濃度三個物理量相應的閥值，傳送給MCU。然后使用DS18B20、HS1101相應的傳感器、MQ-7一氧化碳檢測模塊等，分別對溫度、濕度、一氧化碳濃度進行采集，將采集的模擬量轉換為數字量后傳送給MCU。然后MCU將當前測得值送到LCD1602，實時直觀的顯示出來。同時MCU判斷當前值與預設值的大小關系，當采集的數據超過設定的閥值時，蜂鳴器報警，提示人們采取措施。最后，為了滿足對采集到的數據進行深入處理（如統計分析、打印存檔、繪制曲線圖表等）的需要，本項目特增加了上位機存儲顯示，將數據從檢測裝置送至計算機，供以后數據的深入處理。

2 硬件設計

主要環節：通過PC機輸入三個物理量相應的閥值，傳送給MCU。用按鍵選擇分別進行溫度、濕度、濃度的采集。

當采集的數據超過設定的閥值時，蜂鳴器報警。將采集的模擬量轉換為數字量傳送給MCU，如圖1所示。

圖1 硬件總體框圖

為了對采集到的數據進行深入處理（如統計分析、打印存檔、繪制曲線圖表等），需將數據從檢測裝置送至計算機。

2.1 溫度檢測模塊

（1）DS18B20的內部結構及工作原理：DS18B20主要由4部分組成：電壓范圍寬，3.0V~5.5V，轉換速率快，在9位分辨率時最多在93.75mS內把溫度轉換為數字，在12位分辨率時最多在750mS內把溫度轉換為數字，內有64位ROM、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

DS18B20具有兩種溫度存儲方式；9位和12位存儲。9位存儲時最小位為0.5，12位存儲時最小位為0.0625。當溫度轉換命令發布后，經轉換所得的溫度值以二進制補碼形式存在高速緩存存儲器的第0和第1個字節。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時，低位在前，高位在后。

（2）溫度傳感器DS18B20與單片機的連接方式：一種是寄生電源供電方式。在這種供電方式中，DS18B20的VDD和GND連接，DQ和單片機的一個I/O口連接，并設一個4.7K的上拉電阻。DS18B20從單線信號線上汲取能量：在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）供電。

另一種是外部電源供電方式，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O口線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統。

其中外部供電方式是DS18B20的最佳工作方式，工作穩定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發出穩定可靠的多點溫度監控系統。如圖2所示。

圖2 DS18B20與單片機連接方式

2.2 濕度轉換模塊

電容型濕度傳感器hs1101基于獨特工藝設計，其可以工作在-40℃ ～+100℃范圍內，而且電容值與濕度具有較好的線性度。

圖3 濕度轉換模塊

圖3電路為典型的555非穩態電路。HS1101作為電容變量接在555的TRIG與THRES兩引腳上，引腳7用作電阻R4的短路。等量電容HS1101通過R5與R4充電到門限電壓約0.67Vcc，7端通過芯片內部的晶體管對地短路又構成對電容的放電回路，構成一個典型的多謝振蕩器。輸出端為一固定頻率方波。其工作循環可以描述如下：

T_high=C@%RH*(R2+R4)*ln2T_low=C@%RH*R2*ln2

為了使循環時間降低50%，則與R4相比R5應該非常小但是不要低于最小值,電阻R7是為了短路保護。555必須為CMOS。

輸出頻率F與濕度之間關系:

RH(%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100頻率（Hz） 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033

2.3 一氧化碳濃度測量轉換模塊

圖4 一氧化碳測量模塊

上圖是一氧化碳濃度檢測模塊，3為模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高。2為TTL輸出，其有效信號為低電平，可直接接到單片機I/O口。

上述一氧化碳濃度檢測模塊主要由LM393、QM-N10氣體傳感器等芯片構成。ZYMQ系列氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導體,最常用的如SnO2。金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負電荷的半導體表面，半導體表面的電子會被轉移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子，同時在半導體表面形成一個正的空間電荷層，導致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動。

當一氧化碳濃度升高時，電阻值減小，經過和R2分壓，可知道2端模擬輸出電壓增大，輸入到LM393電壓比較器芯片，輸出TTL電平0或1，然后輸入到單片機進行檢驗。項目實際操作中，將2端的模擬電壓輸入到ADC0809模數轉換器，再將轉換的結果送到單片機，通過單片機判斷其對應的濃度值，再送到LCD1602顯示。

3 結語

在很多領域里，需要對這些環境參量做到精確測量。如:農業生產，科學的控制上述三種參數，可以使農作物更好的生長，增產增收，取得更好的經濟效益。因此，本項目的設計具有廣泛的應用前景。運用所學，將理論知識用于實踐，增強思考和動手能力。同時，本項目組齊心竭力，深刻體會到團隊合作的重要性。

[1]沈建華.MSP430系列16位低功耗單片機原理與應用[M]，北京：清華大學出版社，2004.

[2]張軍，陳慧麗.基于MSP430單片機和DS18B20的數字溫度計[J].電子設計工程，2010，（11）.

[3]高翔，陳志輝.基于MSP430F1232的溫濕度檢測系統[J].電子元器件應用，2007，（3）.