簡易室內溫度及空氣質量監測系統設計

摘要：室內溫濕度及顆粒物濃度是人們日常生活中密切關注的空氣指標，系統通過DHT11溫濕度傳感器采集室內的溫濕度信號，再通過GP2Y1010可吸入肺顆粒物濃度檢測傳感器進行室內空氣質量的數值檢測，如果PM2.5值超出上限將報警。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/280687.htm

關鍵詞：單片機；溫濕度傳感器；溫控算法；PM2.5檢測

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.9.010

引言

室內環境的溫度、濕度和可吸入肺顆粒物濃度是人們日常生活中十分關心的室內空氣質量的指標。現今健康成為越來越多的人關注的話題，但是由于我們周邊生活環境的日益惡劣，尤其是霧霾天氣的加重，PM2.5值不斷提高，有效監測手段非常必要。

本文所設計的簡易的空氣質量監測系統可以實時地監控房間內的溫濕度，對可吸入肺顆粒物的濃度檢測值，在被測定之后，如果超過其最高限定值則會報警以提示。

1 系統總體設計

整個設計需要完成溫度傳感器電路的制作和傳感器布局，核心控制器的選型及電路設計，設計可行的溫度控制算法（可以基于PID或者模糊邏輯），設計多點溫度數據的采集及轉換、溫度實時顯示電路、空氣質量監測及懸浮物測量的基本方案，并進行硬件選型和空氣質量基準標定等。

為了滿足上述設計要求，選擇STC89C52RC型單片機，使用多個DHT11溫濕度傳感器來實現多個地點采樣溫濕度的工作，輔以GP2Y1010型可吸入肺顆粒物傳感器，用來檢測環境中可吸入肺的顆粒物的濃度，最終通過LCD1602液晶顯示屏進行溫濕度和可吸入肺顆粒物濃度的檢測值的顯示，不同控制模式下使用不同方式設定標準溫濕度值，通過PID控制溫度控制算法來實現溫度的控制，并且對可吸入肺顆粒物的濃度也設定一個上限值，如果超過上限值就進行報警。

2 溫度傳感器的選擇

目前使用的數字量輸出的傳感器有兩種，即DS18820和DHT11。

方案一：DHT11溫濕度傳感器。DHT11溫濕度傳感器有SV左右的工作電壓，可以檢測的溫度范圍為O℃-50℃，并且可以在該溫度的范圍內進行濕度的測量。這種傳感器采用數字信號輸出。

方案二：DS18820溫度傳感器。DS18820也有SV工作電壓。分辨率調整范圍為9至12位。其溫度測量范圍從-55℃至+125℃，同樣也是數字信號輸出，但不能同時進行溫度和濕度兩種所需指標的檢測。

由于傳感器需要在多點測量溫濕度的實際情況當中進行應用，而DS18820只能實現對一種指標進行測量，且多點測量的情況下，還需要單純的測量濕度的檢測器件，這樣會增加成本和諸多設計上需要考慮的問題，因此結合應用需要選擇DHT11更為方便。

3 空氣質量傳感器模塊的選擇

要進行室內空氣質量的檢測，通過對比和篩選初步選擇了M205型空氣質量模塊和GP2Y1010可吸入肺顆粒物濃度檢測傳感器模塊兩種，下面具體對兩種模塊進行詳細的比較。

方案一：M205型空氣質量模塊。該模塊的優點在于奠內部具有現在技術非常成熟的片式厚膜半導體氣敏元件，對空氣中的各類的易燃類氣體比如氫氣、一氧化碳、酒精等氣體比較敏感。但該類模塊存在一定的危險性，不適合室內溫、濕度監測。

方案二：GP 2Y1010可吸入肺顆粒物濃度檢測傳感器模塊。這是運用光學原理來檢測的可吸入肺顆粒物檢測傳感器，該類傳感器模塊的工作原理是由于空氣中的光線強度受塵埃顆粒的影響比較明顯，通過加載一個光學傳感器模塊對光線的強度做出感應，從而得出濃度檢測的數值。尤其是可以有效地檢測到像香煙煙霧般非常細的顆粒。該傳感器的工作方式為通過檢測空氣中粒子半徑為0.5微米的顆粒數量，具有相當高的穩定性和靈敏性。

對于本方案，是在室內中央空調環境下的溫濕度及空氣質量監測，通過上述的比較，GP2Y1010的測量精度和各方面特點更加符合設計的要求。

4 系統硬件設計

4.1 總體結構

前面的論證將系統方案和各個模塊的選用方面都進行了具體的分析，于是，在以上各個模塊元器件選定基礎之上，可初步畫得本設計系統結構如圖l所示。

4.2 DHT11溫濕度檢測模塊

其中DHT11溫濕度檢測模塊和GP 2Y1010型可吸入肺顆粒物濃度檢測模塊采集完信號后，均傳人STC89C52RC進行信號的處理，接著測量的溫濕度數值和溫度設定值以及可吸入肺顆粒物濃度即PM2.5的數值通過LCD1602顯示出來。

DHT11的外觀實物圖如圖2所示。

DHT11共有4個引腳，其中將四個引腳編號為l號、2號、3號和4號。l號名稱是VCC，是電源引腳，正電源輸入且可輸入3V至5.5V的直流電壓，本設計具體應用的是+5V直流電源：2號引腳名稱是Dout，是輸出引腳，在輸出類型上是單總線數據輸出/輸入引腳；3號引腳名稱是NC，是空腳，擴展未用；4號引腳名稱是GND，是接電源地的引腳。

4.3 GP2Y1010型粉塵傳感器

可吸入肺顆粒物濃度檢測傳感器模塊選用的是夏普公司的GP2Y1010AUOF，該模塊是使用感光原理工作的，其中有一個紅外發光二極管和一個光電晶體管對角布置。如圖3所示，通過產生一定時間長度、一定電壓值的脈沖信號，即檢出灰塵濃度。采樣信號出現高脈沖之后經過一定的延時再進行采樣，數據穩定可靠，輸出的信號有0.28ms的上升日寸間，避免在這個時間段，對輸出脈沖進行采樣。

一般情況下，香煙的煙粒子細微、密度高，會大范圍漂移并呈擴散式。與此相比，灰塵顆粒分散且大，密度低，斷斷續續通過的檢出區。煙輸出電壓是連續的，灰塵則是間隔的。

可吸入肺顆粒物濃度檢測模塊即PM2.5模塊的輸出電壓與灰塵濃度的益線存在分段的近似線性。將相近的數學函數表達式，編入程序，即可和搭建的硬件模塊進行室內環境可吸人肺顆粒物濃度的檢測。

本設計的GP 2Y1010模塊電路圖如圖4所示。其中2SC2815型的NPN管是為了增加GP 2Y1010的3號引腳LED的驅動能力，2SC2815型的NPN管基極引腳。P35號接線，是連接2SC2815的NPN管的基極與單片機的15號引腳的接線，即為GP 2Y1010提供輸入脈沖，GP 2Y1010的模擬輸出接一個20K的電阻，直接給模數轉換器PCF8591，又因為單片機也用的是+5V直流電壓，所以其6號引腳不需要接分壓電阻即可。

4.4 A/D模塊的設計

本系統中由于GP 2Y1010是模擬信號傳感器，所以這個部分的轉換需要A/D模塊，本設計選擇用PCF8591這個8位的多位模擬輸入單片集成芯片。PCF8591是8位的單片獲取數據的器件。其中l號引腳、2號引腳和3號引腳可用于硬件編程，均為地址引腳，其上的信號是通過I2C總線，傳輸方式為串行。

具體的本設計的模數轉換模塊的電路就如圖5所示。

其中，PCF8591芯片的l號引腳接PM2.5檢測的模塊GP2Y1010的模擬輸出端，9號、10號引腳則用來與單片機相連。

5 軟件設計的總體結構

Keil C51是本次設計編寫軟件程序應用的工具軟件。為了調試程序時比較方便，對整個設計的軟件分模塊進行了編程，其中室內溫度及空氣質量監測系統的軟件總體結構包括溫濕度數值采集子程序、可吸入肺顆粒物濃度采集子程序、液晶顯示子程序、鍵盤掃描子程序、輸出控制子程序，具體結構如圖6所示。

6 小結

本設計將室內空氣溫濕度的檢測信號、空氣中可吸入肺顆粒物濃度即PM2.5數值的檢測信號通過單片機進行處理后，在LCD1602液晶顯示屏上進行顯示。可吸入肺顆粒物濃度值即PM2.5值超上限設定值時的報警功能，通過軟件與硬件中的蜂鳴器相結合來實現的。

設計實現了多點溫度的采集和實時的顯示，通過可行的溫度算法及支持人工與智能兩種溫控模式，完成了可吸入肺顆粒物濃度及PM2.5的數值的檢測模塊的基本方案和硬件選型。