室內環境監測系統的設計

浙江工業職業技術學院　徐見煒

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室內環境監測系統的設計

浙江工業職業技術學院徐見煒

【摘要】本文針對溫度、濕度、光照強度和天然氣濃度等影響室內環境舒適度的主要因素，設計了室內環境監測系統，本系統主要以AT89C52為核心，控制信號的數據采集，并實現與計算機串行通信功能，利用LabVIEW軟件，實現了系統數據通信和后臺數據處理功能模塊。該系統具有監測方便、實時數據采集傳輸、費用低廉等特點。

【關鍵詞】LabVIEW；單片機；傳感器；室內環境

0　引言

隨著現代社會經濟的飛速發展，人們的生活水平也在不斷提高。家庭住宅居室是人們生活的最主要場所，室內居住環境的舒適度、便利性以及安全性直接關系著人們的生活質量，影響著人們的身心健康，因此室內環境污染對人體健康的影響己越來越被人們所關注，人們對室內環境的要求也越來越高。但是如今由于室內裝修污染物以及人們各種不良生活習慣等原因，導致室內環境隱患眾多，嚴重危害人們的身心健康，所以對室內環境的實時監測是非常必要的。目前雖然市場上的室內環境監測儀種類繁多，但是監測的主要是有害氣體，相對功能比較單一化，同時價格也較貴，所以對功能多元化的多參數綜合環境監測系統的設計勢在必行。

1　系統的原理與組成

系統的組成主要包括單片機下位機系統和LabVIEW上位機系統兩部分。系統組成如圖1所示。

下位機單片機系統由傳感器檢測模塊、報警模塊、無線傳輸模塊等部分組成。上位機系統分為顯示程序模塊、聲光報警程序模塊和數據記錄程序模塊。傳感器檢測模塊又分為溫濕度傳感器模塊、光強度傳感器模塊、天然氣傳感器模塊。它們的功能是準確無誤地檢測室內的環境參數：溫濕度、光照強度、天然氣濃度，然后單片機將檢測到的數據通過串口無線傳輸給PC機，通過PC機上LabVIEW編寫的上位機程序對數據進行實時顯示并且記錄。報警模塊功能是當檢測模塊檢測到的數據超出設定值時實現報警功能。

2　系統硬件設計

2.1溫濕度檢測電路的設計

溫濕度檢測電路主要元件為DHT90數字溫濕度傳感器，其測濕范圍：0—100%RH，測溫范圍:-40°C一123.8°C。可以與單片機引腳直接連接，不需要其他電子元件輔助，所以使用該傳感器可以使開發時間大幅度縮短，大大提高了效率。電路如圖2所示。

圖1　系統組成

圖2　DHT90與單片機連接圖

圖3　BH1750FVI與單片機連接圖

2.2光強度檢測電路的設計

光強度檢測電路采用BH1750FVI16位數字輸出型環境光強度傳感器，是一種用于兩線式的串行總線接口的集成電路，有著使用方便、功率低、分辨率高、檢測范圍大、誤差小、穩定性高等優點。電路如圖3所示。

2.3天然氣檢測電路的設計

天然氣檢測電路采用MQ-5傳感器，是一種典型的半導體氣敏電阻傳感器，其在工作時可以把氣體的種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，然后根據電信號的強弱程度獲得待測氣體在環境中的濃度值，從而達到檢測環境中某種氣體濃度的目的。由于MQ-5傳感器測量的為模擬量，需要通過模數轉換將測得的模擬量轉換成數字值發送給單片機，本系統采用的是ADC0809模數轉換器。電路圖如圖4所示。

圖4　MQ5工作電路圖

圖5　AMS1117電路圖

2.4無線通信電路的設計

無線通信電路采用UTC-1212無線通信模塊，該模塊具有功耗低、集成度高、微功率、半雙工等特點，集成了高性能的MCU和超低功耗射頻芯片。由于UTC-1212模塊的供電電壓范圍為2.1V—3.6V，但系統的供電電壓為5V，所以需要對單片機的輸出電壓進行降壓處理才能給無線模塊供電，否則會很容易燒毀無線傳輸模塊。本系統使用AMS1117正向壓降穩壓器實現降壓功能，如圖5所示。UTC模塊與單片機連接圖如圖6所示。

圖6　UTC模塊與單片機連接圖

2.5串口通信電路的設計

計算機與外部的基本通訊方式有兩種:并行通訊和串行通訊。串行通訊較并行通訊傳送速度慢，但連接簡單，而且AT89C52單片機內部有一個功能很強的全雙工串行口，該串行口有4種工作方式，波特率可用軟件設置，由片內的定時器、計數器產生，接收發送均可觸發中斷系統，使用十分方便。對本設計而言，串行通訊速度完全能滿足要求，因此本系統選用RS-232串口進行雙機通訊。電路如圖7所示。

圖7　串口電路圖

圖8　蜂鳴器報警電路圖

2.6報警電路的設計

本系統使用的壓電式蜂鳴器的驅動屬于自激驅動，自激驅動非常簡單。自激蜂鳴器是由直流電壓驅動的，不需要利用交流信號進行驅動，不過需要對驅動口輸出的驅動電平通過三極管放大，然后放大輸出驅動電流就能使蜂鳴器發出聲音。電路如圖8所示。

3　系統軟件設計

軟件設計包括單片機程序和計算機程序，總體思想是：采用模塊化設計方法進行設計和調試。根據編制的程序進行控制，自動完成邏輯判斷以及測試。根據系統的要求，系統的人部分功能都以硬件為基礎，通過匯編語言和C語言編程實現，本設計軟件主要實現單片機與上位PC機進行通訊及控制A/D轉換器進行數據采集和計算機主界而控制顯示最終數據。

3.1單片機端軟件設計

單片機是硬件部分的核心，其功能是多方而的，不僅有單片機本身的工作，還有A/D轉換器的控制與計算機的串行通信控制等。

圖9　單片機程序結構框架

3.2計算機端軟件設計

計算機端軟件是軟件部分的核心，其功能是多方而的，不僅負責采集數據的接收，還有對接收的數據進行處理和顯示等功能。為了便于程序的設計、連接和修改，各功能程序實行模塊化。利用NI公司的LabVIEW，經過設計可以得到如圖10所示的計算機端主界面 。

圖10　計算機程序主界面

4　結論

本文介紹的基于虛擬儀器的室內環境監測系統，通過對傳感器檢測到的信號進行處理，實現了室內溫度、濕度、光強及天然氣的監測。由于此設計由各個單元模塊化組合，所以適合移植或構建到其它系統中，還可以根據需要修改子程序，靈活性較好。此外，與LabVIEW相結合，達到了直觀、方便的效果，實現了更多的功能。

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徐見煒（1980—），男，浙江嵊州人，碩士學位，實驗師，現供職于浙江工業職業技術學院，研究方向：智能控制、嵌入式系統技術、檢測裝置與儀表。

作者簡介：