基于STC89C54RD+的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

石河子大學 歐陽萱霖 郭志浩 王皓翔

基于STC89C54RD+的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

石河子大學 歐陽萱霖 郭志浩 王皓翔

系統(tǒng)為基于STC89C54RD+的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量檢測儀。通過AD590實現(xiàn)溫度檢測，HS1101實現(xiàn)濕度檢測，MS1100實現(xiàn)VOC氣體檢測以及GL5537-1實現(xiàn)對光照強度的實時采集處理，由LCD12864顯示ADC0809轉換而來的數(shù)字量，同時由LED和蜂鳴器實現(xiàn)分步報警的功能。為了提供人機對話界面，系統(tǒng)采用獨立按鍵設計。系統(tǒng)通過USB連接外部5V電壓供電。整個檢測系統(tǒng)具有設備小巧，操作簡單，功耗低等優(yōu)點。

單片機；環(huán)境監(jiān)測；ADC0809；555非穩(wěn)態(tài)電路

現(xiàn)在的環(huán)境問題越來越嚴重，人們對生活的追求越來越高。由于室外環(huán)境太廣，不可一時改變。而室內(nèi)環(huán)境通過一定的調(diào)節(jié)，將會有足夠大的變化，同時將會更適合人們保持身體健康。本系統(tǒng)將提供一定舒適度范圍的檢測，同時將提醒人們需要對當前環(huán)境的某些變量進行調(diào)整，以便人們調(diào)整室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，使其達到標準。

一、硬件設計

（一）整體設計

該系統(tǒng)為基于STC89C54RD+的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量檢測儀[1]，能夠實現(xiàn)對室內(nèi)溫度(AD590)，濕度(HS1101)，VOC氣體(MS1100)以及光照強度(GL5537-1)的實時采集處理(ADC0809) 、顯示(LCD12864)、報警(LED,蜂鳴器)的功能。通過獨立按鍵進行操作，并由USB提供5V電源。整體效果圖，如圖1所示。

圖1 整體效果圖

（二）模塊設計

1.單片機模塊

采用STC89C54RD+，16k Flash存儲器，以滿足足夠的程序存儲量。同時采用按鍵復位，12MHz晶振，以適應ADC0809嚴苛的時序要求。

2.溫度檢測模塊

系統(tǒng)采用AD590作為室內(nèi)溫度傳感器，如圖2所示。由于AD590輸出電流同絕對溫度（-273℃）成正比[2]，因此在AD590的輸出端連接一個采樣電阻即可實現(xiàn)電流到電壓的轉換。從而使得電壓與絕對溫度（-273℃）滿足一定關系。AD590作為溫度傳感器，輸出的電流是以絕對溫度（-273℃）為基準,每增加1℃,它便會增加1μA的輸出電流。通過連接的10K的采樣電阻，使得傳感器輸出端電壓值為（2.73+T/100）V。又因電流輸出較小，為μA級，在放大電信號前，連接一電壓跟隨器[3]，以便提高輸入阻抗，減小輸入信號的影響，使得輸出電壓穩(wěn)定。接穩(wěn)壓管是為了減少電壓分壓誤差。同時調(diào)整變阻器阻值，電壓接近2.73V以便抵消傳感器的初始輸出電壓，再經(jīng)過放大器使得整個部件輸出為T/10V，得到溫度電壓。本系統(tǒng)中溫度檢測精度為0.1℃。

圖2 溫度監(jiān)測模塊

3.濕度檢測模塊

系統(tǒng)所使用的濕度傳感器HS1100，如圖3所示。這是一種可變電容的電容類濕度傳感器。由于其為可變電容，考慮由555振蕩電路組成多諧振蕩器[4]，進而組成單片機的頻率計算器，環(huán)境濕度的穩(wěn)定，使得充放電也趨于穩(wěn)定，進而得到環(huán)境內(nèi)的實時濕度。電路中，R16為內(nèi)部溫度補償，其目的是引入溫度效使其與HS1101的溫度效應相匹配。且R16同其他的R-C時鐘電路對該位置1%精度的電阻的要求相同。由于相對濕度滿值為100PPm，故針對市面上不同型號的555電路有不同的電阻要求，已便達到與HS1101近似的溫度效應，同時保證該頻率計數(shù)器輸出最大值6033Hz時，環(huán)境濕度為100%。本系統(tǒng)中濕度檢測精度為1%。

圖3 濕度監(jiān)測模塊

4.光強檢測模塊

系統(tǒng)采用的光敏電阻為GL5537-1型[5]。由于光敏電阻輸出結果不具備線性結構，故用于計量檢測會產(chǎn)生很大的不確定性。因此，本系統(tǒng)光強只做大致計量研究，故不考慮余弦漫射的光學入口以及濾色片的選取使用等一系列光學問題。考慮到環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可能會處于高溫高濕環(huán)境，系統(tǒng)采用了CdS型光敏電阻，CdS型光敏電阻最顯著的特點在于耐濕耐高溫。在75%RH的環(huán)境中高溫狀態(tài)下，其電阻變化率小于±10%，誤差影響較小。在接入采樣電路后，光敏電阻由于對環(huán)境的變化較為敏感，同時隨著環(huán)境光強細微的變化，將產(chǎn)生不同的電導率。由于系統(tǒng)最大電壓約為5V，且光明電阻是非線性變化元件，故本系統(tǒng)只能通過對當前環(huán)境的當前采樣點的總體光照強度進行大致電壓轉換。并不能保證光照強度與電壓轉換間的準確性。本系統(tǒng)中光強檢測精度為1cd。

5.VOC氣體檢測模塊

系統(tǒng)該模塊的大致原理為MS1100產(chǎn)生的熱效應與室內(nèi)一定范圍的氣體進行物理變化[6]，從而改變MS1100檢測電路的電導率，以便將當前環(huán)境中有效范圍內(nèi)的VOC（甲醛、酒精氣體等有機揮發(fā)物）氣體濃度轉換為電壓值并輸出[7]。MS1100的缺陷在于開機后必須預熱5分鐘，當其檢測電路熱量趨于穩(wěn)定時，才可得到一個較精確的模擬數(shù)據(jù)，同時，由于系統(tǒng)利用的是熱效應，故系統(tǒng)在運作后，該模塊將產(chǎn)生一定的熱量，使用者應需要額外注意。經(jīng)測量，該模塊熱量不足以改變環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中溫度檢測模塊的結果，不會影響系統(tǒng)的準確性。本系統(tǒng)中VOC氣體檢測精度為1PPm。

6.AD轉換模塊

系統(tǒng)使用的多種傳感器輸出信號均為模擬信號，但由于STC-89C54RD+只能處理數(shù)字信號，故需要對各傳感器輸出信號進行AD轉換，以便該單片機能夠讀取并處理所有傳感器輸出信號。由于室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量指標變化范圍不明顯，考慮成本因素，故采用ADC0809進行AD轉換，如圖4所示。ADC0809對時序的要求一般為500KHz[8]。由于本系統(tǒng)采用12MHz晶振的內(nèi)部時鐘方式電路。且單片機正常運作時，只要不進行模塊拓展連接，ALE引腳就將一直有輸出穩(wěn)定的正脈沖信號，此時頻率為晶振頻率的1/6，即2MHZ的正脈沖信號，再經(jīng)過雙D觸發(fā)器的四分頻，正好可以得到500KHz的時序信號，以滿足驅動ADC0809所需時序的要求。由于ADC0809是8位AD轉換芯片，理論轉換精度為1/256。

圖4 ADC0809模塊

7.聲光報警模塊

系統(tǒng)采用LCD12864漢字圖形點陣液晶顯示模塊作為主要反饋界面[9]，歡迎界面、等待界面、檢測界面以及結果界面都主要由其進行提示，且12864是系統(tǒng)中唯一一個全程參與的電路運作模塊。此系統(tǒng)中除了LCD12864以外沒有其他可以作為提示和輔助監(jiān)測的設備，因此引入LED和蜂鳴器，在系統(tǒng)運作過程中起提示用戶目前系統(tǒng)工作進程的作用。只有在系統(tǒng)處于循環(huán)檢測的過程中，且系統(tǒng)每當接收到下一個傳感器模塊的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)中的LED才會被點亮，以便提醒使用者當前系統(tǒng)即將接受其他傳感器的數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)處于兩種模式的跳轉過程中，蜂鳴器將鳴響一次，以便提醒使用者當前系統(tǒng)即將啟動下一個模塊。

8.控制模塊

系統(tǒng)采用兩個獨立按鍵分別進行控制，兩個獨立按鍵全部連接單片機的中斷系統(tǒng)。當有外部中斷0到達單片機時（按下檢測鍵），系統(tǒng)將改變當前等待狀態(tài)進入檢測模式；若沒有外部中斷1到達時（沒有按下回饋建），系統(tǒng)將會進行循環(huán)檢測。當有外部中斷1到達單片機時（按下回饋鍵），系統(tǒng)將退出檢測模式，同時進入結果顯示頁面。此時若再有外部中斷0到達時（按下檢測鍵），系統(tǒng)將退出顯示界面，并再次進入檢測模式。

二、軟件設計

該系統(tǒng)通過C51進行程序編寫，系統(tǒng)主要由LCD12864提供人機互動。開機啟動后，啟動界面，當按下檢測鍵后，系統(tǒng)將進入檢測界面，直到使用者按下回饋鍵前，系統(tǒng)將一直循環(huán)檢測，且在循環(huán)檢測的過程中，每一輪檢測，LED指示燈將閃亮一次，已提醒當前進入下一項指標的檢測。反饋界面告訴了使用者當前的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)是否達標，若達標，提示環(huán)境狀況良好，若某一項指標不達標，將提示使用者應該注意改善某一項指標，以便環(huán)境得到改善。該系統(tǒng)程序框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序框圖

三、結束語

該系統(tǒng)整體分為檢測、顯示和操作三大模塊。檢測的精度可以達到日常生活需求，LCD顯示也較為詳細，通俗易懂。后期配合無線模塊可以實現(xiàn)多空間的總體控制監(jiān)測[10]，將具有良好的二次開發(fā)前景，也有一定的實際價值。

[1]宏晶科技有限公司.STC89C54系列單片機期間手冊[Z].2015,8,12.

[2]蘇茜.基于溫度傳感器AD590的電熱鍋爐溫度控制器[J].儀器儀表用戶,2012.

[3]楊新鵬.基于LM75A的多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2013.

[4]元器件交易網(wǎng).HS1101中文資料[Z].https://wenku.baidu.com/ view/65c8f945f7ec4afe04a1df13.html,2002,7,7.

[5]馬琳.GL5537-1型CDS光敏電阻.HW/GL5537-1[Z].深圳市海王傳感器件有限公司.

[6]MS1100中文資料[Z].https://wenku.baidu.com/view/ e6797ff35fbfc77da269b1c9.html.

[7]尹艷.淺述室內(nèi)空氣中甲醛的危害和預防[J].四川建材,2008,5.

[8]魯杰爽.基于ADC0809的模數(shù)轉換設計與調(diào)試[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2012,1.

[9]深圳市錦昌電子有限公司.12864詳細中文資料[Z].https:// wenku.baidu.com/view/ecfe14d9ad51f01dc281f19c.html

[10]邢凱.基于單片機的室內(nèi)無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用[D].廣西:廣西名族大學信息科學與工程學院,2014.