基于單片機的便攜式多參數環境監測儀設計

張子澗++于宏濤++邢家俊

摘 要 針對環境監測儀器可以實現監測多個參數，且便于攜帶問題，提出了應用Arduino單片機對環境溫度，濕度，光照度等進行監測，給出了環境參數傳感器的選取、監測儀軟硬件的設計與實現方法，經過實驗分析以及調試驗證，本文所設計的監測儀能夠正常運行并且能夠準確、快速地采集各種環境信息并進行反饋，克服了傳統監測系統的多種弊端。

【關鍵詞】Arduino單片機 多參數 監測 便攜式

1 引言

隨著工業化的深入，城市建設擴大，機動車保有量增加，農耕田礦山濕地違章開發，全球氣候變暖，自然植被森林沙漠化等因素，人類的生存環境正日益受到生活和生產所產生的污染物的危害。環境監測是合理利用環境資源、保護生態環境的重要工作，目前很多環境監測儀器監測參數比較單一，且監測儀器不便于攜帶。本文提出通過對Arduino單片機以及其輸入、輸出擴展模塊進行編程以及外部電路設計，實現對當前環境溫度、濕度和風速多參數進行監控，并且通過窗口通訊將信息轉化為具體數值反饋給作為PC上位機。

2 方案設計

本文設計一種以單片機為核心的便攜式多參數環境監測裝置。選擇合適的傳感器對被檢測參數進行檢測及采樣，將傳感器輸出經適當的變換處理，饋入單片機，數據處理后，以適當的方式進行顯示，同時要求完成相應的軟硬件設計及主要的調試工作。

2.1 實現多參數監測

提出應用單片機設計了一個智能環境監測系統，用戶通過設定監測組數以及每組監測的時間間隔，使單片機在特定時間段以及時間間隔內采集環境數據并通過藍牙通訊將收集到的數據進行反饋處理和收集。另外，參數監測傳感器所傳輸至單片機的數據并非是以期望單位進行反饋的，例如溫度傳感器反饋回來的數據是以0-1024形式出現的數值，將這些數值通過數學公式與模型處理成我們日常生活中的數據后再通過串口通訊反饋給電腦。具體監測參數如下：

（1）溫度；

（2）濕度；

（3）風速、風向。

2.2 實現串口反饋

在編寫程序的過程中要確保PC能夠收到單片機所反饋回來的數據并在串口監視器上顯示出來，由于單片機是基于C語言實現的單片機技術，其中的語法本身就包含了串口通訊這一功能，通過編程可以直接實現9600kbp的串口通訊。

3 方案的具體實現

單片機是把中央處理器、存儲器、定時/計數器、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。Arduino是一款便捷靈活，方便上手的開源電子原型平臺，是目前應用比較廣泛的一種單片機，相對于傳統51單片機更為先進，編程也更易掌握，并比較直觀。因此，本文基于Arduino單片機進行設計。

3.1 溫濕度監測系統設計

在測量溫濕度方面，本文采用了DHT22（AM2302）數字溫濕傳感器作為采集工具。該傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，傳感器具有兩個電源引腳以及一個單總線接口用于將采集數據傳輸給單片機，其數據格式包括16位精度的濕度數據，16位精度的溫度數據（攝氏度）和末尾的8位校驗位構成的。通過將采集到的數據進行轉換分別得到保留一位小數的10進制溫濕度數據并存入提前設置好的浮點變量中，待其他數據采集完成后由Arduino主機通過藍牙通訊一起發送給上位機。DHT22的供電電壓為3.3-6V。傳感器通電后，需等待1s以越過不穩定狀態，期間不因對其發送任何采集指令以防止采集失敗達不到預期效果。

3.2 風速監測系統設計

在風速測量方面，本文采用了工業型風速傳感器為 RS485 總線式傳感器，該傳感器是一種專門用以監測風速的檢測儀 表。儀器能夠連續監測風速并遠程顯示，同時將風速轉換成 MODBUS-RTU 標準 RS485 電信號 傳輸給單片機。通過編程整理將原本風速儀0-5V的輸出轉化為0-30m/s的風速數據。

3.3 圖像顯示系統設計

在外部圖像顯示方面本文采用了HT16K33 mixly 8x8 LED點陣，該點陣模塊采用HT16K33芯片作為驅動，可以僅僅使用2個IO管腳就能驅動點亮 I2C點陣模塊。通過在Arduino IDE調用Adafruit_GFX與Adafruit_LED兩個庫文件并將采集到的數據由浮點型轉化為字符型，即可使用對應的函數對LED點陣實現滾動式文字顯示輸出。

3.4 上位機通訊系統設計

在數據采集方面，本文采用了Arduino單片機對應的1sheeld拓展版，該板具有藍牙通訊的功能，能夠將單片機采集到的數據通過9600kbps的比特率傳輸給安裝有安卓操作系統的上位機。通過調用1sheeld對應的開發庫文件和對其進行編程，本文實現了集數據采集、系統加密、系統預設、數據整理、為一體的室外環境系數采集系統。

4 結論

針對環境儀器檢測參數過于單一、反應時間過長、且數據不準確的問題，本文提出通過應用Arduino單片機以及其輸入、輸出擴展模塊進行編程，結合外部電路設計實現對當前環境多參數進行監測，并且通過藍牙通訊將信息轉化為具體數值反饋給作為上位機的安卓系統的手機。同時將PC機融入到監測這一環節，使得單片機可以將多個參數監測數據實時反饋給電腦，實現對總體環境情況的反饋。該多參數環境監測儀器同時能夠對溫度，溫度和風速等多個參數實現監測，并能夠通過串口通訊將監控對象的數據實時返回，同時具有操作簡單及易于便攜等特點，可廣泛應用于諸多領域的環境參數監測與保護。

參考文獻

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作者簡介

張子澗（1995-），男，大學本科學歷。研究方向為自動化技術。

作者單位

沈陽工程學院自動化學院 遼寧省沈陽市 110136endprint