基于單片機的教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設計

魏雅文

（沈陽市化工學校，遼寧 沈陽110122）

1 概述

基于單片機的教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，是由若干子設備和一個計算機上位機軟件構成的系統(tǒng)，設計背景是將某一教學樓內(nèi)所有教室的空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測。由于該系統(tǒng)比較龐大，因此本文著重論述系統(tǒng)中各子設備的設計方案。本設計教室空氣質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)中，主要對教室內(nèi)的一氧化碳指數(shù)、二氧化碳指數(shù)、硫化物指數(shù)、粉塵顆粒（PM2.5）指數(shù)、教室溫濕度和聲音強度參數(shù)進行采集和分析。其中，前4 項指標為關鍵指標，教室的溫濕度和聲強參數(shù)為附加功能，其中溫濕度是較為常用的室內(nèi)參數(shù)，聲強檢測可使學生在自習室保證安靜。

2 系統(tǒng)整體方案設計

2.1 系統(tǒng)整體功能描述

教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)的主要功能是，通過裝置和傳感器位置的有效安裝，實時監(jiān)測對應教室內(nèi)的各項指標參數(shù)，其中關鍵監(jiān)測參數(shù)為4 項，分別是室內(nèi)一氧化碳指數(shù)、二氧化碳指數(shù)、硫化物指數(shù)（二氧化硫）、粉塵顆粒（以PM2.5 為主）指數(shù)；次要監(jiān)測參數(shù)為3 項，分別是溫度、濕度和聲音強度。子系統(tǒng)裝置中以串行通信方式，與總監(jiān)控室的計算機相連，將數(shù)據(jù)實時傳送至上位機軟件中。在總監(jiān)控室中可以查詢所有被監(jiān)測教室的各參數(shù)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。在各個被監(jiān)測教室中，包含一個觸摸屏，能實時觀察到當前教室的各項參數(shù)指標，以及當前提示信息。

2.2 系統(tǒng)控制器方案設計

在室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的下位機子系統(tǒng)中，需包含由控制核心構成的電子系統(tǒng)，作用是處理由傳感器采集的各類參數(shù)（上文提到的7 項監(jiān)控指標），隨后將轉換完畢的信息傳送至上位機。由于該子系統(tǒng)是在多個教室內(nèi)擺放，應考慮廉價、小型化、便捷使用等方面，故選用單片機作為控制核心。單片機對應性能不同，其處理數(shù)據(jù)能力、運行速度不同，根據(jù)系統(tǒng)實際情況，綜合考慮后選擇STC90C51 作為系統(tǒng)控制核心，并選取LQFP-44 封裝，包含44 個獨立引腳，滿足多傳感器信號處理、通訊等各項要求。

2.3 系統(tǒng)傳感器選型

本設計共采集7 項參數(shù)，其中溫濕度選用一個整體模塊，其余5 項參數(shù)對應選擇獨立傳感器。傳感器選型的具體參數(shù)不在本文贅述，傳感器選型原則是滿足檢測精度要求。故本設計選取以下型號的傳感器，完成教室內(nèi)空氣質(zhì)量和溫濕度、聲強參數(shù)的采集。

溫濕度傳感器選用DHT11 傳感器；一氧化碳傳感器選用MQ-7-CO；二氧化碳傳感器選用MG811-CO2；硫化物傳感器選用 MQ135-SO2；PM2.5 粉 塵 顆 粒 檢 測 傳 感 器 選 用GP2Y1010AUOF11；聲音傳感器選用MS135。不同傳感器的額定電壓不同，故本系統(tǒng)內(nèi)根據(jù)不同傳感器的供電電壓不同，設計了+5V、+12V 和+24V 三路電源，供傳感器正常預熱和使用。

2.4 系統(tǒng)整體框圖

如圖1 所示為本設計的系統(tǒng)整體框圖，包含上位機和下位機兩部分。其中上位機是計算機內(nèi)運行的一款監(jiān)控軟件，主要作用是匯總各教室的空氣質(zhì)量參數(shù)，實現(xiàn)總體監(jiān)控的功能。下位機是安裝在各個教室內(nèi)的裝置。系統(tǒng)傳感器部分包含6 個傳感器，根據(jù)選型，其中一氧化碳、二氧化碳、硫化物、粉塵檢測和聲音傳感器是模擬量輸出，輸出信號采用ADC0809 實現(xiàn)模數(shù)轉換，將轉換后的數(shù)字量傳送至單片機內(nèi)；溫濕度傳感器輸出的是數(shù)字信號，可直接與單片機相連。觸摸屏模塊的作用是顯示當前各參數(shù)數(shù)據(jù)。聲光報警系統(tǒng)的作用是告知教室內(nèi)師生當前空氣質(zhì)量存在的問題。串行通信接口采用RS485 模塊，實現(xiàn)較遠距離的信息傳輸。系統(tǒng)控制核心STC90C51 最小系統(tǒng)的功能是，接收傳感器信息，經(jīng)過運行內(nèi)部程序進行數(shù)據(jù)比對，將數(shù)據(jù)顯示在當前系統(tǒng)的觸摸屏中，同時將各數(shù)據(jù)經(jīng)串行通信模塊傳送至上位機中。在遇到需要報警或顯示重要提示信息時，最小系統(tǒng)啟動聲光報警系統(tǒng)，發(fā)出相應提示信號。穩(wěn)壓電源模塊為系統(tǒng)各個模塊進行供電，提供多路電源電壓。

圖1 基于單片機的教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)整體框圖

3 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)硬件電路設計包括單片機最小系統(tǒng)電路設計（晶振電路、復位電路、倍頻模塊電路等）、單片機外部引腳接線電路設計、各傳感器信號接線電路設計、AD 轉換電路設計、RS-485 串行通信模塊接線電路設計、觸摸屏接線電路設計、執(zhí)行元件接線電路設計、電源電路設計。本文著重介紹單片機外部接線設計。

如圖2 所示為單片機最小系統(tǒng)外部接線電路，本設計采用LQFP-44 封裝形式的STC90C51RC 芯片作為教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)下位機的控制核心，該芯片共有44 個管腳，其中除了第4 管腳RST 復位管腳、第14 管腳XTAL2 晶振管腳2、第15 管腳XTAL1 晶振管腳1、第16 管腳GND 電源負極管腳和第38 管腳VCC 電源正極管腳以外，共有39 個輸入輸出端口管腳。本設計中單片機的功能是接收傳感器對教室內(nèi)環(huán)境的相關參數(shù)采集，經(jīng)過預先設定的程序?qū)?shù)顯示在觸摸屏中，同時能夠與上位機通信，遇到緊急情況能控制報警模塊發(fā)出聲光報警。其I/O 分配情況如下：P0.1-P0.7 和P2.0-P2.2 是觸摸屏數(shù)據(jù)接口；P1.1-P1.7 是AD 轉換數(shù)字輸出D0-D7 數(shù)據(jù)接口；P3.0-P3.2 是串行通信模塊數(shù)據(jù)接口；P3.2 是溫濕度信號接口；P3.3 聲光報警控制端；3.5-3.7 和P4.0-P4.6，是模數(shù)轉換功能的通道選擇端和各種控制端。

圖2 單片機最小系統(tǒng)外部接線電路

4 系統(tǒng)下位機軟件設計

如圖3 所示為教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖，該子系統(tǒng)在運行開始后，首先進行單片機內(nèi)部模塊的初始化，包括內(nèi)部倍頻初始化、I/O 接口初始化、時鐘初始化、定時/計數(shù)器初始設置、開門狗程序初始化等，初始化的目的是將整個系統(tǒng)進行有效更新，防止陳舊數(shù)據(jù)影響新的檢測過程。然后對相關傳感器進行預熱及初始化，本設計中的氣體傳感器均需要在上電后進行一段時間的預熱才能正常工作，每種傳感器預熱時間不同，當所有傳感器預熱完畢后，均向單片機發(fā)送一個預熱完成信號，當單片機收到全部預熱完成信號后，開始下一步工作。

圖3 教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖

當所有傳感器預熱完畢后，各傳感器開始環(huán)境參數(shù)采集工作，獲取相應參數(shù)，經(jīng)過處理后將不同數(shù)據(jù)分類顯示至觸摸屏中，同時啟動RS-485 串行通信模塊，將數(shù)據(jù)上傳至上位機中顯示。如果監(jiān)測期間某指標達到報警條件，則下位機啟動聲光報警程序，并在觸摸屏上做出顯著提示。在系統(tǒng)運行過程中，若無報警，程序跳轉至傳感器環(huán)境參數(shù)采集步驟，如此循環(huán)，直至系統(tǒng)關閉，在此期間，單片機程序不再初始化，且傳感器無需重復預熱。

5 結論

基于單片機的教室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效對教室內(nèi)一氧化碳指數(shù)、二氧化碳指數(shù)、硫化物指數(shù)、粉塵顆粒（PM2.5）指數(shù)、教室溫濕度和聲音強度參數(shù)進行采集和分析，以保證課堂教學在良好的室內(nèi)環(huán)境下開展。本設計在下位機子系統(tǒng)裝置與上位機的互動下，可形成對整棟教學樓所有教室空氣質(zhì)量的監(jiān)測，未來，可以通過計算機網(wǎng)絡通信的聯(lián)動，對更大區(qū)域范圍內(nèi)的室內(nèi)場所相關環(huán)境指標進行檢測，并可向酒店、寫字樓等場所推廣應用，具有良好的發(fā)展應用空間。