基于單片機的環(huán)境溫濕度及PM2.5濃度監(jiān)測儀的設計

鄭宇宏 鄢艷紅

摘要：為監(jiān)控環(huán)境的各項指標，營造一個更加健康的室內環(huán)境，設計一款多功能的環(huán)境指標監(jiān)測系統(tǒng)，使人們能夠及時對環(huán)境的變化并做出相對應措施。該系統(tǒng)以STC89C52單片機為控制中心，外部監(jiān)測電路由DHT11溫濕度傳感器和GP2Y1010AU0F粉塵傳感器構成。系統(tǒng)完成監(jiān)測后將數(shù)據(jù)輸入單片機內處理后顯示在LCD1602液晶屏上。當環(huán)境參數(shù)超過自定義閾值時蜂鳴器啟動報警功能，并且點亮點對應的LED燈。

關鍵詞：STC89C52單片;溫濕度;粉塵傳感器

中圖分類號：TP338 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）32-0104-03

Design of a Monitoring Instrument for Environmental Temperature， Humidity and PM2.5 Concentration Based on Single-chip Microcomputer

ZHENG Yu-hong， YAN Yan-hong

（School of Medical Information Engineering， Guangzhou University of Chinese Medicine， Guangzhou 510006， China）

Abstract： In order to monitor various environmental indicators and create a healthier indoor environment， a multi-functional environmental indicator monitoring system will be designed to enable people to respond to changes in the environment in time and take corresponding measures. This system uses STC89C52 single-chip microcomputer as the control center， and the external monitoring circuit is composed of DHT11 temperature and humidity sensor and GP2Y1010AU0F dust sensor. After the system completes the monitoring， the data is input into the single-chip microcomputer for processing and then displayed on the LCD1602 LCD screen. When the environmental parameters exceed the custom threshold， the buzzer will start the alarm function， and the corresponding LED light will be lit.

Key words： STC89C52 single chip; temperature and humidity; dust sensor

隨著人們對生活環(huán)境的重視，大家都追求一種更加舒適愉悅的生活和工作環(huán)境。為滿足人們的需求，本設計主要從環(huán)境溫濕度和PM2.5濃度兩個指標進行環(huán)境監(jiān)測儀的設計。溫度和濕度是一個相互影響的指標，在高溫環(huán)境中，環(huán)境相對濕度對人機體的散熱呈正相關關系，而且溫度的變化會直接影響人體生理熱的變化，據(jù)有關研究表明舒適環(huán)境下溫度的劇烈變化更影響人體的健康，使人體患病和死亡的率提高。而環(huán)境PM2.5濃度的高低也直接影響著人體的呼吸道健康，據(jù)國內PM2.5污染調研報告得出，與室外相比，人均室內PM2.5暴露量和潛在劑量為室外環(huán)境的4倍[1]。設計一款環(huán)境監(jiān)測儀有利于人們監(jiān)控室內環(huán)境并及時對環(huán)境變化做出相對的措施。

1 總體設計方案

本設計采用分層結構模塊化的設計思路進行設計，將整個設計分6個模塊進行硬件設計和軟件設計。整個系統(tǒng)以STC89C52單片機為控制中心，分別對溫濕度傳感器、粉塵傳感器、顯示器和蜂鳴器等元器件進行控制。環(huán)境溫濕度采用DHT11溫濕度傳感器監(jiān)測，其內部自帶8位處理器并連接NTC測溫和電阻感濕元件，是一款內含已校準數(shù)字信號輸出的傳感器。PM2.5濃度監(jiān)測采用夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器作為檢測元件，通過傳感器內部發(fā)出的紅外反射光強間接測量出空氣PM2.5的濃度。顯示模塊采用LCD1602顯示器進行數(shù)據(jù)的讀取顯示，且當數(shù)據(jù)超出設置值時系統(tǒng)能自動觸發(fā)蜂鳴器報警。系統(tǒng)的整體設計原理圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

根據(jù)系統(tǒng)的設計需求，要求能自動完成室內環(huán)境溫濕度和PM2.5濃度的監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示至LCD顯示屏上，且用戶可以通過按鍵進行自定義數(shù)據(jù)報警值，當監(jiān)測數(shù)據(jù)不在范圍內時，系統(tǒng)能自動觸發(fā)蜂鳴器報警，設計中需要以單片機為控制中心將各個功能模塊鏈接成整體從而實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

2.1 單片機最小系統(tǒng)電路

STC89C51外部具有40根引腳，每根引腳都有其獨立的功能單片機，內部主要包含有8位CPU和具備可在線編程的8K字節(jié)系統(tǒng)Flash存儲器，從而使單片機本身具有8K字節(jié)程序存儲空間和512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間的特性。具有32位I/O口線和看門狗定時器，且自帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間和MAX810復位電路。因為單片機有了這些特性，所以在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中能得到更加高效靈活的應用。

在電路設計中，將單片機最小系統(tǒng)分為三部分設計，首先為電源電路，通過外接5V的直流電源供電，然后晶振電路通過兩個30pF的電容和一個11.0592M的晶振并聯(lián)而成，由此為系統(tǒng)提供9600的波特率，單片機只有在時序信號和控制信號的協(xié)調工作下才能執(zhí)行各指令[2]。復位電路在設計中將單片機RST引腳與10uF電容相連并與VCC電源接通，在電容上并聯(lián)一個復位開關然后接地，從而實現(xiàn)系統(tǒng)復位功能，使程序地址從0000H單元重新執(zhí)行。整個單片機最小系統(tǒng)的電路設計圖如圖2所示，當按下按鍵S0時，RST接收到高電平信號從而使系統(tǒng)執(zhí)行復位操作。

2.2 溫濕度監(jiān)測電路

DHT11是采用專門的溫濕度采集和傳感技術的復合傳感器。其內含已校準數(shù)字信號輸出器，能夠自動數(shù)模轉換，具有可靠性高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點[3]。DHT11中內含的NTC熱敏電阻值隨溫度的增加而減小，而電阻式感濕原件則根據(jù)內部的濕敏原件在吸濕和脫濕過程中，水分子分解出的離子H+的傳導狀態(tài)發(fā)生的變化從而改變電阻值，兩個指標都呈線性變化從而可以間接測量出環(huán)境的溫濕度值，其溫度測量范圍為0-50℃，濕度測量范圍為20%-90%RH。在電路設計中為提高傳感器的穩(wěn)定性增強信號的抗干擾能力需要在1、2引腳之間并聯(lián)一個10KΩ的電路，其電路連接圖如圖3所示。

2.3 PM2.5濃度監(jiān)測電路

夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器是一款光學空氣灰塵檢測傳感器。通過內部紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管對角放置，探測空氣的反射光強，并將其轉化成可輸出的模擬電壓顯示出來，且電壓值與塵埃粒子濃度成正比。由于PM2.5的主要成分有水溶性離子、金屬元素、碳組分和有機物，所以當紅外光穿透時會形成折射，使用光強變弱，從而可測得空氣塵埃粒子濃度[4]。

電路設計過程中，為了將測量的模擬電壓轉換成單片機可識別的數(shù)字信號，所以將該傳感器與ADC0832芯片相連使數(shù)據(jù)完成AD轉換后輸入單片機內計算處理。其電路連接原理圖如圖4所示，為提高供電穩(wěn)定，設計中在發(fā)光二極管正負極之間并聯(lián)一個220uf的電容;為增強LED的驅動能力，設計中在第4引腳LED和單片機P1.5連接電路之間增加一個三極管以放大電路信號。其中串聯(lián)的R5、R6起限流保護作用。

3 軟件設計

為實現(xiàn)單片機對各個元器件的控制，且符合設計的功能，在軟件設計中需要根據(jù)各元器件的功能原理進行設計。本設計采用C語言在Keil Vision2 軟件內進行編程設計。Keil 提供了豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，生成的目標代碼效率高，且容易理解[5]。

3.1 主程序流程

系統(tǒng)主程序部分主要包含程序的頭文件、各子程序的調用函數(shù)、位定義聲明程序以及定時器中斷程序。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)主程序自動執(zhí)行初始化程序，使檢測值和顯示屏初始化，后再進行正常的數(shù)據(jù)監(jiān)測和處理并將數(shù)據(jù)顯示出來。并且通過掃描按鍵輸入設定報警值，當測量數(shù)據(jù)超出設置范圍則反饋至蜂鳴器啟動報警。在軟件設計中主要的技術難點為DHT11的時序控制問題，需要根據(jù)傳感器的特性進行設計。整個系統(tǒng)流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

將本系統(tǒng)根據(jù)設計原理圖焊接完成后導入系統(tǒng)軟件程序，進行運行調試。將本系統(tǒng)A與得力9016Rt5i溫濕度計及廣州氣象局監(jiān)測的PM2.5濃度進行數(shù)據(jù)分析比較。

（數(shù)據(jù)來源2021年4月14日同一時間點同一檢測范圍內兩者分別檢測的數(shù)據(jù)）

如圖6所示，通過本系統(tǒng)A測量的數(shù)據(jù)與得力9016Rt5i溫濕度計測量的溫濕度值及廣州氣象局測量的PM2.5濃度值比較可看出，系統(tǒng)A測量的溫濕度值與得力9016Rt5i測量的溫濕度值偏差符合傳感器的偏差范圍，說明系統(tǒng)對環(huán)境溫濕度檢測的結果具有一定的可靠性和準確性，符合設計要求。

而對于PM2.5濃度而言，由于本系統(tǒng)A采用測量PM2.5濃度其基本原理為光散射法，測量精度較低，對于50mg/L以下的粒子濃度就無法測量到。而氣象局檢測的PM2.5濃度數(shù)據(jù)，其采用微量天平過濾法測量，測量精準可靠，但價格昂貴。但是在PM2.5濃度數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)A測量的PM2.5濃度值總是氣象局測量的PM2.5濃度值的兩倍大。所以設本系統(tǒng)A測量的數(shù)據(jù)為a，氣象局測量的數(shù)據(jù)為Q，光散射法和微量天平過濾法之間的誤差系數(shù)為μ（μ為固定值），則可得關系式 a=μQ，根據(jù)實驗可以得μ≈2，為固定值，所以關系設成立。由此可以推斷，本系統(tǒng)在PM2.5濃度值的測量上符合實際測量值，具有一定的可靠性，其中μ定義為系統(tǒng)誤差。

5 結束語

通過對系統(tǒng)的硬件測試和測試數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)設計基本實現(xiàn)了設計需求，當系統(tǒng)接通電源后，傳感器能自動進行數(shù)據(jù)監(jiān)測并傳輸至單片機處理后顯示在屏幕上，且監(jiān)測數(shù)據(jù)符合實際情況，具有使用價值。但系統(tǒng)也存在不足需要改進，主要為：1）無法存儲歷史數(shù)據(jù);2）可通過技術改進增加遠程調節(jié)控制功能。

參考文獻：

[1] 國內首個室內PM2.5污染數(shù)據(jù)調研報告發(fā)布[J].建設科技，2015（8）：9.

[2] 王幸之，鐘愛琴，王雷.AT89系列單片機原理與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3] 廣州奧松.DHT11使用說明書[Z].廣州：廣州奧松電子有限公司，2008

[4] 王寧，冀敏，趙沖.激光傳感器的智能pm2.5檢測儀[J].激光雜志，2017，38（8）：77-80.

[5] 王海燕，楊艷華.Proteus和Keil軟件在單片機實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2012，31（5）：88-91.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2021-06-25

作者簡介：鄭宇宏（1996—），男，廣東普寧人，廣州中醫(yī)藥大學醫(yī)學信息工程學院學生;鄢艷紅（1975—），女（滿族），通信作者，碩士，研究方向為微機控制和計算機教學研究。