一個實驗室環境監測系統的設計與實現

韓旭

摘要：為了進一步保證實驗室安全，實時掌握實驗室內環境參數動態，文章設計了一款基于AT89C52單片機的實驗室內環境監測系統。該系統的硬件組成主要由STC89C52、LCD1602液晶顯示屏、DHT11溫濕度傳感器、可燃氣體傳感器、熱釋紅外傳感器、藍牙模塊、繼電器以及蜂鳴器等組成。系統工作時，通過相應傳感器實時獲取數據，然后通過液晶顯示屏顯示。當獲取數據超出控制范圍，控制模塊自動調控溫度。當獲取數據超出報警范圍后，系統會進行報警。還可以通過藍牙模塊在手機上獲取當前測量數據。為實驗室環境監測提供了重要數據，提高了實驗室的安全性。

關鍵詞：環境監測；單片機；控制；藍牙模塊

中圖分類號：TP273? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）13-0094-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

高校實驗室是高校中教學和科研的重要場所，實驗室內的環境對人的健康、實驗數據和實驗室安全都有著極其重要的影響[1-2]。所以在實驗室中對實驗室環境進行監測是必不可少的，它是保證實驗課程有效進行以及實驗數據科學準確的首要條件，研究實驗室環境監測系統室一項重要工作[3]。

1 系統功能需求分析

本系統需要實現實時地對室內的環境（包括甲烷等可燃氣體、溫度、濕度）進行測量，然后進行顯示。當溫濕度的值超過控制范圍時，系統能夠對空調、加濕器等進行控制。當可燃氣體濃度、溫濕度的值超過報警范圍時，系統能夠進行報警提示。還可通過藍牙在手機上查看系統測量數據。

2 系統硬件選擇與電路設計

該系統硬件電路采取模塊化設計，由單片機最小系統、顯示模塊、熱釋紅外傳感器、可燃氣體傳感器、溫濕度傳感器、藍牙、控制、報警及按鍵模塊組成。系統結構如圖1所示。

2.1 系統硬件功能分析

系統通過溫濕度傳感器模塊、可燃氣體傳感器模塊從室內獲取數據，然后經過處理后由1602液晶顯示模塊實時顯示這些數據。同時，系統會將這些數據與預設值進行比較。如果超出控制預設值的范圍，系統會通過控制電路對室內環境進行控制。如果控制電路出現故障，數據超出報警值，系統會通過報警電路進行報警，等待人工處理。按鍵電路可以對預設值進行修改。該系統還配備了藍牙模塊，可以在手機App方便地查看系統測得的數據。

2.2 硬件電路設計

該系統選用STC89C52作為系統的CPU。為了保證給液晶顯示電路提供電壓的穩定性，在正負極之間加電容，以提高液晶顯示電路工作的可靠性。電位器RV1可以調節液晶顯示的清晰度。

檢測模塊主要由溫濕度傳感器與可燃氣體傳感器兩部分組成。該系統選用的溫濕度傳感器為DHT11，主要測量室內溫濕度，溫濕度測量模塊電路如圖2所示。電容C5是為了保證系統給模塊提供電壓的穩定性。LED2是模塊電源指示燈，用于判斷模塊是否供電，方便后期系統故障排查。5K的上拉電阻是為了增加傳感器輸出信號的強度，防止傳感器離單片機較遠，數據傳輸過程的能量損耗而使單片機接收不到傳感器的信號。

可燃氣體傳感器是通過利用某些材料自身的電阻率會隨著可燃氣體的濃度而發生變化的現象，將可燃氣體的濃度變化轉換為電信號的一種器件[4]。該系統選用的可燃氣體傳感器為MQ-2，主要用于檢測室內的可燃氣體濃度。其電路如圖3所示。電容C6是為了保證系統給模塊提供電壓的穩定性。LED3是模塊電源指示燈，用于判斷模塊是否供電，方便后期系統故障排查。Lm393是一個電壓比較器，當3處電壓高于2處時，1處就為高電壓，否則為低電壓。RV2用來模擬氣體傳感器的敏感元件，RV3可以調節氣體傳感器的靈敏度。D4為信號燈，用于直觀觀察信號的傳輸。

在控制電路中，因單片機引腳的輸出電流較小，不足以直接驅動繼電器，所以采用三極管來驅動繼電器。采用NPN型三極管來驅動繼電器時，高電位導通，系統在剛上電的時候，單片機程序未運行，所有引腳默認處于高電位狀態，繼電器會出現通電瞬間吸合誤動作，此時系統所有繼電器同時吸合，所需電流突然增大，可能導致系統無法啟動或者控制紊亂等狀況，對系統的正常運行造成極大的影響。故此處采用PNP三極管來驅動繼電器，能夠有效避免上述狀況，極大地提高了系統正常啟動的可靠性和控制的有序性。控制模塊電路如圖4所示。

報警電路主要負責整個系統的報警，該電路由蜂鳴器、LED、三極管（PNP型）和兩個電容組成。該系統采用聲光報警，用三極管來驅動。此時三極管相當于電子開關。為了防止系統剛上電，程序還未運行，報警電路就開始報警的情況，此處特別選用PNP型三極管對報警電路進行驅動。

藍牙模塊與單片機進行通信時，為了保證通信的正常進行，藍牙模塊的RXD引腳必須接單片機的TXD引腳，TXD引腳必須接單片機的RXD引腳。

3 系統軟件設計與實現

3.1 主程序設計

系統軟件主要由主程序、測控程序、報警程序和參數設定程序組成。其中主程序包括背光函數、熱釋紅外傳感器函數、按鍵程序函數和模式選擇函數，系統在主程序中完成初始化、初始顯示，背光函數控制液晶顯示器的背光，在5S之內無人操作時，單片機關閉背光，實現更低功耗。熱釋紅外傳感器函數主要是檢測系統附近是否有人，當有人時，能夠將顯示器背光打開，方便查看系統測量數據。按鍵程序函數主要用于改變模式變量的值，進而使系統進入不同的模式，然后模式選擇函數根據模式變量的值進而選擇執行不同模式的程序。主程序流程圖如圖5所示。

3.2 測控程序設計

測控報警程序主要功能就是室內溫度濕度的測量、顯示和控制，是整個系統功能實現的主要函數。主要由兩部分組成，第一部分為初始界面顯示函數，每次模式切換后只執行一次，主要顯示該模式下不變的信息，避免頻繁刷新加大單片機的工作量，降低單片機的工作效率。第二部分包括溫濕度接收函數、溫濕度顯示函數、控制函數。

溫濕度接收函數主要實現溫濕度傳感器對溫濕度進行測量，然后將所測得的數據進行接收，保存在溫濕度變量中，方便單片機后期對溫濕度數據的處理。顯示函數主要將溫濕度傳感器及氣體傳感器測得的數據顯示。控制函數首先將所測溫度與濕度下限值比較，當溫度小于下限值時，給控制變量賦相應的值，并打開低溫控制繼電器進行升溫，當溫度大于等于下限值時，再將溫度與上限值進行比較，如果溫度大于上限值，則給控制變量賦相應的值，并打開高溫控制繼電器進行降溫，如果溫度小于等于上限值，則給控制變量賦相應的值，并關閉低溫、高溫控制繼電器。在控制函數中利用軟件互鎖控制高溫與低溫控制繼電器，從而提高系統的工作效率。濕度控制同溫度控制。

3.3 報警程序設計

報警程序主要包括報警預處理函數、報警函數和報警顯示函數。報警預處理函數將當前溫濕度數值與報警預設值進行比較并將比較結果賦值給報警變量。報警函數主要是根據報警變量數值來確定是否報警。報警顯示主要是根據報警變量將是否報警、誰報警、高溫（濕、濃度）報警或是低溫（濕）報警等信息通過相應指示燈顯示，方便人們在得到報警信息后能夠快速準確地去處理。

4 系統實現

系統經過調試，能夠完成以下幾個方面：1） 液晶屏上顯示的內容清晰可見；2） 使有害氣體濃度接近報警值時，傳感器就能夠給單片機信號；3） 當人靠近傳感器的時候，熱釋紅外傳感器能及時給單片機發送信號；4） 藍牙模塊能保證手機App通過藍牙串口能夠與單片機進行正常通信； 5） 溫濕度超過相應控制值，能夠自動進行調節，溫濕度和氣體濃度任意量超過報警閾值，系統能夠報警。實驗室環境監測系統的實現能夠有效地監測實驗室內環境參數，為實驗室安全穩定運行提供了保障。

參考文獻：

[1] 申建軍.高校實驗室安全管理系統設計[J].山東化工，2022，51（23）197-200.

[2] 荀磊.“云-管-端” 架構下實驗室環境監測系統設計與實現[J].江蘇工程職業技術學院學報，2022，22（2）：1-6.

[3] 郭向前，段金英，張銳.基于LabVIEW的高校實驗室環境監測系統的設計[J].自動化應用，2016（6）117-118.

[4] 王靜.基于STC89C52單片機的智能家居監測器設計與實現方案[J].現代信息科技，2022（1）：175-178.

[5] 鄧圓，李佳佳，何秋元.基于STC89C52的智能窗戶設計[J].電腦知識與技術，2020，16（13）：206-207.

【通聯編輯：聞翔軍】