基于單片機的【室內(nèi)環(huán)境在線遠程監(jiān)測】設計
2019-01-10 15:45:06 admin
20侶· 03/05 設計與研發(fā)
基于單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設計陳達
（隨州職業(yè)技術(shù)學院，湖北隨州，441300）
摘要：本文設計了基于STC12C5A60S2單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊以及顯示模塊構(gòu)成，通過 DHT21溫濕度傳感器以及MS1100甲醛傳感器，實現(xiàn)了對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測功能，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過STC12C5A60S2單片機進行轉(zhuǎn)換，從而在顯示模塊中直觀地顯示出來。該系統(tǒng)不僅能夠有效監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境，更具有輕量、小巧、低耗等諸多優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：單片機；室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測；甲醛傳感器；溫濕度傳感器
Indoor environment monitoring design based on single chip microcomputer
Chen Da
(Suizhou Vocational and Technical College，Suizhou Hubei，441300）
Abstract：This paper introduces the design Of the indoor environment monitoring system based on STC12C5A60S2 MCU, the system consists of indoor environment monitoring module and display module, the DHT21 temperature and humidity sensor MS1100 and formaldehyde sensor，realizes the monitoring function Of the indoor environment, and the monitoring data is converted by STC12C5A60S2 microcontroller, which display in the display module out. The system can not only effectively monitor the indoor environment, but also have many advantages，such as I ight，small, IOW consumption and SO on.Key words: single chip microcomputer；indoor environment monitoring；formaldehyde sensor；temperature and
humidity sensor
圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)
該室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括溫濕度監(jiān)測、甲醛濃度監(jiān)測以及數(shù)據(jù)顯示等三個功能模塊，其中，溫濕度監(jiān)測、甲醛濃度監(jiān)測兩個模塊分別由若干溫濕度傳感器以及甲醛濃度傳感器構(gòu)成。整個室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的運作流程為：由溫濕度監(jiān)測模塊以及甲醛濃度監(jiān)測模塊中相應的傳感器采集當前室內(nèi)的溫濕度、甲醛濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)進行處理后傳輸至數(shù)據(jù)顯示模塊中進行顯示。
《二TN（）鏟IC -TEST
可，采用電容式濕敏元件，屬于電容式數(shù)字傳感器，運行能耗非常低，并且通過標準數(shù)字單總線輸出的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)較遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。此外，由于DHT21溫濕度傳感器采用高精度NTC以及自動化校準技術(shù)，因此能夠有效、可靠地監(jiān)測采集室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中DHT21溫濕度傳感器與處理器間的連接方式如圖 2所示。
圖2 DHT21溫濕度監(jiān)測模塊與處理器連接圖
原設計與研發(fā)
圖3 MS1100一Pi l l甲醛濃度監(jiān)測模塊與處理器連接圖
本室內(nèi)壞境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如下：首先，在上電后數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等各功能模塊開始進行初始化，使其做好準備上作：然后，DHT21溫濕度監(jiān)測模塊以及MS1100一P111甲醛濃度監(jiān)測模塊開始進行室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集工作，所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸模塊進行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進行存儲：此時，系統(tǒng)MCIJ會發(fā)出顯示室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測信息的命令，數(shù)據(jù)傳輸模塊收到命令后將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至顯示模塊，從而將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)顯示出來。
測試過程如下：將上述實驗板在室內(nèi)環(huán)境中進行環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測測試，對測試中所監(jiān)測到的室內(nèi)溫度、濕度、甲醛濃度等數(shù)據(jù)進行記錄，并與傳統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測手段所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行對比分析。在室內(nèi)溫濕度監(jiān)測方面，傳統(tǒng)監(jiān)測方式采用室內(nèi)溫濕度計，該室內(nèi)溫濕度計的溫度監(jiān)測誤差低于± 2 ℃，濕度監(jiān)測誤差為 ±。在室內(nèi)甲醛濃度監(jiān)測方面，傳統(tǒng)監(jiān)測方式采用了某品牌的
20侶· 03/05
空氣甲醛自測盒，其甲醛監(jiān)測最小分辨率為0· 05mg/m3。實驗板監(jiān)測結(jié)果與傳統(tǒng)監(jiān)測方式的監(jiān)測結(jié)果對比情況如表1一表3所示
表1溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)對比
0· 00mg/m3 0 · 2mg/m
0 · 2mg/m3 o．00mg/m3 0，2mg/m3 0，2mg/m3 o．00mg/m3 0· 2mg/m3 0· 2mg/m3
通過實驗，可以看到本文所設計的基于STC12C5A60S2單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)監(jiān)測方面所監(jiān)測的數(shù)據(jù)之間的誤差值非常小。由此可以證明，該室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的精確度以及穩(wěn)定性，可以滿足實際的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測需求。
罔范奧博鐵治欣，吳銘程，劉良桂．室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].浙江理工大學學報，20巧，33（05）：382一389．
[3]徐見煒．室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計阻電子世界，2016（(1)彐69一171.
1系統(tǒng)總體設計
本文所設計的系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要基于STC12C5A60S2單片機，選擇該款單片機的原因在于其具有低功耗、應用廣、集成 A/D轉(zhuǎn)換模塊以及1 /0資源多等優(yōu)點?；赟TC12C5A60S2單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)設計如下圖1所示。圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)
該室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括溫濕度監(jiān)測、甲醛濃度監(jiān)測以及數(shù)據(jù)顯示等三個功能模塊，其中，溫濕度監(jiān)測、甲醛濃度監(jiān)測兩個模塊分別由若干溫濕度傳感器以及甲醛濃度傳感器構(gòu)成。整個室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的運作流程為：由溫濕度監(jiān)測模塊以及甲醛濃度監(jiān)測模塊中相應的傳感器采集當前室內(nèi)的溫濕度、甲醛濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)進行處理后傳輸至數(shù)據(jù)顯示模塊中進行顯示。
2系統(tǒng)硬件設計
本文中重點針對溫濕度監(jiān)測模塊以及甲醛濃度監(jiān)測模塊進行設計。2 · 1溫濕度監(jiān)測模塊
本系統(tǒng)設計中，溫濕度監(jiān)測模塊選擇采用了奧松電子有限公司的DHT21溫濕度傳感器。該款溫濕度傳感器的可靠性被廣泛認甲尋《二TN（）鏟IC -TEST
可，采用電容式濕敏元件，屬于電容式數(shù)字傳感器，運行能耗非常低，并且通過標準數(shù)字單總線輸出的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)較遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。此外，由于DHT21溫濕度傳感器采用高精度NTC以及自動化校準技術(shù)，因此能夠有效、可靠地監(jiān)測采集室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中DHT21溫濕度傳感器與處理器間的連接方式如圖 2所示。
圖2 DHT21溫濕度監(jiān)測模塊與處理器連接圖
2 · 2甲醛濃度監(jiān)測模塊
甲醛濃度監(jiān)測模塊硬件設計方面，本設計通過對國內(nèi)市場當中的多種室內(nèi)氣體傳感器產(chǎn)品進行比較篩選，最終選定了技術(shù)成熟的MSIIOO一P111傳感器。MS1100一PIIl傳感器是由龍戈電子有限公司生產(chǎn)的一種揮發(fā)性有機化合物傳感器，業(yè)內(nèi)普遍對其靈敏度以及穩(wěn)定性給予好評。性能方面，MS1100-P111傳感器的氣體監(jiān)測范圍約為0一100ppm濃度之間，能夠?qū)Υ笥? · Ippm濃度的甲醛、苯、甲烷等多種對人體有毒害的氣體成分進行較為精確的定性檢測，而且對甲醛十分敏感，十分適用于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的甲醛濃度監(jiān)測模塊。本系統(tǒng)中MS1100-P111甲醛氣體采集模塊與處理器的連接方式如圖3所示。原設計與研發(fā)
圖3 MS1100一Pi l l甲醛濃度監(jiān)測模塊與處理器連接圖
3系統(tǒng)軟件設計
本室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計方面主要遵循模塊化理念，設計了上電初始化、溫濕度監(jiān)測、甲醛濃度監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、報警等各功能模塊，并且為各功能模塊分別編寫獨立函數(shù)的編程方式，從而通過相關(guān)函數(shù)來實現(xiàn)對各功能模塊的控制。本室內(nèi)壞境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如下：首先，在上電后數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等各功能模塊開始進行初始化，使其做好準備上作：然后，DHT21溫濕度監(jiān)測模塊以及MS1100一P111甲醛濃度監(jiān)測模塊開始進行室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集工作，所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸模塊進行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進行存儲：此時，系統(tǒng)MCIJ會發(fā)出顯示室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測信息的命令，數(shù)據(jù)傳輸模塊收到命令后將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至顯示模塊，從而將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)顯示出來。
4實驗分析
在本室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計方案完成理論設計后，通過實驗對其性能等進行驗證分析。首先，依照本設計方案中的硬件設計部分，將STC12C5A60S2單片機、DHT21傳感器、MS1100一P111傳感器以及液晶顯示器等硬件連接制成實驗板；然后，使用Keii u Vision4根據(jù)軟件設計方案編寫出相應的二進制程序，并將編寫好的程序通過STC ISP寫入STC12C5A60S2單片機；最后對實驗板進行上電運行測試。測試過程如下：將上述實驗板在室內(nèi)環(huán)境中進行環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測測試，對測試中所監(jiān)測到的室內(nèi)溫度、濕度、甲醛濃度等數(shù)據(jù)進行記錄，并與傳統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測手段所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行對比分析。在室內(nèi)溫濕度監(jiān)測方面，傳統(tǒng)監(jiān)測方式采用室內(nèi)溫濕度計，該室內(nèi)溫濕度計的溫度監(jiān)測誤差低于± 2 ℃，濕度監(jiān)測誤差為 ±。在室內(nèi)甲醛濃度監(jiān)測方面，傳統(tǒng)監(jiān)測方式采用了某品牌的
20侶· 03/05
空氣甲醛自測盒，其甲醛監(jiān)測最小分辨率為0· 05mg/m3。實驗板監(jiān)測結(jié)果與傳統(tǒng)監(jiān)測方式的監(jiān)測結(jié)果對比情況如表1一表3所示
表1溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)對比| 傳統(tǒng)監(jiān)測手段 | 實驗板 | 誤差值 |
| 25．5 ℃ 26 ℃ 27 ℃ |
25 · 3 ℃ 25 · 9 ℃ 26· 8 ℃ |
0 · 2 ℃ o．1 ℃ 0· 2 ℃ |
| 表2濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)對比 | ||
| 傳統(tǒng)監(jiān)測手段 | 實驗板 | 誤差值 |
| 72%RH 68%RH 70%RH |
70%RH 6& 5%RH 71 %RH |
2%RH 0 · 5%RH 1%RH |
| 表3甲醛濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)對比 | ||
| 傳統(tǒng)監(jiān)測手段 實驗板 | 誤差值 | |
0 · 2mg/m3 o．00mg/m3 0，2mg/m3 0，2mg/m3 o．00mg/m3 0· 2mg/m3 0· 2mg/m3通過實驗，可以看到本文所設計的基于STC12C5A60S2單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)監(jiān)測方面所監(jiān)測的數(shù)據(jù)之間的誤差值非常小。由此可以證明，該室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的精確度以及穩(wěn)定性，可以滿足實際的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測需求。
5總結(jié)
本文提出了基于STC12C5A60S2單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，所設計的系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)溫度、濕度以及甲醛濃度等數(shù)據(jù)進行精確、穩(wěn)定的監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)還具有擴展的潛力，通過增加二氧化碳傳感器等其他類型的傳感器，能夠監(jiān)測更多氣體成分。此外，還能夠通過連接更多設備以及添加相應控制程序的方法，豐富該系統(tǒng)的實用功能。比如將排風扇連接到本系統(tǒng)中，當室內(nèi)空氣中被監(jiān)測的成分濃度超標時，系統(tǒng)能夠自動打開排風扇來提升室內(nèi)空氣質(zhì)量。參考文獻
田陳東杰，許中石單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計探討阻信息技術(shù)與信息化，2017（05）：131．133．罔范奧博鐵治欣，吳銘程，劉良桂．室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].浙江理工大學學報，20巧，33（05）：382一389．
[3]徐見煒．室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計阻電子世界，2016（(1)彐69一171.
（上接第34頁）
4總結(jié)
本文針對多道能譜的特點，設計了AD采集電路，并對采集結(jié)果進行了時序仿真及硬件仿真，仿真結(jié)果表明了所設計的 AD9226和AD9650系統(tǒng)的正確性。AD9226可以完成數(shù)據(jù)的采集，但山于采樣精度較低，導致多道能譜分析儀的能量分辨率不高； AD9650是一個16位精度的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以明顯提高多道能譜分析儀的能量分辨率，但是由于采樣速度較快，采樣精度高，數(shù)據(jù)處理困難。如果在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上能夠提高數(shù)據(jù)的處理速度，26
將使整個系統(tǒng)的精確度得到很大的提高。參考文獻
田王季紅，王良厚，房宗良．梯形成形技術(shù)在數(shù)字多道系統(tǒng)中的應用引·核電子學與探測技術(shù)，20凵，（05）：543一546 ·
王水魚，王偉．基于AD7606的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計引·微型機與應用，2016，35（22）：8一10．產(chǎn)品推薦
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