基于单片机的空气质量及温湿度检测仪的设计*

祝凤金

(菏泽学院蒋震机电工程学院，山东 菏泽 274015)



基于单片机的空气质量及温湿度检测仪的设计*

祝凤金

(菏泽学院蒋震机电工程学院，山东 菏泽 274015)

该设计以AVR ATMETA16为主机，STC12C4052AD为从机，实现空气中PM2.5和PM10以及温、湿度的实时检测，并且通过LCD12864实时显示的.同时可实现语音报警、空气加湿及除尘功能.

单片机；温湿度传感器；粉尘传感器

引言

随着社会经济的飞速发展，社会生产力的不断地提高和人类生活水平的提高，在生产过程中向大气环境中排放的废气越来越多，人类出行的交通工具所排放的尾气也成为了污染环境的一大杀手.人类赖以生存的环境问题越来越严重，近几年出现的大气污染成为环境中最难以解决的严重问题.如何实时、有效的对环境质量及变化进行准确的检测，进而改善生存环境是现今人类面对的重要的问题[1、2].本设计通过多种传感器实现对环境中的PM2.5、PM10有害微粒，温湿度的实时监测，并对周围环境进行净化、加湿等功能.

1　系统总体方案设计

本设计采用的两片单片机来实现的，主机采用的是AT公司生产的ATMEGA16单片机[3]，主要负责温湿度的采集、开机时间的记录、LCD液晶数据的显示，从机采用的是STC公司生产的STC12C4052AD单片机[4]，主要负责空气质量数据的采集.主机与从机之间的通信是采用串口的方式来实现的，主机通过不同的串口数据来实现从机数据的采集与关闭，从机也是通过串口将采集的数据经过处理后传送给主机.实现的过程是当打开主机后，主机处理完数据后会自动发送一个串口数据给从机，从机接收数据后会进行数据的采集与反馈，当关闭主机时主机也会自动的发送一个数据关闭从机的数据的采集，这样就避免了在关闭主机时，从机还向主机发送数据从而避免了数据错乱的出现.按键输入模块可以实现该系统的开关机，开机后主控单片机ATMEGA16单片机首先打开从机单片机STC12C4052AD，并和温湿度传感器SHT11、DS1302时钟模块建立通信，并将数据实时的在LCD12864液晶上显示，而且通过各个传感器输出的数值，来控制加湿及净化模块不同的工作模式.其系统组成如图1所示.

图1　检测仪系统组成

2　系统硬件电路设计

2.1显示模块设计

本设计采用不带字库的并且通信方式为串行通信的HEM-LCD12864作为该设计的显示器件，该液晶模块价格较低，是带字库液晶的一半左右.单片机中提供了大容量的ROM,在单片机掉电过程中数据也不会丢失，由于本设计显示字符不是很多，所以完全可以把字符的代码保存在单片机中，而且也不会影响单片机的正常工作[5].由于该液晶采用的是串行的通信方式，节省单片机的I/O资源，以用来做其他的工作，并且串行通信的速度完全可以满足该设计的需要，其电路原理如图2所示.

图2　LCD12864电路

2.2系统工作时间设计

采用DS1302时钟芯片作为时钟记录系统的开机工作时间.DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V.采用三线接口与CPU进行同步通信[6]，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据.其电路原理如图3所示.

图3　DS132时钟芯片电路

2.3温湿度传感器设计

采用集成式的数字温湿度传感器DHT11，该传感器采用单总线的通信方式与单片机相连的，只需要三根线(电源线正、电源负、数据线)就可以准确的读取出温湿度传感器的数值.在该系统设计中对温湿度值的要求比较高，为提高数据采集的准确度，所以该系统采用DHT11集成式数字温湿度传感器[7].其电路原理如图4所示.

图4　DHT11温湿度传感器电路

2.4粉尘传感器设计

采集空气质量的传感器采用的是SM-PWM-01A粉尘传感器，它是一款利用光学方法检测空气中粉尘浓度的传感器.能够区分香烟等微小颗粒和灰尘等大颗粒.该传感器是以脉冲的形式来输出信号的，在一定周期内低电平所占有的时间的总和的比例就是空气中粉尘的含量.该传感器有两个输出端，一个端子输出的是直径小于2.5 um(PM2.5)的颗粒脉冲,一个端子输出的是直径小于10 um(PM10)的颗粒脉冲.在本设计中采用的用中断查询法来记录两个输出引脚的低电平的比例的，由于在采集过程中会频繁的应用中断，如果所有的数据的采集及处理只应用一个单片机，那单片机就会只处理中断，而不执行其他的操作了，所以本设计利用了一个一脚较少的单片机来采集分成传感器的数值，这样可以实现所有的数据都能较为准确的采集和显示.其电路原理如图5所示.

图5　粉尘传感器电路

2.5语音报警及加湿净化设计

语音报警模是利用的集成的语音模块，只需给芯片发送相应的脉冲并接上拉电阻扬声器就可以正常工作.加湿和净化气的电路设计是应用N-MOS管来驱动外部直流负载，并实现PWM的调速，其电路原理如图6所示.其中J2为扬声器接口，J3为净化器负载接口，J4为加湿器负载接口.

2.6主从通讯设计

本设计中两个单片机通信的方式采用的是串口通信，在通信过程中两个单片机的距离很近，所以采用两单片机直接相连接的方案，通信频率为9 600 bit/s.其主从通讯电路如图7所示.

图7　主从单片机通讯电路

3　程序设计

本设计主要包括 DS1302时钟芯片、DHT11温湿度传感器、LCD12864、EM-PWM-01A粉尘传感器以及报警、加湿净化装置的编程设计.为方便编程和调试，各模块采用子程序方式进行编程设计，其整体程序流程如图8所示.

图8　程序流程图

4　结论

本设计所涉及的检测装置湿度检测范围为20%～90%RH、温度测量范围0～50 ℃.湿度检测精度控制在1%RH以内、温度检测精度控制2 ℃以内.在在实际运行效果良好，在空气质量检测及调节空气湿度及降低灰尘度有较明显效果.该检测装置具有较广泛的市场应用前景.

[1]孟泽健.基于AT89S52 单片机的无线环境检测系统的设计[J].数字技术与应用,2015,6:161-163．

[2]邵婷婷,任瑞瑞,李平.基于单片机的环境监测系统设计[J].电子测试,2014,5:67-68．

[3]徐玮.AVR单片机快速入门[M].第2版.北京：机械工业出版社，2012.

[4]郭天祥.51单片机C语言教程[M].第1版.北京：电子工业出版社，2009.

[5]张伟.Protel 99 SE实用教程[M].第2版.北京:人民邮电出版社，2012.

[6]胡汉才.单片机原理与接口技术[M].第2版.北京：清华大学出版社，2004.

[7]吴建平.传感器原理及应用[M].第2版.北京：机械工业出版社，2012.

Design of Air Quality and Temperature and Humidity Detecting Instrument Based on Single Chip Microcomputer

ZHU Feng-jin

(Jiangzhen Mechanical and Electronic Engineering School, Heze University, Heze Shandong 274015, China)

The design makes AVR ATMETA16 machine as the main engine and STC12C4052AD as an assist to gain the real-time data for monitoring PM2.5, PM10, temperature and humidity, displaying the data on LCD screen in real-time. At the same time, the voice alarm, air humidification and dust removal function can be realized.

MCU; temperature and humidity sensor; dust sensor

1673-2103(2016)02-0062-03

2016-01-10

菏泽学院科学研究基金项目(XY12KJ05)

祝凤金(1982-)，男，山东成武人，讲师，硕士，研究方向：机电一体化.

TP368.1

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