作者 / 李誠(chéng)，中北大學(xué)朔州校區(qū)通訊作者 / 臧俊斌

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基于STC12C5A60S2的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者 / 李誠(chéng)，中北大學(xué)朔州校區(qū)
通訊作者 / 臧俊斌

如今人們?cè)谑覂?nèi)花費(fèi)了大量的時(shí)間，而室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量與人體健康息息相關(guān)，因此室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量檢測(cè)至關(guān)重要。針對(duì)目前市場(chǎng)上室內(nèi)氣體檢測(cè)儀成本高、精度低、檢測(cè)種類單一等缺點(diǎn)，本文基于物聯(lián)網(wǎng)傳感平臺(tái)，以單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)出一種室內(nèi)環(huán)境氣體實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)立足于解決室內(nèi)污染超標(biāo)而不被人所知繼而危害人體健康的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，根據(jù)傳感器反饋的數(shù)據(jù)，結(jié)合最高危害上限指標(biāo)要求，及時(shí)給出室內(nèi)環(huán)境污染對(duì)人體健康危害的報(bào)警基點(diǎn)。利用CO傳感器、CO2傳感器、甲醛傳感器、溫濕度傳感器等實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量，將檢測(cè)數(shù)據(jù)交給單片機(jī)分析處理，單片機(jī)可根據(jù)檢測(cè)值自動(dòng)做出是否報(bào)警的決定。

室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；單片機(jī)；聲光報(bào)警； 傳感器

引言

CO和CO2是造成室內(nèi)空氣質(zhì)量下降的主要成分，長(zhǎng)時(shí)間接觸低濃度的CO會(huì)造成慢性中毒；CO2雖然是無毒氣體，但是CO2濃度過高會(huì)導(dǎo)致頭昏，耳鳴等癥狀；甲醛對(duì)眼、喉、上呼吸道和皮膚均可產(chǎn)生刺激作用，過量的甲醛氣體將導(dǎo)致各種疾病甚至癌癥；室內(nèi)的溫濕度變化同樣使人們的心情隨之改變，當(dāng)室內(nèi)的濕度較低溫度較高時(shí)，也就是室內(nèi)較干燥時(shí)，容易使人感到煩躁，而室內(nèi)的濕度較高時(shí)，容易使人患一些皮膚病，如濕疹等［1］。室內(nèi)空氣質(zhì)量和我們的生活質(zhì)量息息相關(guān)。鑒于目前室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀價(jià)格昂貴，大部分人群不能充分利用此設(shè)備，從而沒能起到保障人體健康的作用。因此，本文特開展此研究，旨在設(shè)計(jì)出一個(gè)高精度多種類檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量的低成本系統(tǒng)。

本系統(tǒng)主要功能如下：1）參數(shù)設(shè)置：可設(shè)置氣體濃度超標(biāo)報(bào)警的限值；2）數(shù)據(jù)采集：高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)周圍環(huán)境中CO、CO2、溫濕度、甲醛和苯的同系物的含量并存儲(chǔ)；3）顯示數(shù)據(jù)：LCD顯示當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)；4）超限報(bào)警：通過聲光對(duì)CO、CO2、甲醛和甲苯含量超限報(bào)警。

1. 系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，它由電源模塊、濕度檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、氣體檢測(cè)模塊、系統(tǒng)信息顯示部分以及主控制器構(gòu)成。濕度測(cè)量使用的是DHT11傳感器；溫度測(cè)量使用DS18B20傳感器；氣體檢測(cè)又分為3個(gè)部分組成，分別是對(duì)CO的檢測(cè)，對(duì)CO2的集得到的室內(nèi)環(huán)境信息通過LCD1602液晶模塊進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 電源電路模塊設(shè)計(jì)

電源部分主要是為系統(tǒng)的各個(gè)模塊供電，以便使得系統(tǒng)能夠正常工作。電源電壓的穩(wěn)定性相對(duì)較為重要，當(dāng)電源不穩(wěn)定時(shí)，單片機(jī)測(cè)得各部分的數(shù)據(jù)就會(huì)錯(cuò)亂，導(dǎo)致系統(tǒng)異常，顯示數(shù)據(jù)出錯(cuò)。而且要考慮到電源發(fā)熱的問題，當(dāng)電源長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，大多數(shù)芯片容易發(fā)熱，尤其是在功率過大時(shí)，更是容易使芯片燒毀。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

圖2 STC12C5A60S2最小系統(tǒng)

AMS1117是AMS公司生產(chǎn)的一款LDO電壓調(diào)節(jié)器，此系統(tǒng)工作電壓為5 V，故選用可調(diào)穩(wěn)壓芯片，為其提供5 V穩(wěn)定電壓。AMS1117應(yīng)用方便，只需外接兩個(gè)采樣電阻即可輸出穩(wěn)定電壓。

■2.2 主控制器

系統(tǒng)主控制器采用STC公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心。新一代 STC12C5A60S2 與傳統(tǒng)的 MCS－51 系列單片機(jī)指令完全兼容，具有高速、低功耗及抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn). 該單片機(jī)擁有 60K 的程序存儲(chǔ)器和1280 字節(jié) RAM，完全能滿足單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要求； 且該單片機(jī)是新一代單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T） ，其處理速度是傳統(tǒng)51單片機(jī)的 8 到10倍［2］，便于以后進(jìn)行功能擴(kuò)展。其自帶高速8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，使系統(tǒng)不需外加 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于不需將單片機(jī)應(yīng)用于多機(jī)方式，所以單片機(jī)工作于最小模式下即可。

■2.3 甲醛、甲苯模塊設(shè)計(jì)

電化學(xué)的甲醛、甲苯傳感器能滿足一般檢測(cè)，而且具有體積小、檢測(cè)快、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)［3］。本設(shè)計(jì)采用電化學(xué)傳感器MS1110模塊。該傳感器對(duì)甲醛、甲苯在濃度低時(shí)有更好的采集的信號(hào)，經(jīng)放大后送給單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換部件，將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后STC12C5A60S2將轉(zhuǎn)換結(jié)果取出，計(jì)算得到環(huán)境中甲醛和甲苯的濃度值。圖3為MS1110隨著甲醛甲苯濃度的增加靈敏度的變化，從圖中可以看出，此模塊在甲醛甲苯濃度低時(shí)，具有更好的靈敏度，精確度更高。

■2.4 CO2模塊設(shè)計(jì)

CO2模塊采用FIGARO公司生產(chǎn)的TGS4160，該傳感器的工作原理是：根據(jù)方程：式中：為CO2的分壓；Ec為常數(shù)；R是氣體常數(shù)；T為溫度值（K）；F是法拉第常數(shù)，通過檢測(cè)S（+）、S（-）兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢(shì)值EMF，就可以測(cè)量CO2的濃度值［4］。

TGS4160除了具有體積小、壽命長(zhǎng)、選擇性和穩(wěn)定性好等特性外，同時(shí)還具有低成本、耐高濕和耐低溫等特點(diǎn)。既能滿足在各種環(huán)境條件下正常工作，有高精度的測(cè)量結(jié)果的要求，同時(shí)還具有較低的成本，能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷。

■2.5 CO模塊設(shè)計(jì)

CO測(cè)量模塊采用MQ-7氣體傳感器，它對(duì)CO的靈敏度高，且是一款低成本的傳感器。MQ-7的氣敏材料是用在清潔空氣中電導(dǎo)率低的SnO2。工作原理是采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式，低溫（1.5V加熱）檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體，通過使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)［5］。

■2.6 溫濕度模塊設(shè)計(jì)

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。每個(gè)DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在 OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中需要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)，以便得到準(zhǔn)確的室內(nèi)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。其體積小、功耗低，信號(hào)傳輸距離可達(dá) 20 米以上［6］，而且使用單總線的數(shù)據(jù)傳輸模式，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷，而且有效節(jié)約系統(tǒng)的IO口，可以將其放置在室內(nèi)的任何位置。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件電路的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上開發(fā)相應(yīng)的軟件來共同實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)來說，軟件程序編寫的好與壞直接決定了整個(gè)程序的成敗。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中同樣采用模塊化設(shè)計(jì)思想，分別實(shí)現(xiàn)溫濕度的檢測(cè)、各種氣體濃度的采集和輸出、LCD1602的顯示和聲光報(bào)警，采用可移植性高的C語(yǔ)言編寫，在RealView MDK編譯環(huán)境中運(yùn)行，使用STC—ISP軟件與單片機(jī)交互，這給程序的修改和調(diào)試帶來很大的方便。圖 4為系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

各個(gè)模塊測(cè)量的結(jié)果都通過串口打印和顯示屏顯示，如此可以實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境的氣體空氣狀況，用戶可根據(jù)情況做出相應(yīng)的措施以此起到保障生活質(zhì)量的目的。

系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化工作，然后循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理并顯示，在濃度超限時(shí)給予聲光報(bào)警，有按鍵動(dòng)作時(shí)可設(shè)置報(bào)警參數(shù)，并取消報(bào)警。

通過檢測(cè)學(xué)校宿舍、辦公室的溫度和濕度值，初步判斷系統(tǒng)可行性還是非常高的，下面是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

濕度 （RH）37 35 34 30溫度（℃）18 20 22 25顯示結(jié)果Ok Ok Ok

其中25℃時(shí)顯示“！！”并響應(yīng)報(bào)警模塊。

4. 檢測(cè)方案

圖3 MS1110對(duì)甲醛甲苯的靈敏度變化

鑒于不同的人群工作條件、方式的不同，可以將空氣層劃分為2部分。調(diào)查顯示，辦公族平時(shí)80%的時(shí)間都處于靜坐狀態(tài)，呼吸帶主要集中于110～130cm處，此層空氣帶對(duì)這部分群體的健康影響最大；而車間工人，生產(chǎn)線工人多處于站立狀態(tài)，呼吸帶主要集中于160～180cm處。據(jù)此，可以將檢測(cè)位置根據(jù)情況安放在這兩層呼吸帶上，每100平方米安置4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)信息會(huì)隨時(shí)更新到LCD，亦可將檢測(cè)到的信息通過無線通訊模組發(fā)送到上位機(jī)上（例如可以使用安卓上位機(jī)，只需點(diǎn)開APP即可獲得當(dāng)前環(huán)境狀況的信息），或者通過RS232串口發(fā)送給上位機(jī)，用戶可以根據(jù)反饋得到的數(shù)據(jù)作出具體的有效措施，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。由此，可以提高人們生活和工作環(huán)境的空氣質(zhì)量，進(jìn)一步保障居民的生活健康。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

5. 結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了基于STC12C5A60S2單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要專注于室內(nèi)氣體成分。此系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集室內(nèi)多種環(huán)境參數(shù)，包括溫度、甲醛、甲苯、一氧化碳和二氧化碳濃度等參數(shù)，并對(duì)于超過最高上限指標(biāo)參數(shù)報(bào)警，提醒人們做出改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的行為。此系統(tǒng)采用的都是低成本、高精度傳感器，從而解決了目前市場(chǎng)上室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀昂貴的問題，保證每個(gè)人都能使用到。它可以適用于居民樓、辦公樓、車間、生產(chǎn)線等任何一棟建筑。

＊ ［1］HJ/T 167-2004，室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

＊ ［2］ STC12C5A60S2系列單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè).

＊ ［3］簡(jiǎn)毅，任海洋，熊金.基于 Atmega16L 多功能室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)［EB/OL］.北京：中國(guó)科技論文在線［2010.04.23］.

＊ ［4］ 王云景，趙紅旗等.二氧化碳傳感器TGS4160的原理及應(yīng)用［J］.國(guó)外電子元器件.2004.

＊ ［5］ MQ-7中文參數(shù)書［EB/OL］. http：//wenku.baidu.com/link？url =CPjAZg5GIBLxt_ggeLVSaBwbNvAQcfEhawomPwoeeyjg26C4F OiduEntoYsCQQXd-Mb4zIhdhtvoyirvTw8v2GNTAknsdTZ671b_ sU8DBeq

＊ ［6］ 倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測(cè)控中的應(yīng)用［J］. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2010.