祝鳳金

(菏澤學(xué)院蔣震機(jī)電工程學(xué)院，山東 菏澤 274015)

?

基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量及溫濕度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)*

祝鳳金

(菏澤學(xué)院蔣震機(jī)電工程學(xué)院，山東 菏澤 274015)

該設(shè)計(jì)以AVR ATMETA16為主機(jī)，STC12C4052AD為從機(jī)，實(shí)現(xiàn)空氣中PM2.5和PM10以及溫、濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且通過(guò)LCD12864實(shí)時(shí)顯示的.同時(shí)可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警、空氣加濕及除塵功能.

單片機(jī)；溫濕度傳感器；粉塵傳感器

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)力的不斷地提高和人類(lèi)生活水平的提高，在生產(chǎn)過(guò)程中向大氣環(huán)境中排放的廢氣越來(lái)越多，人類(lèi)出行的交通工具所排放的尾氣也成為了污染環(huán)境的一大殺手.人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，近幾年出現(xiàn)的大氣污染成為環(huán)境中最難以解決的嚴(yán)重問(wèn)題.如何實(shí)時(shí)、有效的對(duì)環(huán)境質(zhì)量及變化進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，進(jìn)而改善生存環(huán)境是現(xiàn)今人類(lèi)面對(duì)的重要的問(wèn)題[1、2].本設(shè)計(jì)通過(guò)多種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中的PM2.5、PM10有害微粒，溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行凈化、加濕等功能.

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的兩片單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主機(jī)采用的是AT公司生產(chǎn)的ATMEGA16單片機(jī)[3]，主要負(fù)責(zé)溫濕度的采集、開(kāi)機(jī)時(shí)間的記錄、LCD液晶數(shù)據(jù)的顯示，從機(jī)采用的是STC公司生產(chǎn)的STC12C4052AD單片機(jī)[4]，主要負(fù)責(zé)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集.主機(jī)與從機(jī)之間的通信是采用串口的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主機(jī)通過(guò)不同的串口數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)從機(jī)數(shù)據(jù)的采集與關(guān)閉，從機(jī)也是通過(guò)串口將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后傳送給主機(jī).實(shí)現(xiàn)的過(guò)程是當(dāng)打開(kāi)主機(jī)后，主機(jī)處理完數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)發(fā)送一個(gè)串口數(shù)據(jù)給從機(jī)，從機(jī)接收數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與反饋，當(dāng)關(guān)閉主機(jī)時(shí)主機(jī)也會(huì)自動(dòng)的發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)關(guān)閉從機(jī)的數(shù)據(jù)的采集，這樣就避免了在關(guān)閉主機(jī)時(shí)，從機(jī)還向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)從而避免了數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的出現(xiàn).按鍵輸入模塊可以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)機(jī)，開(kāi)機(jī)后主控單片機(jī)ATMEGA16單片機(jī)首先打開(kāi)從機(jī)單片機(jī)STC12C4052AD，并和溫濕度傳感器SHT11、DS1302時(shí)鐘模塊建立通信，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的在LCD12864液晶上顯示，而且通過(guò)各個(gè)傳感器輸出的數(shù)值，來(lái)控制加濕及凈化模塊不同的工作模式.其系統(tǒng)組成如圖1所示.

圖1　檢測(cè)儀系統(tǒng)組成

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1顯示模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用不帶字庫(kù)的并且通信方式為串行通信的HEM-LCD12864作為該設(shè)計(jì)的顯示器件，該液晶模塊價(jià)格較低，是帶字庫(kù)液晶的一半左右.單片機(jī)中提供了大容量的ROM,在單片機(jī)掉電過(guò)程中數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，由于本設(shè)計(jì)顯示字符不是很多，所以完全可以把字符的代碼保存在單片機(jī)中，而且也不會(huì)影響單片機(jī)的正常工作[5].由于該液晶采用的是串行的通信方式，節(jié)省單片機(jī)的I/O資源，以用來(lái)做其他的工作，并且串行通信的速度完全可以滿(mǎn)足該設(shè)計(jì)的需要，其電路原理如圖2所示.

圖2　LCD12864電路

2.2系統(tǒng)工作時(shí)間設(shè)計(jì)

采用DS1302時(shí)鐘芯片作為時(shí)鐘記錄系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)工作時(shí)間.DS1302 是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5V.采用三線(xiàn)接口與CPU進(jìn)行同步通信[6]，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù).其電路原理如圖3所示.

圖3　DS132時(shí)鐘芯片電路

2.3溫濕度傳感器設(shè)計(jì)

采用集成式的數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，該傳感器采用單總線(xiàn)的通信方式與單片機(jī)相連的，只需要三根線(xiàn)(電源線(xiàn)正、電源負(fù)、數(shù)據(jù)線(xiàn))就可以準(zhǔn)確的讀取出溫濕度傳感器的數(shù)值.在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)溫濕度值的要求比較高，為提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度，所以該系統(tǒng)采用DHT11集成式數(shù)字溫濕度傳感器[7].其電路原理如圖4所示.

圖4　DHT11溫濕度傳感器電路

2.4粉塵傳感器設(shè)計(jì)

采集空氣質(zhì)量的傳感器采用的是SM-PWM-01A粉塵傳感器，它是一款利用光學(xué)方法檢測(cè)空氣中粉塵濃度的傳感器.能夠區(qū)分香煙等微小顆粒和灰塵等大顆粒.該傳感器是以脈沖的形式來(lái)輸出信號(hào)的，在一定周期內(nèi)低電平所占有的時(shí)間的總和的比例就是空氣中粉塵的含量.該傳感器有兩個(gè)輸出端，一個(gè)端子輸出的是直徑小于2.5 um(PM2.5)的顆粒脈沖,一個(gè)端子輸出的是直徑小于10 um(PM10)的顆粒脈沖.在本設(shè)計(jì)中采用的用中斷查詢(xún)法來(lái)記錄兩個(gè)輸出引腳的低電平的比例的，由于在采集過(guò)程中會(huì)頻繁的應(yīng)用中斷，如果所有的數(shù)據(jù)的采集及處理只應(yīng)用一個(gè)單片機(jī)，那單片機(jī)就會(huì)只處理中斷，而不執(zhí)行其他的操作了，所以本設(shè)計(jì)利用了一個(gè)一腳較少的單片機(jī)來(lái)采集分成傳感器的數(shù)值，這樣可以實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)都能較為準(zhǔn)確的采集和顯示.其電路原理如圖5所示.

圖5　粉塵傳感器電路

2.5語(yǔ)音報(bào)警及加濕凈化設(shè)計(jì)

語(yǔ)音報(bào)警模是利用的集成的語(yǔ)音模塊，只需給芯片發(fā)送相應(yīng)的脈沖并接上拉電阻揚(yáng)聲器就可以正常工作.加濕和凈化氣的電路設(shè)計(jì)是應(yīng)用N-MOS管來(lái)驅(qū)動(dòng)外部直流負(fù)載，并實(shí)現(xiàn)PWM的調(diào)速，其電路原理如圖6所示.其中J2為揚(yáng)聲器接口，J3為凈化器負(fù)載接口，J4為加濕器負(fù)載接口.

2.6主從通訊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中兩個(gè)單片機(jī)通信的方式采用的是串口通信，在通信過(guò)程中兩個(gè)單片機(jī)的距離很近，所以采用兩單片機(jī)直接相連接的方案，通信頻率為9 600 bit/s.其主從通訊電路如圖7所示.

圖7　主從單片機(jī)通訊電路

3　程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包括 DS1302時(shí)鐘芯片、DHT11溫濕度傳感器、LCD12864、EM-PWM-01A粉塵傳感器以及報(bào)警、加濕凈化裝置的編程設(shè)計(jì).為方便編程和調(diào)試，各模塊采用子程序方式進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，其整體程序流程如圖8所示.

圖8　程序流程圖

4　結(jié)論

本設(shè)計(jì)所涉及的檢測(cè)裝置濕度檢測(cè)范圍為20%～90%RH、溫度測(cè)量范圍0～50 ℃.濕度檢測(cè)精度控制在1%RH以?xún)?nèi)、溫度檢測(cè)精度控制2 ℃以?xún)?nèi).在在實(shí)際運(yùn)行效果良好，在空氣質(zhì)量檢測(cè)及調(diào)節(jié)空氣濕度及降低灰塵度有較明顯效果.該檢測(cè)裝置具有較廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景.

[1]孟澤健.基于AT89S52 單片機(jī)的無(wú)線(xiàn)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2015,6:161-163．

[2]邵婷婷,任瑞瑞,李平.基于單片機(jī)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2014,5:67-68．

[3]徐瑋.AVR單片機(jī)快速入門(mén)[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4]郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].第1版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]張偉.Protel 99 SE實(shí)用教程[M].第2版.北京:人民郵電出版社，2012.

[6]胡漢才.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[7]吳建平.傳感器原理及應(yīng)用[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)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

菏澤學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目(XY12KJ05)

祝鳳金(1982-)，男，山東成武人，講師，碩士，研究方向：機(jī)電一體化.

TP368.1

A