謝 超， 王 正

(1.南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京210037；2.南京林業(yè)大學南方學院，江蘇 南京210037)

隨著時代的進步與發(fā)展，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求越來越高，開展室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究具有重要意義[1-5]。當前市面上的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀種類繁多，但大多不能完全符合普通家庭的使用需求。李峰設(shè)計了一款可以同時監(jiān)測粉塵含量、溫濕度、CO、CO2等多種有害氣體的系統(tǒng)[6]，但該設(shè)計是基于無線通信的系統(tǒng)，且監(jiān)測內(nèi)容大大超出了普通家庭的應(yīng)用需要，并且沒有全面考慮系統(tǒng)成本、功耗等問題。本文構(gòu)思了基于單片機的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對粉塵含量以及溫濕度的監(jiān)測，同時借助液晶顯示、按鍵輸入、聲光報警等模塊較好完成了人機交互，且該系統(tǒng)還具有成本低、能耗小、使用便捷等特點。

1 空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計

本文從硬件和軟件兩大部分進行考慮，各功能模塊之間相互獨立，也相互影響。各個模塊之間的關(guān)系如圖1所示，系統(tǒng)主要包括微控制器(Microcontroller Unit，MCU)、傳感器采集模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊、按鍵模塊，以及其他一些輔助性元件。MCU采用宏晶公司旗下的STC89C52單片機，此單片機是51單片機的升級版，具有功耗低、速度快、抗干擾能力強、價格低廉等優(yōu)點，非常符合本設(shè)計對MCU的需求。其余各硬件模塊設(shè)計在MCU周圍，依據(jù)引腳進行相應(yīng)連接。其中，MCU與傳感器采集模塊信息交互，實現(xiàn)空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、讀取和換算；顯示模塊實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)；按鍵模塊用于用戶向系統(tǒng)輸入相應(yīng)指令；監(jiān)測到異常后，聲光報警模塊起到提示用戶的作用?？紤]到室內(nèi)供電的方便性，本系統(tǒng)采用最為常見的USB插頭供電方式。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機最小控制電路

單片機最小控制電路包括時鐘電路和復位電路，如圖2所示。時鐘電路由兩個小電容加一個晶振組成，接在MCU的18、19引腳。該部分在單片機內(nèi)部產(chǎn)生一定的脈沖信號，起到時鐘作用。復位電路接在9引腳，起到使電路恢復到最開始狀態(tài)的作用。本設(shè)計采用的是電動復位，無需外加按鈕就可以實現(xiàn)復位。

圖2 時鐘電路和復位電路

2.2 傳感器選型及其接口

夏普GP2Y1010AU0F光學粉塵傳感器是一款對細微顆粒(如香煙煙霧)監(jiān)測特別有效的傳感器，經(jīng)常應(yīng)用在空氣凈化系統(tǒng)中。該傳感器具有檢測靈敏度高、使用壽命長、尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低等特點。圖3顯示了該粉塵傳感器與MCU之間的連接電路。由于傳感器的輸出(5腳)是模擬量，因此在接入MCU之前需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計采用的是ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。電路方式如圖3所示。

空氣溫濕度方面，采用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。其溫度量程為-20～+60 ℃，溫度精度為±2 ℃，濕度量程為5%～95%RH，濕度精度為±5%RH。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保監(jiān)測具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性，同時還具有成本低、響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。因為該傳感器使用的是單線制串行接口，所以系統(tǒng)集成簡易快捷，4針單排引腳封裝，連接方便。電路連接如圖4所示。

圖3 PM2.5粉塵傳感器GP2Y1010AU0F與MCU連接

圖4 DHT11溫濕度傳感器與MCU連接

2.3 顯示模塊

液晶顯示屏對本設(shè)計尤其重要，液晶顯示屏可以把單片機接收的來自各個傳感器的數(shù)據(jù)顯示出來，實時提供給用戶。本系統(tǒng)選用LCD1602液晶顯示作為顯示模塊。LCD1602是一款工業(yè)字符型液晶，專門顯示數(shù)字和字母，而且成本低、薄厚適中、性價比高，比較適合本系統(tǒng)用作顯示模塊。在本設(shè)計中，只需要將RS、R/W、E、D0～D7引腳與MCU正確連接后就可以正常顯示。電路連接如圖5所示。

圖5 LCD顯示模塊與MCU連接

2.4 按鍵輸入及聲光報警模塊

按鍵輸入模塊主要通過按鍵完成對系統(tǒng)各項參數(shù)(如報警閾值、巡檢周期等)的設(shè)置。燈光報警模塊則主要根據(jù)用戶設(shè)定的各項報警閾值，通過亮起不同的色燈完成對用戶的提醒作用。如若某項指標超過警戒值，系統(tǒng)還會通過聲光報警模塊中設(shè)計的蜂鳴器對用戶進行聲音警告。

3 空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了達成上述系統(tǒng)功能，進行了軟件設(shè)計并利用Keil軟件進行程序的編寫。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要可以分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部分。主程序主要對硬件和變量進行初始化，對各個控制寄存器設(shè)置初值，對運算過程中使用的各種變量分配地址并設(shè)置相應(yīng)的初值。初始化模塊僅在MCU上電復位后被執(zhí)行一次，然后進入循環(huán)等待時期，如圖6所示。

中斷服務(wù)與巡檢子程序是系統(tǒng)軟件的核心部分，包括定時器中斷巡檢、按鍵輸入巡檢、異常情況巡檢。在主程序進入循環(huán)等待時期后，這些程序?qū)⒁恢北谎h(huán)執(zhí)行。其中，本系統(tǒng)通過設(shè)置定時器中斷來精確設(shè)定空氣傳感器的巡檢周期。定時周期到達后，由中斷程序設(shè)置使能標志，當檢測到該標志有效后，程序會對傳感器的數(shù)據(jù)進行讀取，如讀取的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)變化，則進一步在液晶顯示屏上進行相應(yīng)更新。按鍵與異常巡檢則不通過定時器中斷的方式進行。因傳感器的數(shù)據(jù)讀取很重要，所以本文僅以MCU讀取DHT11數(shù)字溫濕度傳感器數(shù)據(jù)為例進行介紹，流程圖如圖7所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 MCU讀取DHT11傳感器數(shù)據(jù)流程圖

4 系統(tǒng)測試

針對設(shè)計系統(tǒng)進行了整體性能測試，共進行了三組實驗：①從25～845 μg/m3區(qū)間內(nèi)選取10個均勻隨機的數(shù)值點進行PM2.5測試；②在60%RH濕度條件下選取15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃四種室溫進行測試；③在30 ℃室內(nèi)條件下選取20%RH、50%RH、70%RH、90%RH四種濕度數(shù)值進行測試。系統(tǒng)實物圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實物圖

經(jīng)過對以上實驗數(shù)據(jù)的分析得知，本系統(tǒng)的PM2.5監(jiān)測數(shù)值與真實值的相對誤差<3.2%，溫度絕對誤差<2 ℃，濕度絕對誤差<5%RH。以上測試結(jié)果均符合預期要求，且系統(tǒng)在整個測試過程中工作穩(wěn)定，各模塊功能正常，整體運行良好。

5 結(jié) 論

為了滿足人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的需求，設(shè)計了基于STC89C52單片機的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效地對室內(nèi)PM2.5以及溫濕度進行實時監(jiān)測。測試實驗表明設(shè)計方案正確，功能良好，測量精度較高，完全滿足人們?nèi)粘Ｊ覂?nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的需求。后續(xù)本系統(tǒng)還將繼續(xù)升級，可以與大數(shù)據(jù)[7]、納米傳感器[8]、云計算[9]、5G技術(shù)[10]，以及人工智能[11]相結(jié)合，以滿足人們不斷增長的技術(shù)需求。