基于無線通信技術(shù)的溫度、濕度及空氣質(zhì)量監(jiān)測集中控制系統(tǒng)

孫德富

（杭州奧普衛(wèi)廚科技有限公司 浙江杭州310018）

1 引言

隨著社會的發(fā)展，環(huán)境空氣質(zhì)量的改善變得越來越重要。為了實現(xiàn)環(huán)境空氣質(zhì)量的改善，在車站候車室、地鐵站、影院、商場等局部公共環(huán)境中，多安裝有通風換氣設備。而通常此類通風換氣設備的控制是依靠相關(guān)工作人員的感覺判斷，采用手工進行相應設備的開、關(guān)控制。本文采用無線通信技術(shù)和計算機技術(shù)設計了采用溫、濕度實時測量及空氣質(zhì)量監(jiān)測的集中控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)采集的溫、濕度數(shù)據(jù)來控制加熱、制冷設備或加濕、除濕設備的開啟和停止，從而把溫、濕度控制在設定的范圍之內(nèi)。采用氣體傳感器自動地進行空氣質(zhì)量檢測，能根據(jù)環(huán)境空氣的混濁污染程度，對通風換氣設備或空氣凈化設備進行控制和調(diào)節(jié)，改善環(huán)境中人們的舒適度和呼吸健康保障。所有溫、濕度及空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)均通過LCD顯示顯示出來。為了防止單片機掉電引起的數(shù)據(jù)丟失，溫度、濕度的設定值存儲在記憶電路中。

2 控制系統(tǒng)工作原理

本控制系統(tǒng)由無線發(fā)射主機和無線接收從機構(gòu)成，主機負責溫度、濕度和空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集以及顯示，數(shù)據(jù)通過主機設定對比，通機單片機內(nèi)部處理，通過無線發(fā)射模塊將控制信號發(fā)給無線接收從機，從機通過無線接收模塊接收后，通過解碼、單片機處理后，控制相應設備啟動或停止工作。無線發(fā)射主機可選擇“自動”和“手動”兩種工作狀態(tài)。“手動”工作狀態(tài)由人工控制相應設備工作或停止。

3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由無線發(fā)射主機和無線接收從機組成，無線發(fā)射主機由單片機，溫度、濕度傳感器、氣體傳感器、鍵盤輸入、LCD顯示器及無線發(fā)射模塊組成。無線接收從機由單片機、無線接收模塊、LED工作指示模塊（可選模塊）、驅(qū)動控制模塊組成。無線發(fā)射主機和無線接收從機框架如圖1所示。

4 硬件設計

無線發(fā)射主機單元和無線接收從機單元的各主要部分在后續(xù)敘述中會一一闡述，本文在此略去單元整體原理圖。

4.1 無線發(fā)射主機單元

無線發(fā)射主機單元組成：中央處理單元S3P9234，Q2、Q3及SM組成無線發(fā)射電路。K01-K12組成鍵盤輸入電路，SH10為溫、濕度傳感器，TGS2600為氣體傳感器，24C02為記憶電路。

4.2 無線接收從機單元

無線從機單元組成：中央處理單元M37544G2GP，T01、D01-D04、U02B及U03組成電源電路，Q04及R24組成蜂鳴器電路，U04組成驅(qū)動電路，24C02為記憶電路，RF接收模塊為LM358組成的通用型超再生接收模塊。

4.3 濕度、溫度檢測電路

（1）濕度、溫度傳感器選用的SH10型數(shù)字溫濕度傳感器，如圖2a，SH10傳感器由瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)，該芯片通過CMOSens TM技術(shù)將溫濕度傳感器、放大和A/D電路、串行通信接口以及傳感器標定數(shù)據(jù)集成在一個芯片上，無需外圍元器件。具有溫濕度一體、測量精度高、響應時間快、可靠性高、穩(wěn)定性好、接口簡單等優(yōu)點。其測量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度的信號，然后經(jīng)過放大，分別送至 A/D 轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、校準和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至微控制，再利用微控制器完成非線性補償和溫度補償。SHT10的相對濕度測量范圍為 0～100%，精度為±(4.5%)；溫度測量范圍為-40C～120, 精度為（±0.5℃ 在25℃）。

（2）SHT1X系列為貼片型溫濕度傳感器芯片特點：

－全量程標定，兩線數(shù)字輸出；

－濕度測量范圍：0～100%RH；

－溫度測量范圍：-40～+123.8℃；

－濕度測量精度： ±3.0%RH

－溫度測量精度：±0.4℃

－響應時間：8s(tau63%)；

－低功耗 80μW(12位測量，1次/s)；

－可完全浸沒。

（3）SH1X系列引腳定義和應用電路如圖2b所示。

4.4 氣體傳感檢測電路

（1）氣體傳感選用日本FIGARO氣體傳感器TGS2600。TGS系列傳感器屬n型半導體類氣體傳感器，其主要成分是二氧化錫燒結(jié)體。當吸附還原性氣體（例如液化氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、有機溶劑蒸氣等）時，電導率上升。當恢復到清潔空氣中時，電導率恢復。TGS傳感器就是將這種電導率變化，以輸出電壓的方式取出，從而檢測出氣體的濃度。TGS2600能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染物的異味，如空氣中的低濃度香煙污染物和其它異味，對H2、CO等有較高的敏感度。該傳感器能檢測到幾個ppm級H2含量。TGS2600具有成本低、體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性，可廣泛用于空氣質(zhì)量監(jiān)測、自動通風換氣系統(tǒng)、空氣清新機和氣流控制設備中。該器件比較適合于在室溫下長時間通電連續(xù)工作。由于采用小型化芯片，TGS2602的加熱器所需電流僅為42mA，并且安置于標準TO-5封裝中。與其它空氣傳感器相比，TGS2600在靈敏度和穩(wěn)定性方面有很大的優(yōu)越性。TGS2600外形和基本測量電路如圖3所示。此傳感器要求有兩個電壓輸入：加熱器電壓VH和電路電壓VC。加熱器電壓VH加于集成加熱器上以保持傳感器在一個特定的最佳感應溫度。電路電壓VC被加載以便于測量與氣敏元件串聯(lián)的負載電阻電壓Vout。此傳感器有極性所以電路電壓VC必須是直流。可以用一個公共的電源來同時供給VH和VC以滿足傳感器的電氣需求。合理選擇負載電阻RL使報警門限電壓最優(yōu)化，并使半導體傳感器功耗小于15mw。當目標氣體存在時，傳感器功耗在RS與RL相等時最大。傳感器信號經(jīng)微處理器處理后作出判斷，將空氣質(zhì)量分成3個級別，差、中、好，在LCD中顯示。

（2）TGS2600傳感器靈敏度特性：TGS2600典型靈敏度特性如圖4所示，所有數(shù)據(jù)都采集于標準測試條件下，Y軸表示傳感器靈敏度，即電阻比RS/R0。其中RS為傳感器在不同氣體濃度下的阻值；R0為傳感器在清新空氣中的阻值。

（3）TGS2600傳感器典型溫度、濕度依賴特性曲線：TGS2600典型的溫度、濕度依賴特性如圖5所示。同樣，Y軸表示傳感器靈敏度（電阻比）RS/R0，其中RS為清新空氣中的傳感器在不同溫、濕度條件下的阻值;R0為清新空氣中的傳感器在20℃及65%相對濕度下的阻值。

4.5 掉電記憶電路

圖6的掉電記憶電路由24C02及Q01組成，24C02是2K位串行I2C總線EEPROM。

4.6 鍵盤輸入電路

鍵盤輸入電路由K01-K12組成，如圖7

4.7 LCD顯示電路

LCD顯示電路由LCD顯示器、U01及背光源組成，采用帶液晶驅(qū)動的單片機設計，顯示電路如圖8

4.8 無線發(fā)射、接收電路（LM358通用型超再生接收模塊）

無線發(fā)射電路由Q2、Q3、SM及發(fā)射天線組成，電路如圖9，發(fā)射模塊的工作頻率為315M，采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高，當環(huán)境溫度在-25～+85℃之間變化時，頻飄僅為3ppm/℃。特別適合多發(fā)一收無線遙控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。聲表諧振器的頻率穩(wěn)定度僅次于晶體，而一般的LC振蕩器頻率穩(wěn)定度及一致性較差，即使采用高品質(zhì)微調(diào)電容，溫差變化及振動也很難保證已調(diào)好的頻點不會發(fā)生偏移。無線接收電路由Q1、Q2、LM358及接收天線組成，這種電路的優(yōu)點在于：（1）天線輸入端有選頻電路，而不依賴1/4波長天線的選頻作用，控制距離較近時可以剪短甚至去掉外接天線。（2）輸出端的波形在沒有信號比較干凈，干擾信號為短暫的針狀脈沖，而不象其它超再生接收電路會產(chǎn)生密集的噪聲波形，所以抗干擾能力較強。（3）模塊自身輻射極小，加上電路模塊背面網(wǎng)狀接地銅箔的屏蔽作用，可以減少自身振蕩的泄漏和外界干擾信號的侵入。（4）采用帶骨架的銅芯電感將頻率調(diào)整到315M后封固，這和采用可調(diào)電容調(diào)整接收頻率的電路相比，溫度、濕度穩(wěn)定性及抗機械振動性能都有極大改善。可調(diào)電容調(diào)整精度較低，只有3/4圈的調(diào)整范圍，而可調(diào)電感可以做到多圈調(diào)整。可調(diào)電容調(diào)整完畢后無法封固，因為無論導體還是絕緣體，各種介質(zhì)的靠近或侵入都會使電容的容量發(fā)生變化，進而影響接收頻率。另外未經(jīng)封固的可調(diào)電容在受到振動時定片和動片之間發(fā)生位移；溫度變化時熱脹冷縮會使定片和動片間距離改變；濕度變化因介質(zhì)變化改變?nèi)萘浚婚L期工作在潮濕環(huán)境中還會因定片和動片的氧化改變?nèi)萘浚@些都會嚴重影響接收頻率的穩(wěn)定性，而采用可調(diào)電感就可解決這些問題，因為電感可以在調(diào)整完畢后進行封固，絕緣體封固劑不會使電感量發(fā)生變化。電路如圖10

4.9 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路主要由U04(2003)及繼電器組成，電路如圖11

4.10 LCD顯示字符圖（圖12）

LCD顯示分成四個區(qū)，溫度顯示區(qū)、濕度顯示區(qū)、空氣質(zhì)量顯示區(qū)和時鐘顯示區(qū)，字符如圖14

5 軟件設計

本控制系統(tǒng)的軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、控制等功能，軟件采用模塊化設計，以利于軟件的兼容性、可維護性及移植性。根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，將軟件按分時處理進行模塊化設計，軟件設計主要分為主程序、自動控制子程序、手動控制子程序、溫、濕度讀取子程序、顯示子程序和輸出控制子程序。圖13為主機主程序流程圖，圖14為手動控制子程序流程圖，圖15為從機主程序流程圖。

6 結(jié)束語

本文研究的溫度、濕度及空氣質(zhì)量監(jiān)測集中控制系統(tǒng)，采用無線集中的控制方式，可實現(xiàn)對多個參數(shù)的實時監(jiān)視與控制。采用溫濕度一體化的數(shù)字傳感器同時實現(xiàn)溫度和濕度的測量，系統(tǒng)具有可無人值守，節(jié)約資源，可靠性高，成本低的優(yōu)點，試驗運行良好，具有廣闊的應用和推廣前景。本設計優(yōu)點：（1）采用無線集中的控制方式，實現(xiàn)多個空氣參數(shù)的無線監(jiān)控，無須布置通信電纜，管理方便，維護簡單；（2）系統(tǒng)可無人值守，節(jié)約人力、物力資源，（3）采用的SH10型數(shù)字溫濕度傳感器，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、抗干擾能力強等特點。系統(tǒng)可靠性高，成本低。本設計缺點：無線發(fā)射主機和無線接收從機單向通信，無線接收從機為被動控制。

[1]黃賢武，鄭莜霞.傳感器原理與應用.電子科技大學出版社, 1995.

[2]TGS 2600 - for the detection of Air Contaminants，F(xiàn)IGRO GROUP，2004.

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[7]張洪潤.單片機應用設計200例（上冊）.北京航天航空大學出版社，2006.

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[9]24C02中文資料.pdf