倉儲室的環(huán)境監(jiān)控與報(bào)警器設(shè)計(jì)

摘 要：目前大多數(shù)倉儲室采取人工巡檢的方法監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，其客觀性差，無法做到全天候，而且人力成本也不斷增加。為此，文章設(shè)計(jì)一款智能環(huán)境監(jiān)控與報(bào)警器，以AT89C51單片機(jī)作為核心，通過傳感器測量環(huán)境的溫度、濕度和CO2濃度參數(shù)。單片機(jī)讀入這三個參數(shù)并比較，當(dāng)高于設(shè)定值時，啟動風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，當(dāng)環(huán)境參數(shù)合格時，風(fēng)扇停止。系統(tǒng)有顯示和燈光報(bào)警功能，采取紅外遙控方式控制。實(shí)驗(yàn)表明，可以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。這款智能環(huán)境監(jiān)控與報(bào)警器能實(shí)時監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，可靠性好，具有良好的市場前景。

關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；傳感器；風(fēng)扇；紅外遙控

引言

目前，大多數(shù)倉儲室位于地下室，被高大、稠密的建筑包圍。往往高溫、潮濕和昏暗，危及儲存物品的質(zhì)量和保質(zhì)期；CO2濃度較高，對倉儲室操作人員身體健康不利，有甚者危及生命安全。通過及時通風(fēng)可以有效的降低溫度、濕度和CO2濃度，維護(hù)倉儲室的環(huán)境質(zhì)量。

為此，本文專門設(shè)計(jì)了一款智能環(huán)境監(jiān)控與報(bào)警器，由傳感器測量環(huán)境的溫度、濕度和CO2濃度參數(shù)。單片機(jī)進(jìn)行參數(shù)采集和比較。如果有任何一個參數(shù)高于設(shè)定值時，則單片機(jī)發(fā)出啟動指令，風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)。當(dāng)三項(xiàng)環(huán)境參數(shù)均合格時，發(fā)出停止指令，風(fēng)扇停止；通過LCD液晶顯示屏顯示參數(shù)的當(dāng)前值；用三個不同顏色的信號燈閃爍來警示環(huán)境參數(shù)超標(biāo)；由于倉儲室昏暗，采取紅外遙控方式控制，非接觸、無點(diǎn)火花，操作方便有安全。由于單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度非常高，可以完成環(huán)境監(jiān)控的實(shí)時處理，而且經(jīng)濟(jì)成本很低。

1 環(huán)境監(jiān)控與報(bào)警器總體設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控與報(bào)警器由環(huán)境參數(shù)采集、信號分析處理、數(shù)據(jù)顯示與報(bào)警、風(fēng)扇紅外遙控設(shè)備等部分組成， 系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

紅外遙控器開啟系統(tǒng)后，傳感器測量環(huán)境的溫度、濕度和CO2濃度數(shù)值。單片機(jī)定時查詢并讀取參數(shù)值，并發(fā)送到液晶顯示器。由單片機(jī)判斷參數(shù)值，如果某項(xiàng)與參數(shù)值大于設(shè)定值，發(fā)出指令啟動風(fēng)扇，對應(yīng)信號燈閃爍發(fā)出報(bào)警信息；通風(fēng)后，當(dāng)三項(xiàng)參數(shù)都低于設(shè)定值時，關(guān)閉風(fēng)扇。遙控器可以啟/停系統(tǒng)，也可以修改設(shè)定值。

2 環(huán)境監(jiān)控與報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)

本文采用AT89C51為核心搭建硬件電路[1]，用P0口和P1口控制顯示器LCD 1602[2]， P2口控制濕度傳感器HIH4000[3]、溫度傳感器（ DS18B20）[4]、CO2濃度傳感器TGS4160[5]的信號采集、風(fēng)扇繼電器和紅、黃、藍(lán)三個信號燈。P3口連接紅外信號接收探頭，接收遙控器發(fā)送的控制信號[6]。系統(tǒng)的硬件電路圖如圖2所示。圖中風(fēng)扇未畫出，其電源通斷由P2.6口通過繼電器實(shí)現(xiàn)控制。

2.1 傳感器電路

環(huán)境溫度傳感器選用Dallas公司的DS18B20，它以9 位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值，測溫范圍-55～+125℃，以0.5℃遞增，溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200m/s。用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可通過數(shù)據(jù)線供電零待機(jī)功耗 ，DS1820通過一個單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS1820之間僅需一條連接線，三引腳封裝。

環(huán)境濕度傳感器選用深圳矢量科技有限公司的HIH4000，它帶有集成信號處理電路，敏感材料為熱固性聚合物，低功耗設(shè)計(jì)。測量范圍0～100%RH凝結(jié)，工作溫度為-40～+85℃，精度為正負(fù)2%RH，輸出電壓現(xiàn)行精度很高，響應(yīng)速度為15s，穩(wěn)定性，低溫飄，抗化學(xué)腐蝕性好。

環(huán)境CO2濃度傳感器選用FIGARO公司的GTS4160，它是固態(tài)電化學(xué)型CO2傳感器，測量范圍：300-5，000ppm，對二氧化碳CO2濃度有高靈敏度，加熱器電壓：5V±0.2VDC，它具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性外，耐高濕和耐低溫，可廣泛用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或CO2氣體的長期監(jiān)測等應(yīng)用場合。

以上三種傳感器都采用，三引腳封裝，便于焊接在芯片上。

2.2 液晶顯示電路和報(bào)警電路

顯示電路選用液晶顯示屏（ LCD） ，用以輪流顯示室溫、濕度和CO2濃度。字符型液晶顯示器LCD1602由液晶顯示屏、控制驅(qū)動主電路HD44780和擴(kuò)展驅(qū)動電路HD44100，少量阻、容元件及結(jié)構(gòu)件裝配在PCB板上而成，具有64個字節(jié)的自定義字符RAM，80字節(jié)的RAM。由于要顯示參數(shù)僅由由數(shù)字和單位組成，其可以滿足要求，而且價(jià)格低廉。設(shè)計(jì)中， 1602數(shù)據(jù)線與單片機(jī)P0口相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；P0口進(jìn)行時鐘和讀寫等控制。

紅、黃、藍(lán)三個狀態(tài)指示燈分別由P2.3、P2.4、P2.5口控制，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。在系統(tǒng)運(yùn)行中，單片機(jī)讀取傳感器數(shù)據(jù)，并把其與設(shè)定參數(shù)比較。當(dāng)環(huán)境狀態(tài)變差，參數(shù)值大于設(shè)定值時，相應(yīng)信號燈閃爍，這使得管理人員在昏暗環(huán)境中很容易辨識出倉儲室內(nèi)那些參數(shù)超標(biāo)，也便于系統(tǒng)檢修時故障診斷。

2.3 通風(fēng)控制電路和遙控通信電路

當(dāng)單片機(jī)檢測到有參數(shù)大于設(shè)定值時，把P2.6口置高電平，從而通過繼電器接通風(fēng)扇的電源，進(jìn)行通風(fēng)。通風(fēng)后，可以降低環(huán)境的溫度、濕度和CO2濃度值。如果這三個參數(shù)都低于設(shè)定，則P2.6口置低電平，關(guān)閉風(fēng)扇。

遙控通信電路采用HT6621作為信號發(fā)射器。其工作電壓為1.8V～3.5V，內(nèi)置LED紅外發(fā)射頭，輸出信號頻率為38KHz，最小發(fā)射一個字，發(fā)射數(shù)據(jù)由16為地址碼、8為數(shù)據(jù)碼和8為數(shù)據(jù)反碼共32位組成，最大活動鍵32位。紅外接收頭IRD由P3.1口控制，實(shí)現(xiàn)紅外信號的接收、放大、解調(diào)和解碼。通過紅外通訊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉，也可根據(jù)儲存貨物的要求和季節(jié)變化修改參數(shù)的設(shè)定值。

3 環(huán)境監(jiān)控與報(bào)警器軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采用模塊化思想設(shè)計(jì)，主程序通過調(diào)用各個功能子程序來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，這既有利于簡化設(shè)計(jì)算法，也有利于程序的開發(fā)和調(diào)試。軟件程序流程如圖3所示。系統(tǒng)上電開機(jī)復(fù)位，紅外遙控子程序可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)和設(shè)定參數(shù)；溫度檢測子程序、濕度檢測子程序、CO2濃度檢測子程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的采集和運(yùn)算處理，液晶顯示子程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)輪流顯示。

4 結(jié)束語

通過對環(huán)境監(jiān)控與報(bào)警器硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測的自動化。由于單片運(yùn)算速度高，傳感器響應(yīng)時間短，能夠?qū)}儲室環(huán)境實(shí)時檢測和及時控制。紅外遙控方式和燈光報(bào)警為操作人員在倉儲室昏暗的環(huán)境提供了良好的人機(jī)交互條件。在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過修改設(shè)定參數(shù)，本設(shè)計(jì)也可用在廚房、會議室、衛(wèi)生間等場合，適應(yīng)性好。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：寧煜，男，1974 年出生，陜西咸陽人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)；

劉保朝，男，1979年出生，河南南陽人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。