基于STC12C5A60S2的室內環境監測系統設計

作者 / 李誠，中北大學朔州校區通訊作者 / 臧俊斌

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基于STC12C5A60S2的室內環境監測系統設計

作者 / 李誠，中北大學朔州校區
通訊作者 / 臧俊斌

如今人們在室內花費了大量的時間，而室內環境質量與人體健康息息相關，因此室內環境氣體質量檢測至關重要。針對目前市場上室內氣體檢測儀成本高、精度低、檢測種類單一等缺點，本文基于物聯網傳感平臺，以單片機為控制核心，設計出一種室內環境氣體實時檢測系統。本系統立足于解決室內污染超標而不被人所知繼而危害人體健康的問題，實現對室內環境氣體質量的實時動態檢測，根據傳感器反饋的數據，結合最高危害上限指標要求，及時給出室內環境污染對人體健康危害的報警基點。利用CO傳感器、CO2傳感器、甲醛傳感器、溫濕度傳感器等實時檢測室內環境氣體質量，將檢測數據交給單片機分析處理，單片機可根據檢測值自動做出是否報警的決定。

室內環境檢測；物聯網；單片機；聲光報警； 傳感器

引言

CO和CO2是造成室內空氣質量下降的主要成分，長時間接觸低濃度的CO會造成慢性中毒；CO2雖然是無毒氣體，但是CO2濃度過高會導致頭昏，耳鳴等癥狀；甲醛對眼、喉、上呼吸道和皮膚均可產生刺激作用，過量的甲醛氣體將導致各種疾病甚至癌癥；室內的溫濕度變化同樣使人們的心情隨之改變，當室內的濕度較低溫度較高時，也就是室內較干燥時，容易使人感到煩躁，而室內的濕度較高時，容易使人患一些皮膚病，如濕疹等［1］。室內空氣質量和我們的生活質量息息相關。鑒于目前室內環境檢測儀價格昂貴，大部分人群不能充分利用此設備，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，旨在設計出一個高精度多種類檢測室內環境氣體質量的低成本系統。

本系統主要功能如下：1）參數設置：可設置氣體濃度超標報警的限值；2）數據采集：高精度實時檢測周圍環境中CO、CO2、溫濕度、甲醛和苯的同系物的含量并存儲；3）顯示數據：LCD顯示當前溫濕度數據；4）超限報警：通過聲光對CO、CO2、甲醛和甲苯含量超限報警。

1. 系統總方案設計

室內環境檢測系統采用模塊化設計的方法，它由電源模塊、濕度檢測模塊、溫度檢測模塊、氣體檢測模塊、系統信息顯示部分以及主控制器構成。濕度測量使用的是DHT11傳感器；溫度測量使用DS18B20傳感器；氣體檢測又分為3個部分組成，分別是對CO的檢測，對CO2的集得到的室內環境信息通過LCD1602液晶模塊進行顯示。系統總體設計圖如圖1所示。

2. 系統硬件設計

■2.1 電源電路模塊設計

電源部分主要是為系統的各個模塊供電，以便使得系統能夠正常工作。電源電壓的穩定性相對較為重要，當電源不穩定時，單片機測得各部分的數據就會錯亂，導致系統異常，顯示數據出錯。而且要考慮到電源發熱的問題，當電源長時間工作時，大多數芯片容易發熱，尤其是在功率過大時，更是容易使芯片燒毀。

圖1 系統總體設計圖

圖2 STC12C5A60S2最小系統

AMS1117是AMS公司生產的一款LDO電壓調節器，此系統工作電壓為5 V，故選用可調穩壓芯片，為其提供5 V穩定電壓。AMS1117應用方便，只需外接兩個采樣電阻即可輸出穩定電壓。

■2.2 主控制器

系統主控制器采用STC公司生產的STC12C5A60S2單片機為控制核心。新一代 STC12C5A60S2 與傳統的 MCS－51 系列單片機指令完全兼容，具有高速、低功耗及抗干擾性能強等優點. 該單片機擁有 60K 的程序存儲器和1280 字節 RAM，完全能滿足單片機系統的軟件設計要求； 且該單片機是新一代單時鐘/機器周期（1T） ，其處理速度是傳統51單片機的 8 到10倍［2］，便于以后進行功能擴展。其自帶高速8路10位A/D轉換器，使系統不需外加 A/D 轉換芯片。由于不需將單片機應用于多機方式，所以單片機工作于最小模式下即可。

■2.3 甲醛、甲苯模塊設計

電化學的甲醛、甲苯傳感器能滿足一般檢測，而且具有體積小、檢測快、價格低廉等優點［3］。本設計采用電化學傳感器MS1110模塊。該傳感器對甲醛、甲苯在濃度低時有更好的采集的信號，經放大后送給單片機ADC轉換部件，將采集的模擬信號轉換為數字信號，然后STC12C5A60S2將轉換結果取出，計算得到環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，具有更好的靈敏度，精確度更高。

■2.4 CO2模塊設計

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

TGS4160除了具有體積小、壽命長、選擇性和穩定性好等特性外，同時還具有低成本、耐高濕和耐低溫等特點。既能滿足在各種環境條件下正常工作，有高精度的測量結果的要求，同時還具有較低的成本，能滿足系統設計的初衷。

■2.5 CO模塊設計

CO測量模塊采用MQ-7氣體傳感器，它對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率低的SnO2。工作原理是采用高低溫循環檢測方式，低溫（1.5V加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時吸附的雜散氣體，通過使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號［5］。

■2.6 溫濕度模塊設計

DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有極高的穩定性和可靠性。每個DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在 OTP 內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中需要調用這些校準系數，以便得到準確的室內環境溫濕度數據。其體積小、功耗低，信號傳輸距離可達 20 米以上［6］，而且使用單總線的數據傳輸模式，可以同時實現多點檢測，使系統集成變得簡易快捷，而且有效節約系統的IO口，可以將其放置在室內的任何位置。

3. 系統軟件設計

在硬件電路的設計基礎上開發相應的軟件來共同實現檢測功能。對于室內環境檢測系統來說，軟件程序編寫的好與壞直接決定了整個程序的成敗。在系統軟件設計中同樣采用模塊化設計思想，分別實現溫濕度的檢測、各種氣體濃度的采集和輸出、LCD1602的顯示和聲光報警，采用可移植性高的C語言編寫，在RealView MDK編譯環境中運行，使用STC—ISP軟件與單片機交互，這給程序的修改和調試帶來很大的方便。圖 4為系統的軟件結構設計圖。

各個模塊測量的結果都通過串口打印和顯示屏顯示，如此可以實時獲取當前室內環境的氣體空氣狀況，用戶可根據情況做出相應的措施以此起到保障生活質量的目的。

系統上電后，進行初始化工作，然后循環進行數據采集、處理并顯示，在濃度超限時給予聲光報警，有按鍵動作時可設置報警參數，并取消報警。

通過檢測學校宿舍、辦公室的溫度和濕度值，初步判斷系統可行性還是非常高的，下面是實驗數據：

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

其中25℃時顯示“??！”并響應報警模塊。

4. 檢測方案

圖3 MS1110對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。調查顯示，辦公族平時80%的時間都處于靜坐狀態，呼吸帶主要集中于110～130cm處，此層空氣帶對這部分群體的健康影響最大；而車間工人，生產線工人多處于站立狀態，呼吸帶主要集中于160～180cm處。據此，可以將檢測位置根據情況安放在這兩層呼吸帶上，每100平方米安置4個檢測點，檢測信息會隨時更新到LCD，亦可將檢測到的信息通過無線通訊模組發送到上位機上（例如可以使用安卓上位機，只需點開APP即可獲得當前環境狀況的信息），或者通過RS232串口發送給上位機，用戶可以根據反饋得到的數據作出具體的有效措施，提高室內空氣質量。由此，可以提高人們生活和工作環境的空氣質量，進一步保障居民的生活健康。

圖4 軟件結構設計圖

5. 結束語

本文實現了基于STC12C5A60S2單片機的室內環境質量檢測系統設計，主要專注于室內氣體成分。此系統能夠實時采集室內多種環境參數，包括溫度、甲醛、甲苯、一氧化碳和二氧化碳濃度等參數，并對于超過最高上限指標參數報警，提醒人們做出改善室內空氣質量的行為。此系統采用的都是低成本、高精度傳感器，從而解決了目前市場上室內環境檢測儀昂貴的問題，保證每個人都能使用到。它可以適用于居民樓、辦公樓、車間、生產線等任何一棟建筑。

＊ ［1］HJ/T 167-2004，室內環境空氣質量監測技術規范［S］.

＊ ［2］ STC12C5A60S2系列單片機數據手冊.

＊ ［3］簡毅，任海洋，熊金.基于 Atmega16L 多功能室內環境監測儀的設計［EB/OL］.北京：中國科技論文在線［2010.04.23］.

＊ ［4］ 王云景，趙紅旗等.二氧化碳傳感器TGS4160的原理及應用［J］.國外電子元器件.2004.

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

＊ ［6］ 倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應用［J］. 單片機與嵌入式系統應用.2010.