基于單片機的環境實時監測系統研究

黃海來，周 潔

（1.上海申通地鐵集團有限公司，上海 201102；2.華東交通大學信息工程學院，江西 南昌 330013）

基于單片機的環境實時監測系統研究

黃海來1，周 潔2

（1.上海申通地鐵集團有限公司，上海 201102；2.華東交通大學信息工程學院，江西 南昌 330013）

隨著大氣環境的逐漸惡化，大氣環境的污染問題已經為人們所關心。為了能更好地監測和分析大氣成分，需要一款對環境實時監測的裝置來了解大氣環境參數。從國內外環境監測系統的研究現狀出發，結合實際情況設計了一款以單片機為核心的環境實時監測系統。系統能夠實現以下功能：PC機通過串口與下位機通信，將下位機采集到的溫濕度、MQ2的CO濃度、MQ135的硫化物濃度數據在PC機上實時顯示，對歷史數據進行查詢、分析。

單片機；溫濕度；CO濃度；硫化物濃度；串口通信

近年來，由于工業發展、人口增加、森林砍伐等原因，使得環境問題也變得日益嚴重，各類工業污染事件不斷發生，嚴重影響了人類健康和生活，環境問題逐漸成為社會關注的熱點[1-2]。環境問題導致大氣成分發生了變化，這種變化主要表現為二氧化碳、甲烷、二氧化硫等溫室氣體的含量上升。全球大氣污染不僅會造成氣候變暖、平流層臭氧層變薄、產生酸雨、光化學煙霧、影響植物的生長發育，還會引起一些疾病的產生，影響非常惡劣[3]。上海申通地鐵已投入運營的軌道交通線路有15條，運營線路總長度達到617 km（含磁浮線），運營車站367座，路網規模居于世界各大地鐵城市前列;地鐵運營中地鐵車輛和地體隧道和地下站點也對環境監測有很高的要求[4]。大氣環境的問題突出了環境監測的重要性，只有掌握大氣中各種氣體的含量，才能對癥下藥，找到大氣污染的源頭，進行治理[5-8]。本文所要研究的就是如何對大氣環境實現監測，測量大氣中主要的有害氣體的含量（CO，SO2）。

1 系統設計的任務要求

本系統的主要功能是以單片機為核心，將傳感器（溫度、濕度、煙霧、空氣質量）測得數據在數碼管上實時顯示，蜂鳴器超過閾值發出聲光報警（LED閃爍、蜂鳴器報警），通過按鍵可變換數碼管顯示的參數內容，串口模塊將數據傳送到上位機上，在上位機軟件界面上顯示所測傳感器數據。

2 硬件設計

2.1硬件結構

本系統以單片機STC12C5A60S2芯片為控制核心，單片機上連接了串口、USB接口、4位共陽數碼管、LED燈、電機、傳感器（溫度、濕度、煙霧、空氣質量），電源模塊通過USB進行供電，系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖Fig.1 Architecture of System Hardware

2.2 硬件電路設計

1）顯示模塊的設計用到的是4位共陽數碼管，數碼管電路就相對復雜一些，單片機引腳連接電阻，三極管8550（PNP）放大電流，然后連到4位共陽數碼管上，數字1～12是數碼管的段選和位選，來控制數碼管顯示。

2）報警模塊就是傳感器測得結果超過設定閾值，引起蜂鳴器報警，蜂鳴器的電路設計主要是需要接1個三極管用來放大電流，蜂鳴器電路圖如圖3所示。

3）按鍵電路相對簡單，只要將按鍵接到單片機相應的引腳上即可，通過按下按鍵，來實現功能，如圖4所示。

4）串口模塊的設計是為了將傳感器所測得數據通過單片機串口進行傳輸，具體的設計是以CH340芯片為核心，然后在芯片上連接外圍電路即可，外圍電路中包括5 V穩壓電路，晶振電路，指示燈電路，還有一個USB電源電路，串口模塊設計的電路圖如圖5所示。

圖2 數碼管電路Fig.2 Digital tube circuit

圖3 蜂鳴器電路Fig.3 Buzzer circuit

圖4 按鍵電路Fig.4 Key circuit

5）溫濕度傳感器分別采用DS18B20和DHT11，通過DS18B20可檢測到當前溫度，通過DQ可將數據傳輸到單片機上。DHT11是溫濕度傳感器，由于測量溫度數據不是非常準確，所以只需要濕度的數據即可，如圖6所示。

圖5 串口模塊電路Fig.5 Serial module circuit

圖6 溫濕度傳感器電路圖Fig.6 Temperature and humidity sensor circuit

圖6中DHT11有4個引腳，但第三個引腳要懸空，DHT11和溫度傳感器連接方式幾乎一樣。

6）MQ2（煙霧傳感器）與MQ135（空氣質量傳感器）。MQ2、MQ135傳感器電路圖與濕度一樣，都有一個引腳需要懸空，連接方式也一樣，直接連單片機的正負極和一個控制引腳，通過控制引腳可獲得數據，不過要進行A/D轉換，將得到的電壓通過公式轉換所需的濃度值。

3 軟件設計

3.1 系統軟件界面設計

軟件的界面主要是將串口得到的數據在界面上進行實時顯示，并且數據可以進行處理。左邊有4個編輯框，分別顯示4個傳感器檢測到的數據，中間有一個串口開關編輯框，用于打開，關閉串口，右邊以折線圖形式顯示采集數據。

3.2 系統軟件功能設計

按照軟件的功能，軟件需要實時顯示傳感器測得的數據，開關串口，實時顯示，存入數據庫。上位機功能圖如圖7所示。

3.3 數據庫設計

采用access設計系統數據庫。數據庫存儲的數據個數不是很多，所以存儲數據只要一張表即可，如表1所示。

圖7 上位機軟件功能圖Fig.7 PC software function

表1 環境監測系統數據庫Tab.1 Environmental Monitoring System Database

表1中ID表示關鍵字，為序號，Temp為溫度數值，Humidity為濕度的數值，CO為MQ2檢測到的濃度，Kong為MQ135檢測到的SO2濃度，Datetime為系統時間。

4 系統測試結果與分析

為了能夠更好測試所做的環境實時監測系統，了解系統的主要功能和實現情況，將設計一個測試用例以供使用，測試用例如表2所示。

表2 測試用例Tab.2 Test Cases

5 結束語

隨著生活質量的提高，人們對自身的健康越來越看重，現在大氣環境污染是如此嚴重，有些城市甚至霧霾常伴。基于單片機的環境實時監測儀器能讓人們了解我們身邊的環境情況，了解大氣環境參數可以給人們對自身周圍環境有一個清晰的認識，該系統通過DS18B20溫度傳感器、DHT11濕度傳感器、MQ2煙霧傳感器、MQ135空氣質量傳感器將監測到的數據通過串口實時顯示在PC軟件上通過此來提醒人們我們所處環境是否健康。

[1]仝曉梅.基于單片機的溫室環境監測系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2017，13（19）：171-172.

[2]高磊，屈媛，張建國，等.基于Arduino的智能家居環境監測系統設計[J].數字技術與應用，2015（6）：154.

[3]王君巖.基于單片機的室內環境監測系統設計[J].硅谷，2014，7（1）：29-30.

[4]肖粵秀，楊新安，江星宏，等.基于洞內空氣質量監測的長大隧道施工通風系統改進[J].華東交通大學學報，2016，33（6）：43-49.

[5]楊崢.基于嵌入式處理器的智能環境監測系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2014.

[6]李天山.基于單片機的室內環境監測儀設計與實現[J].濱州學院學報，2012，28（3）：92-95.

[7]于波.基于單片機的室內環境監測系統設計[D].青島：中國海洋大學，2011.

[8]姜進，王鑫，楊慧中.基于MSP430單片機的無線環境監測系統的設計[J].江南大學學報：自然科學版，2011，10（1）：45-48.

Research on Real Time Monitoring System of Environment

Huang Hailai1，Zhou Jie2
（1.Shanghai Shentong Metro Group Co.,Ltd,Shanghai 201102， China；2.College of Information Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

As the atmospheric environment deteriorating， atmospheric environment pollution problem has concern for people.In order to better understand the atmospheric composition.At this time requires a real-time monitoring device to the environment to understand the atmospheric environment parameters.This paper from the research status of environmental monitoring system at home and abroad,combined with actual situation has designed a real-time monitoring system with the single chip processor as the core of environment.This paper design system can realize the following functions： PC via a serial port and lower machine communication， will be collected in a machine under temperature and humidity， the CO concentration， MQ135，MQ2 sulfide concentration data real time display in the PC，the historical data query and analysis.

MCU； temperature and humidity；CO concentration； Sulfide concentration； serial port

（責任編輯 姜紅貴）

TP273

A

1005-0523（2017）01-0104-05

2017－10－06

黃海來（1988—），女，工程師，碩士，研究方向為通信工程及標準化管理。