基于單片機的室內環境監測設計

文/張晶

在物質條件不斷提高的背景下，人們對生活品質提出了更高要求。對于長期處于室內環境的人來講，對室內溫、濕度和甲醛氣體濃度等參數都有一定要求。利用單片機進行室內環境監測設計，可以加強室內環境主要參數的掌握，從而為室內環境調節提供數據依據，使人對室內感覺的舒適度得到提高。

1 基于單片機的室內環境監測系統

保證室內空氣品質，才能為人們提供健康的生活、工作環境。采用基于單片機的室內環境監測系統，除了能夠對室內溫度、濕度進行監測，也能完成甲醛、PM2.5等空氣污染物濃度的監測。根據系統提供的室內環境參數，可以及時進行室內環境調節，從而使人體健康得到保障。從整體結構來看，系統以單片機為最小應用系統，配備有溫濕度檢測傳感器、甲醛電化學傳感器等各種檢測設備，同時配備有按鍵、顯示等裝置。采用模塊化理念，將各部分看成是系統模塊，能夠通過模塊組成得到相應的室內環境監測系統。

2 基于單片機的室內環境監測設計

2.1 系統硬件設計

在室內環境監測設計中，采用STM32F103C8T6最小系統。從結構上來看，最小系統由STM32單片機、復位電路、電源電路、時鐘電路和下載電路等構成。作為集成電路芯片，STM32單片機能夠對中央處理器CPU、存儲器ROM、RAM、定時器、中斷系統等進行集成，利用得到的微型計算機系統實現各種控制類運算。利用多個I/O口，STM32單片機能夠與各種采集設備連接。

在傳感器模塊設計上，主要采用溫濕度傳感器、甲醛傳感器和PM2.5傳感器。采用的溫濕度傳感器為DHT11，屬于復合型設備，能夠利用數字模塊采集技術進行室內溫度和濕度數據采集，工作電壓在3-5.5V之間，具有較高可靠性，溫度測量精度達±2℃，濕度測量精度為±5%。利用設備單線制串行接口，能夠實現數據傳輸。采用DATA數據線，可以直接將設備與單片機連接在一起。在數據傳輸期間，設備處于高速模式，完成數據采集后進入原始狀態，設備功耗較低。采用的甲醛傳感器型號為ZE08-CH20，屬于電化學傳感器，每間隔1s進行一次濃度值的發送。傳感器工作電壓為5V，屬于通用型模塊，能夠利用電化學原理完成空氣中甲醛濃度測量，并利用自帶溫度傳感器實現溫度補償。借助串口，裝置能夠實現AD轉換，并完成數據傳輸。采用的PM2.5傳感器型號為GP2Y1010AU0F，屬于光學通路裝置，內部對角存在一對紅外線發光二極管和光電晶體管，發出的紅外光經過空氣中塵埃反射后，將達到晶體管，因此能夠實現空氣中煙霧等細小顆粒的檢測。該傳感器輸出模擬電壓，需要與單片機ADC輸入通道連接。

系統按鍵數量較少，可以利用獨立按鍵與單片機連接，完成S1-S5按鍵設置，用于實現不同數據顯示的功能。系統采用電源模塊能夠利用ASM117-3.3芯片進行穩壓電路設計，輸入電壓為5V，能夠實現固定電壓3.3V輸出，其余外圍設備利用5V直流電源直接供電。系統顯示模塊采用ST7735驅動的彩色顯示屏模塊，分辨率能夠達到128×128。在系統通訊過程中，需要采用GPRS模塊，其功耗較低，只要存在手機信號即能實現數據傳輸。采用模塊的無線數傳功能，能夠將TTL串口通信轉變為無線通信，實現數據遠距離傳輸。

2.2 系統軟件設計

在系統軟件設計上，運用模塊化理念可以完成各功能模塊獨立編程，利用相關函數進行模塊控制的實現。從系統總體數據流程上來看，上電后系統將對數據傳輸模塊、采集模塊等進行初始化，完成數據采集準備。在此基礎上，數據采集模塊將驅使溫濕度傳感器、甲醛傳感器等設備進行室內環境數據監測，并將采集到的數據進行A/D模數轉換，然后經由傳輸模塊傳遞給單片機。由單片機完成數據處理后，將發送給顯示模塊，使室內環境監測參數在主界面顯示。按照單片機設置的時鐘，經過一段時間后單片機將發出數據采集命令，促使系統再次進行環境參數采集和傳輸，從而使室內環境參數得到實時監測。考慮到單片機存儲空間有限，還要完成復位時間的設定，在達到一定時間后單片機會進行各數值數次讀取值的累加，完成平均值計算，并發送至互聯網端，然后對各模塊進行初始化，重新開始進行環境參數監測。

2.3 系統監測效果

為確定系統監測效果，還要按照設計方案將各硬件連接至實驗板，完成相應二進制程序編寫，然后將程序寫入單片機后進行上電測試。測試期間，需要采用傳統方法同時進行室內環境監測，即使用溫濕度計、空氣甲醛自測盒等進行室內環境數據采集，以便獲得對照數據。從監測結果來看，系統測試溫度與對照值相差在1℃以內，能夠使環境溫度得到較好反映；系統測試濕度與對照值相差不超過3%，不超過5%的誤差要求；系統甲醛測試精度不超過0.01mg/m3，能夠達到空氣監測要求；系統測試PM2.5值與對照值相差在6μg/m3范圍，可以滿足室內空氣PM2.5監測要求。此外在系統測試過程中，能夠順利連接網絡。

3 結論

通過研究可以發現，采用單片機實現溫濕度傳感器、甲醛電化學傳感器等室內各種環境參數采集設備的控制，能夠及時獲取相關數據，并通過計算、顯示和發送為室內環境監測管理提供數據支撐。在實踐工作中，還要結合室內環境監測要求進行軟件編程，確保系統功能得到穩定實現，繼而滿足環境監測的高精確度要求。