一種空氣環境檢測儀設計

張寶 梁繼俊 孫騰達 任靖宇 李麗 周倫

（1.淮南師范學院機械與電氣工程學院 2.淮南第二十六中學）

0 引言

工業化發展帶來的工業垃圾、白色污染、PM2.5超標等環境問題已經嚴重威脅到人的身心健康，尤其以新裝修房屋為首的空氣環境問題最為嚴重，對大家的健康有著極大的威脅[1-2]。當前空氣質量檢測系統的研究有了較大的發展，對于環境的檢測初步形成了網狀監測系統。設計由低性能、高價格向高性能、價格低等目標發展[3-5]。

本文主要以檢測室內溫濕度、有害氣體等環境信息為目標，設計一款利用STC8952RC為控制芯片的簡單易用、方便精準的環境檢測儀，當污染程度超出標準范圍時，就發出報警。此外本系統具有采樣精準、小巧便利、簡單易操作、功耗低等優點。

1 系統設計方案

設計的環境監測儀系統由單片機最小系統、DHT11溫濕度檢測模塊、VOC氣體檢測模塊、PCF8591模數轉換模塊、串口通信模塊和LCD12864液晶顯示模塊還有電源模塊等電路組成，系統框圖如圖1所示。

環境監測儀利用STC89C52RC單片機作為系統的控制核心，傳感器實時采集數據，將溫濕度、甲苯濃度、光照強度等自然界的模擬信號轉換成可編輯的離散數字信號，將這些數字信號進行處理計算，并與設定值進行對比分析，將信息傳送到LCD12864上顯示。

圖1 系統框圖

2 硬件電路設計

2.1 主控電路設計

本設計采用STC89C52RC單片機作為微處理器，此單片機具精度高、功耗小、抗干擾強的優勢，采取STC第九代加密工藝，同時兼容傳統STC89C51代碼，速度比傳統89C51快12～18倍[16]。內部集成R/C時鐘，在-40℃到+85℃下只有±1%溫度偏差，常溫下溫漂±0.6%。

2.2 復位電路設計

在單片機電源管腳接10μf的電容，使輸入電壓更加平滑，避免單片機長時間工作在高供電電壓的環境下。當復位按鍵按下時，單片機RST管腳接收到高電平，持續3到4個機器周期單片機復位。由于單片機放電的瞬間，電容兩端的電壓不能突變，隨著時間的推移，電源對電容的充電，電容兩端的電壓就會由零變高，連接在單片機復位管腳的電壓就會由高變低直到為零，此時單片機正常工作，電路如圖2所示。

2.3 溫濕度采集電路設計

本設計實時采集溫度和濕度信號電路使用DHT11模塊，如圖3所示。溫濕度傳感器DHT11有四個管腳，1管腳連接電源的正極5V電壓，2管腳為數據傳輸口，連接單片機的P26管腳，用于單片機單向采集溫濕度數據，3管腳懸空，4管腳連接地。單片機根據溫濕度傳感器發送數據的協議讀取DHT11數據并進行處理與控制。濕度的采集原理和溫度的采集相同。

DHT11傳感器可采用PWM驅動和模擬量輸出驅動兩種方式，本設計使用模擬量輸出驅動方式，供電電壓為5V，Pin26（VADJ）為模擬量輸入引腳，溫濕度采集電路接線如圖3所示。

圖3 溫濕度采集電路接線圖

2.4 PCF8591模數轉換電路設計

采集光照強度電路采用光敏電阻與一個10k百分之一精度的電阻分壓。電路如圖4所示。光照強度與光敏電阻的阻值成反比例關系，當光照強度增加時，光敏電阻變小，根據光照強度變化引起的電阻電壓變化傳送到PCF8591中，再將采集的電壓值存放在PCF8591內存中，單片機通過IIC協議將光照強度的AD值讀取，再經過處理運算得到光照強度值。

圖2 MCU與外圍接線圖

圖4 模數轉換電路圖

2.5 氣體檢測模快

系統選用VOC氣體檢測傳感器，該模塊是一款使用氣體化學反應與電信號之間的非線性變化關系已校準數字信號輸出的傳感器，傳感器通過電信號的變化將對應氣體的濃度體現出來，單片機根據電壓信號的變化計算出空氣中的甲苯濃度。

3 軟件設計

各測試模塊的測試流程大致相同，由于篇幅原因，在這里只介紹溫濕度監測模塊的測試流程。

系統首先對程序進行初始化配備，當系統檢測到溫濕度信號，通過LCD12864顯現顯示實時溫濕度值；如果沒檢測到溫濕度信號，系統重新采集信息，并通過LCD顯現顯示“溫濕度正在檢測”。檢測到溫濕度信息后再進行判斷當前值和設定值的關系，判斷當前狀態是否符合標準，如果信號在正常范圍內，不發出報警，需要獲取語音播報時，通過開關按鍵獲取；如果檢測到的值超標，經由通過串口對QJ008語音播報模塊發送相應的指示，發出聲音報警，系統流程如圖5所示，圖6為設計出的檢測儀產品實物圖。

4 試驗測試

本實驗分別對環境中的溫濕度、光照度含量進行測試。測試環境分為晴天、陰雨天；白天、夜晚。參照數據分別選用優利德UT332數字溫濕度計、優利德UT382數字式照度計等儀器采集。測試數據如下表所示，通過數據可以看出相對誤差較小。

圖5 系統流程圖

圖6 產品實物圖

表 試驗測試數據

5 結束語

本文設計了一種基于單片機的環境檢測儀，該檢測儀可以實現對空氣中的溫濕度、光照度以及甲苯含量進行測試，整個系統結構簡單、抗干擾能力強、精度高、成本低、體積小等，具有推廣使用價值。