一個實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

韓旭

摘要：為了進(jìn)一步保證實驗室安全，實時掌握實驗室內(nèi)環(huán)境參數(shù)動態(tài)，文章設(shè)計了一款基于AT89C52單片機(jī)的實驗室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件組成主要由STC89C52、LCD1602液晶顯示屏、DHT11溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、熱釋紅外傳感器、藍(lán)牙模塊、繼電器以及蜂鳴器等組成。系統(tǒng)工作時，通過相應(yīng)傳感器實時獲取數(shù)據(jù)，然后通過液晶顯示屏顯示。當(dāng)獲取數(shù)據(jù)超出控制范圍，控制模塊自動調(diào)控溫度。當(dāng)獲取數(shù)據(jù)超出報警范圍后，系統(tǒng)會進(jìn)行報警。還可以通過藍(lán)牙模塊在手機(jī)上獲取當(dāng)前測量數(shù)據(jù)。為實驗室環(huán)境監(jiān)測提供了重要數(shù)據(jù)，提高了實驗室的安全性。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；單片機(jī)；控制；藍(lán)牙模塊

中圖分類號：TP273? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）13-0094-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

高校實驗室是高校中教學(xué)和科研的重要場所，實驗室內(nèi)的環(huán)境對人的健康、實驗數(shù)據(jù)和實驗室安全都有著極其重要的影響[1-2]。所以在實驗室中對實驗室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測是必不可少的，它是保證實驗課程有效進(jìn)行以及實驗數(shù)據(jù)科學(xué)準(zhǔn)確的首要條件，研究實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)室一項重要工作[3]。

1 系統(tǒng)功能需求分析

本系統(tǒng)需要實現(xiàn)實時地對室內(nèi)的環(huán)境（包括甲烷等可燃?xì)怏w、溫度、濕度）進(jìn)行測量，然后進(jìn)行顯示。當(dāng)溫濕度的值超過控制范圍時，系統(tǒng)能夠?qū)照{(diào)、加濕器等進(jìn)行控制。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度、溫濕度的值超過報警范圍時，系統(tǒng)能夠進(jìn)行報警提示。還可通過藍(lán)牙在手機(jī)上查看系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件選擇與電路設(shè)計

該系統(tǒng)硬件電路采取模塊化設(shè)計，由單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示模塊、熱釋紅外傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、溫濕度傳感器、藍(lán)牙、控制、報警及按鍵模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)硬件功能分析

系統(tǒng)通過溫濕度傳感器模塊、可燃?xì)怏w傳感器模塊從室內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過處理后由1602液晶顯示模塊實時顯示這些數(shù)據(jù)。同時，系統(tǒng)會將這些數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。如果超出控制預(yù)設(shè)值的范圍，系統(tǒng)會通過控制電路對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行控制。如果控制電路出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)超出報警值，系統(tǒng)會通過報警電路進(jìn)行報警，等待人工處理。按鍵電路可以對預(yù)設(shè)值進(jìn)行修改。該系統(tǒng)還配備了藍(lán)牙模塊，可以在手機(jī)App方便地查看系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)。

2.2 硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)選用STC89C52作為系統(tǒng)的CPU。為了保證給液晶顯示電路提供電壓的穩(wěn)定性，在正負(fù)極之間加電容，以提高液晶顯示電路工作的可靠性。電位器RV1可以調(diào)節(jié)液晶顯示的清晰度。

檢測模塊主要由溫濕度傳感器與可燃?xì)怏w傳感器兩部分組成。該系統(tǒng)選用的溫濕度傳感器為DHT11，主要測量室內(nèi)溫濕度，溫濕度測量模塊電路如圖2所示。電容C5是為了保證系統(tǒng)給模塊提供電壓的穩(wěn)定性。LED2是模塊電源指示燈，用于判斷模塊是否供電，方便后期系統(tǒng)故障排查。5K的上拉電阻是為了增加傳感器輸出信號的強(qiáng)度，防止傳感器離單片機(jī)較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸過程的能量損耗而使單片機(jī)接收不到傳感器的信號。

可燃?xì)怏w傳感器是通過利用某些材料自身的電阻率會隨著可燃?xì)怏w的濃度而發(fā)生變化的現(xiàn)象，將可燃?xì)怏w的濃度變化轉(zhuǎn)換為電信號的一種器件[4]。該系統(tǒng)選用的可燃?xì)怏w傳感器為MQ-2，主要用于檢測室內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度。其電路如圖3所示。電容C6是為了保證系統(tǒng)給模塊提供電壓的穩(wěn)定性。LED3是模塊電源指示燈，用于判斷模塊是否供電，方便后期系統(tǒng)故障排查。Lm393是一個電壓比較器，當(dāng)3處電壓高于2處時，1處就為高電壓，否則為低電壓。RV2用來模擬氣體傳感器的敏感元件，RV3可以調(diào)節(jié)氣體傳感器的靈敏度。D4為信號燈，用于直觀觀察信號的傳輸。

在控制電路中，因單片機(jī)引腳的輸出電流較小，不足以直接驅(qū)動繼電器，所以采用三極管來驅(qū)動繼電器。采用NPN型三極管來驅(qū)動繼電器時，高電位導(dǎo)通，系統(tǒng)在剛上電的時候，單片機(jī)程序未運(yùn)行，所有引腳默認(rèn)處于高電位狀態(tài)，繼電器會出現(xiàn)通電瞬間吸合誤動作，此時系統(tǒng)所有繼電器同時吸合，所需電流突然增大，可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法啟動或者控制紊亂等狀況，對系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成極大的影響。故此處采用PNP三極管來驅(qū)動繼電器，能夠有效避免上述狀況，極大地提高了系統(tǒng)正常啟動的可靠性和控制的有序性?？刂颇K電路如圖4所示。

報警電路主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的報警，該電路由蜂鳴器、LED、三極管（PNP型）和兩個電容組成。該系統(tǒng)采用聲光報警，用三極管來驅(qū)動。此時三極管相當(dāng)于電子開關(guān)。為了防止系統(tǒng)剛上電，程序還未運(yùn)行，報警電路就開始報警的情況，此處特別選用PNP型三極管對報警電路進(jìn)行驅(qū)動。

藍(lán)牙模塊與單片機(jī)進(jìn)行通信時，為了保證通信的正常進(jìn)行，藍(lán)牙模塊的RXD引腳必須接單片機(jī)的TXD引腳，TXD引腳必須接單片機(jī)的RXD引腳。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由主程序、測控程序、報警程序和參數(shù)設(shè)定程序組成。其中主程序包括背光函數(shù)、熱釋紅外傳感器函數(shù)、按鍵程序函數(shù)和模式選擇函數(shù)，系統(tǒng)在主程序中完成初始化、初始顯示，背光函數(shù)控制液晶顯示器的背光，在5S之內(nèi)無人操作時，單片機(jī)關(guān)閉背光，實現(xiàn)更低功耗。熱釋紅外傳感器函數(shù)主要是檢測系統(tǒng)附近是否有人，當(dāng)有人時，能夠?qū)@示器背光打開，方便查看系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)。按鍵程序函數(shù)主要用于改變模式變量的值，進(jìn)而使系統(tǒng)進(jìn)入不同的模式，然后模式選擇函數(shù)根據(jù)模式變量的值進(jìn)而選擇執(zhí)行不同模式的程序。主程序流程圖如圖5所示。

3.2 測控程序設(shè)計

測控報警程序主要功能就是室內(nèi)溫度濕度的測量、顯示和控制，是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的主要函數(shù)。主要由兩部分組成，第一部分為初始界面顯示函數(shù)，每次模式切換后只執(zhí)行一次，主要顯示該模式下不變的信息，避免頻繁刷新加大單片機(jī)的工作量，降低單片機(jī)的工作效率。第二部分包括溫濕度接收函數(shù)、溫濕度顯示函數(shù)、控制函數(shù)。

溫濕度接收函數(shù)主要實現(xiàn)溫濕度傳感器對溫濕度進(jìn)行測量，然后將所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，保存在溫濕度變量中，方便單片機(jī)后期對溫濕度數(shù)據(jù)的處理。顯示函數(shù)主要將溫濕度傳感器及氣體傳感器測得的數(shù)據(jù)顯示?？刂坪瘮?shù)首先將所測溫度與濕度下限值比較，當(dāng)溫度小于下限值時，給控制變量賦相應(yīng)的值，并打開低溫控制繼電器進(jìn)行升溫，當(dāng)溫度大于等于下限值時，再將溫度與上限值進(jìn)行比較，如果溫度大于上限值，則給控制變量賦相應(yīng)的值，并打開高溫控制繼電器進(jìn)行降溫，如果溫度小于等于上限值，則給控制變量賦相應(yīng)的值，并關(guān)閉低溫、高溫控制繼電器。在控制函數(shù)中利用軟件互鎖控制高溫與低溫控制繼電器，從而提高系統(tǒng)的工作效率。濕度控制同溫度控制。

3.3 報警程序設(shè)計

報警程序主要包括報警預(yù)處理函數(shù)、報警函數(shù)和報警顯示函數(shù)。報警預(yù)處理函數(shù)將當(dāng)前溫濕度數(shù)值與報警預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較并將比較結(jié)果賦值給報警變量。報警函數(shù)主要是根據(jù)報警變量數(shù)值來確定是否報警。報警顯示主要是根據(jù)報警變量將是否報警、誰報警、高溫（濕、濃度）報警或是低溫（濕）報警等信息通過相應(yīng)指示燈顯示，方便人們在得到報警信息后能夠快速準(zhǔn)確地去處理。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，能夠完成以下幾個方面：1） 液晶屏上顯示的內(nèi)容清晰可見；2） 使有害氣體濃度接近報警值時，傳感器就能夠給單片機(jī)信號；3） 當(dāng)人靠近傳感器的時候，熱釋紅外傳感器能及時給單片機(jī)發(fā)送信號；4） 藍(lán)牙模塊能保證手機(jī)App通過藍(lán)牙串口能夠與單片機(jī)進(jìn)行正常通信； 5） 溫濕度超過相應(yīng)控制值，能夠自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫濕度和氣體濃度任意量超過報警閾值，系統(tǒng)能夠報警。實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)能夠有效地監(jiān)測實驗室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，為實驗室安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

參考文獻(xiàn)：

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