室内环境监测系统的设计

浙江工业职业技术学院　徐见炜



室内环境监测系统的设计

浙江工业职业技术学院徐见炜

【摘要】本文针对温度、湿度、光照强度和天然气浓度等影响室内环境舒适度的主要因素，设计了室内环境监测系统，本系统主要以AT89C52为核心，控制信号的数据采集，并实现与计算机串行通信功能，利用LabVIEW软件，实现了系统数据通信和后台数据处理功能模块。该系统具有监测方便、实时数据采集传输、费用低廉等特点。

【关键词】LabVIEW；单片机；传感器；室内环境

0　引言

随着现代社会经济的飞速发展，人们的生活水平也在不断提高。家庭住宅居室是人们生活的最主要场所，室内居住环境的舒适度、便利性以及安全性直接关系着人们的生活质量，影响着人们的身心健康，因此室内环境污染对人体健康的影响己越来越被人们所关注，人们对室内环境的要求也越来越高。但是如今由于室内装修污染物以及人们各种不良生活习惯等原因，导致室内环境隐患众多，严重危害人们的身心健康，所以对室内环境的实时监测是非常必要的。目前虽然市场上的室内环境监测仪种类繁多，但是监测的主要是有害气体，相对功能比较单一化，同时价格也较贵，所以对功能多元化的多参数综合环境监测系统的设计势在必行。

1　系统的原理与组成

系统的组成主要包括单片机下位机系统和LabVIEW上位机系统两部分。系统组成如图1所示。

下位机单片机系统由传感器检测模块、报警模块、无线传输模块等部分组成。上位机系统分为显示程序模块、声光报警程序模块和数据记录程序模块。传感器检测模块又分为温湿度传感器模块、光强度传感器模块、天然气传感器模块。它们的功能是准确无误地检测室内的环境参数：温湿度、光照强度、天然气浓度，然后单片机将检测到的数据通过串口无线传输给PC机，通过PC机上LabVIEW编写的上位机程序对数据进行实时显示并且记录。报警模块功能是当检测模块检测到的数据超出设定值时实现报警功能。

2　系统硬件设计

2.1温湿度检测电路的设计

温湿度检测电路主要元件为DHT90数字温湿度传感器，其测湿范围：0—100%RH，测温范围:-40°C一123.8°C。可以与单片机引脚直接连接，不需要其他电子元件辅助，所以使用该传感器可以使开发时间大幅度缩短，大大提高了效率。电路如图2所示。

图1　系统组成

图2　DHT90与单片机连接图

图3　BH1750FVI与单片机连接图

2.2光强度检测电路的设计

光强度检测电路采用BH1750FVI16位数字输出型环境光强度传感器，是一种用于两线式的串行总线接口的集成电路，有着使用方便、功率低、分辨率高、检测范围大、误差小、稳定性高等优点。电路如图3所示。

2.3天然气检测电路的设计

天然气检测电路采用MQ-5传感器，是一种典型的半导体气敏电阻传感器，其在工作时可以把气体的种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，然后根据电信号的强弱程度获得待测气体在环境中的浓度值，从而达到检测环境中某种气体浓度的目的。由于MQ-5传感器测量的为模拟量，需要通过模数转换将测得的模拟量转换成数字值发送给单片机，本系统采用的是ADC0809模数转换器。电路图如图4所示。

图4　MQ5工作电路图

图5　AMS1117电路图

2.4无线通信电路的设计

无线通信电路采用UTC-1212无线通信模块，该模块具有功耗低、集成度高、微功率、半双工等特点，集成了高性能的MCU和超低功耗射频芯片。由于UTC-1212模块的供电电压范围为2.1V—3.6V，但系统的供电电压为5V，所以需要对单片机的输出电压进行降压处理才能给无线模块供电，否则会很容易烧毁无线传输模块。本系统使用AMS1117正向压降稳压器实现降压功能，如图5所示。UTC模块与单片机连接图如图6所示。

图6　UTC模块与单片机连接图

2.5串口通信电路的设计

计算机与外部的基本通讯方式有两种:并行通讯和串行通讯。串行通讯较并行通讯传送速度慢，但连接简单，而且AT89C52单片机内部有一个功能很强的全双工串行口，该串行口有4种工作方式，波特率可用软件设置，由片内的定时器、计数器产生，接收发送均可触发中断系统，使用十分方便。对本设计而言，串行通讯速度完全能满足要求，因此本系统选用RS-232串口进行双机通讯。电路如图7所示。

图7　串口电路图

图8　蜂鸣器报警电路图

2.6报警电路的设计

本系统使用的压电式蜂鸣器的驱动属于自激驱动，自激驱动非常简单。自激蜂鸣器是由直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，不过需要对驱动口输出的驱动电平通过三极管放大，然后放大输出驱动电流就能使蜂鸣器发出声音。电路如图8所示。

3　系统软件设计

软件设计包括单片机程序和计算机程序，总体思想是：采用模块化设计方法进行设计和调试。根据编制的程序进行控制，自动完成逻辑判断以及测试。根据系统的要求，系统的人部分功能都以硬件为基础，通过汇编语言和C语言编程实现，本设计软件主要实现单片机与上位PC机进行通讯及控制A/D转换器进行数据采集和计算机主界而控制显示最终数据。

3.1单片机端软件设计

单片机是硬件部分的核心，其功能是多方而的，不仅有单片机本身的工作，还有A/D转换器的控制与计算机的串行通信控制等。

图9　单片机程序结构框架

3.2计算机端软件设计

计算机端软件是软件部分的核心，其功能是多方而的，不仅负责采集数据的接收，还有对接收的数据进行处理和显示等功能。为了便于程序的设计、连接和修改，各功能程序实行模块化。利用NI公司的LabVIEW，经过设计可以得到如图10所示的计算机端主界面 。

图10　计算机程序主界面

4　结论

本文介绍的基于虚拟仪器的室内环境监测系统，通过对传感器检测到的信号进行处理，实现了室内温度、湿度、光强及天然气的监测。由于此设计由各个单元模块化组合，所以适合移植或构建到其它系统中，还可以根据需要修改子程序，灵活性较好。此外，与LabVIEW相结合，达到了直观、方便的效果，实现了更多的功能。

参考文献

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徐见炜（1980—），男，浙江嵊州人，硕士学位，实验师，现供职于浙江工业职业技术学院，研究方向：智能控制、嵌入式系统技术、检测装置与仪表。

作者简介：