基于STC12C5A60S2的室内环境监测系统设计

作者 / 李诚，中北大学朔州校区通讯作者 / 臧俊斌



基于STC12C5A60S2的室内环境监测系统设计

作者 / 李诚，中北大学朔州校区
通讯作者 / 臧俊斌

如今人们在室内花费了大量的时间，而室内环境质量与人体健康息息相关，因此室内环境气体质量检测至关重要。针对目前市场上室内气体检测仪成本高、精度低、检测种类单一等缺点，本文基于物联网传感平台，以单片机为控制核心，设计出一种室内环境气体实时检测系统。本系统立足于解决室内污染超标而不被人所知继而危害人体健康的问题，实现对室内环境气体质量的实时动态检测，根据传感器反馈的数据，结合最高危害上限指标要求，及时给出室内环境污染对人体健康危害的报警基点。利用CO传感器、CO2传感器、甲醛传感器、温湿度传感器等实时检测室内环境气体质量，将检测数据交给单片机分析处理，单片机可根据检测值自动做出是否报警的决定。

室内环境检测；物联网；单片机；声光报警； 传感器

引言

CO和CO2是造成室内空气质量下降的主要成分，长时间接触低浓度的CO会造成慢性中毒；CO2虽然是无毒气体，但是CO2浓度过高会导致头昏，耳鸣等症状；甲醛对眼、喉、上呼吸道和皮肤均可产生刺激作用，过量的甲醛气体将导致各种疾病甚至癌症；室内的温湿度变化同样使人们的心情随之改变，当室内的湿度较低温度较高时，也就是室内较干燥时，容易使人感到烦躁，而室内的湿度较高时，容易使人患一些皮肤病，如湿疹等［1］。室内空气质量和我们的生活质量息息相关。鉴于目前室内环境检测仪价格昂贵，大部分人群不能充分利用此设备，从而没能起到保障人体健康的作用。因此，本文特开展此研究，旨在设计出一个高精度多种类检测室内环境气体质量的低成本系统。

本系统主要功能如下：1）参数设置：可设置气体浓度超标报警的限值；2）数据采集：高精度实时检测周围环境中CO、CO2、温湿度、甲醛和苯的同系物的含量并存储；3）显示数据：LCD显示当前温湿度数据；4）超限报警：通过声光对CO、CO2、甲醛和甲苯含量超限报警。

1. 系统总方案设计

室内环境检测系统采用模块化设计的方法，它由电源模块、湿度检测模块、温度检测模块、气体检测模块、系统信息显示部分以及主控制器构成。湿度测量使用的是DHT11传感器；温度测量使用DS18B20传感器；气体检测又分为3个部分组成，分别是对CO的检测，对CO2的集得到的室内环境信息通过LCD1602液晶模块进行显示。系统总体设计图如图1所示。

2. 系统硬件设计

■2.1 电源电路模块设计

电源部分主要是为系统的各个模块供电，以便使得系统能够正常工作。电源电压的稳定性相对较为重要，当电源不稳定时，单片机测得各部分的数据就会错乱，导致系统异常，显示数据出错。而且要考虑到电源发热的问题，当电源长时间工作时，大多数芯片容易发热，尤其是在功率过大时，更是容易使芯片烧毁。

图1 系统总体设计图

图2 STC12C5A60S2最小系统

AMS1117是AMS公司生产的一款LDO电压调节器，此系统工作电压为5 V，故选用可调稳压芯片，为其提供5 V稳定电压。AMS1117应用方便，只需外接两个采样电阻即可输出稳定电压。

■2.2 主控制器

系统主控制器采用STC公司生产的STC12C5A60S2单片机为控制核心。新一代 STC12C5A60S2 与传统的 MCS－51 系列单片机指令完全兼容，具有高速、低功耗及抗干扰性能强等优点. 该单片机拥有 60K 的程序存储器和1280 字节 RAM，完全能满足单片机系统的软件设计要求； 且该单片机是新一代单时钟/机器周期（1T） ，其处理速度是传统51单片机的 8 到10倍［2］，便于以后进行功能扩展。其自带高速8路10位A/D转换器，使系统不需外加 A/D 转换芯片。由于不需将单片机应用于多机方式，所以单片机工作于最小模式下即可。

■2.3 甲醛、甲苯模块设计

电化学的甲醛、甲苯传感器能满足一般检测，而且具有体积小、检测快、价格低廉等优点［3］。本设计采用电化学传感器MS1110模块。该传感器对甲醛、甲苯在浓度低时有更好的采集的信号，经放大后送给单片机ADC转换部件，将采集的模拟信号转换为数字信号，然后STC12C5A60S2将转换结果取出，计算得到环境中甲醛和甲苯的浓度值。图3为MS1110随着甲醛甲苯浓度的增加灵敏度的变化，从图中可以看出，此模块在甲醛甲苯浓度低时，具有更好的灵敏度，精确度更高。

■2.4 CO2模块设计

CO2模块采用FIGARO公司生产的TGS4160，该传感器的工作原理是：根据方程：式中：为CO2的分压；Ec为常数；R是气体常数；T为温度值（K）；F是法拉第常数，通过检测S（+）、S（-）两个电极之间所产生的电势值EMF，就可以测量CO2的浓度值［4］。

TGS4160除了具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性外，同时还具有低成本、耐高湿和耐低温等特点。既能满足在各种环境条件下正常工作，有高精度的测量结果的要求，同时还具有较低的成本，能满足系统设计的初衷。

■2.5 CO模块设计

CO测量模块采用MQ-7气体传感器，它对CO的灵敏度高，且是一款低成本的传感器。MQ-7的气敏材料是用在清洁空气中电导率低的SnO2。工作原理是采用高低温循环检测方式，低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体，通过使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号［5］。

■2.6 温湿度模块设计

DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有极高的稳定性和可靠性。每个DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中需要调用这些校准系数，以便得到准确的室内环境温湿度数据。其体积小、功耗低，信号传输距离可达 20 米以上［6］，而且使用单总线的数据传输模式，可以同时实现多点检测，使系统集成变得简易快捷，而且有效节约系统的IO口，可以将其放置在室内的任何位置。

3. 系统软件设计

在硬件电路的设计基础上开发相应的软件来共同实现检测功能。对于室内环境检测系统来说，软件程序编写的好与坏直接决定了整个程序的成败。在系统软件设计中同样采用模块化设计思想，分别实现温湿度的检测、各种气体浓度的采集和输出、LCD1602的显示和声光报警，采用可移植性高的C语言编写，在RealView MDK编译环境中运行，使用STC—ISP软件与单片机交互，这给程序的修改和调试带来很大的方便。图 4为系统的软件结构设计图。

各个模块测量的结果都通过串口打印和显示屏显示，如此可以实时获取当前室内环境的气体空气状况，用户可根据情况做出相应的措施以此起到保障生活质量的目的。

系统上电后，进行初始化工作，然后循环进行数据采集、处理并显示，在浓度超限时给予声光报警，有按键动作时可设置报警参数，并取消报警。

通过检测学校宿舍、办公室的温度和湿度值，初步判断系统可行性还是非常高的，下面是实验数据：

湿度 （RH）37 35 34 30温度（℃）18 20 22 25显示结果Ok Ok Ok

其中25℃时显示“！！”并响应报警模块。

4. 检测方案

图3 MS1110对甲醛甲苯的灵敏度变化

鉴于不同的人群工作条件、方式的不同，可以将空气层划分为2部分。调查显示，办公族平时80%的时间都处于静坐状态，呼吸带主要集中于110～130cm处，此层空气带对这部分群体的健康影响最大；而车间工人，生产线工人多处于站立状态，呼吸带主要集中于160～180cm处。据此，可以将检测位置根据情况安放在这两层呼吸带上，每100平方米安置4个检测点，检测信息会随时更新到LCD，亦可将检测到的信息通过无线通讯模组发送到上位机上（例如可以使用安卓上位机，只需点开APP即可获得当前环境状况的信息），或者通过RS232串口发送给上位机，用户可以根据反馈得到的数据作出具体的有效措施，提高室内空气质量。由此，可以提高人们生活和工作环境的空气质量，进一步保障居民的生活健康。

图4 软件结构设计图

5. 结束语

本文实现了基于STC12C5A60S2单片机的室内环境质量检测系统设计，主要专注于室内气体成分。此系统能够实时采集室内多种环境参数，包括温度、甲醛、甲苯、一氧化碳和二氧化碳浓度等参数，并对于超过最高上限指标参数报警，提醒人们做出改善室内空气质量的行为。此系统采用的都是低成本、高精度传感器，从而解决了目前市场上室内环境检测仪昂贵的问题，保证每个人都能使用到。它可以适用于居民楼、办公楼、车间、生产线等任何一栋建筑。

＊ ［1］HJ/T 167-2004，室内环境空气质量监测技术规范［S］.

＊ ［2］ STC12C5A60S2系列单片机数据手册.

＊ ［3］简毅，任海洋，熊金.基于 Atmega16L 多功能室内环境监测仪的设计［EB/OL］.北京：中国科技论文在线［2010.04.23］.

＊ ［4］ 王云景，赵红旗等.二氧化碳传感器TGS4160的原理及应用［J］.国外电子元器件.2004.

＊ ［5］ MQ-7中文参数书［EB/OL］. http：//wenku.baidu.com/link？url =CPjAZg5GIBLxt_ggeLVSaBwbNvAQcfEhawomPwoeeyjg26C4F OiduEntoYsCQQXd-Mb4zIhdhtvoyirvTw8v2GNTAknsdTZ671b_ sU8DBeq

＊ ［6］ 倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用［J］. 单片机与嵌入式系统应用.2010.