基于单片机的室内环境监测设计

2019-12-02张晶

电子技术与软件工程 2019年13期

文/张晶

在物质条件不断提高的背景下，人们对生活品质提出了更高要求。对于长期处于室内环境的人来讲，对室内温、湿度和甲醛气体浓度等参数都有一定要求。利用单片机进行室内环境监测设计，可以加强室内环境主要参数的掌握，从而为室内环境调节提供数据依据，使人对室内感觉的舒适度得到提高。

1 基于单片机的室内环境监测系统

保证室内空气品质，才能为人们提供健康的生活、工作环境。采用基于单片机的室内环境监测系统，除了能够对室内温度、湿度进行监测，也能完成甲醛、PM2.5等空气污染物浓度的监测。根据系统提供的室内环境参数，可以及时进行室内环境调节，从而使人体健康得到保障。从整体结构来看，系统以单片机为最小应用系统，配备有温湿度检测传感器、甲醛电化学传感器等各种检测设备，同时配备有按键、显示等装置。采用模块化理念，将各部分看成是系统模块，能够通过模块组成得到相应的室内环境监测系统。

2 基于单片机的室内环境监测设计

2.1 系统硬件设计

在室内环境监测设计中，采用STM32F103C8T6最小系统。从结构上来看，最小系统由STM32单片机、复位电路、电源电路、时钟电路和下载电路等构成。作为集成电路芯片，STM32单片机能够对中央处理器CPU、存储器ROM、RAM、定时器、中断系统等进行集成，利用得到的微型计算机系统实现各种控制类运算。利用多个I/O口，STM32单片机能够与各种采集设备连接。

在传感器模块设计上，主要采用温湿度传感器、甲醛传感器和PM2.5传感器。采用的温湿度传感器为DHT11，属于复合型设备，能够利用数字模块采集技术进行室内温度和湿度数据采集，工作电压在3-5.5V之间，具有较高可靠性，温度测量精度达±2℃，湿度测量精度为±5%。利用设备单线制串行接口，能够实现数据传输。采用DATA数据线，可以直接将设备与单片机连接在一起。在数据传输期间，设备处于高速模式，完成数据采集后进入原始状态，设备功耗较低。采用的甲醛传感器型号为ZE08-CH20，属于电化学传感器，每间隔1s进行一次浓度值的发送。传感器工作电压为5V，属于通用型模块，能够利用电化学原理完成空气中甲醛浓度测量，并利用自带温度传感器实现温度补偿。借助串口，装置能够实现AD转换，并完成数据传输。采用的PM2.5传感器型号为GP2Y1010AU0F，属于光学通路装置，内部对角存在一对红外线发光二极管和光电晶体管，发出的红外光经过空气中尘埃反射后，将达到晶体管，因此能够实现空气中烟雾等细小颗粒的检测。该传感器输出模拟电压，需要与单片机ADC输入通道连接。

系统按键数量较少，可以利用独立按键与单片机连接，完成S1-S5按键设置，用于实现不同数据显示的功能。系统采用电源模块能够利用ASM117-3.3芯片进行稳压电路设计，输入电压为5V，能够实现固定电压3.3V输出，其余外围设备利用5V直流电源直接供电。系统显示模块采用ST7735驱动的彩色显示屏模块，分辨率能够达到128×128。在系统通讯过程中，需要采用GPRS模块，其功耗较低，只要存在手机信号即能实现数据传输。采用模块的无线数传功能，能够将TTL串口通信转变为无线通信，实现数据远距离传输。

2.2 系统软件设计

在系统软件设计上，运用模块化理念可以完成各功能模块独立编程，利用相关函数进行模块控制的实现。从系统总体数据流程上来看，上电后系统将对数据传输模块、采集模块等进行初始化，完成数据采集准备。在此基础上，数据采集模块将驱使温湿度传感器、甲醛传感器等设备进行室内环境数据监测，并将采集到的数据进行A/D模数转换，然后经由传输模块传递给单片机。由单片机完成数据处理后，将发送给显示模块，使室内环境监测参数在主界面显示。按照单片机设置的时钟，经过一段时间后单片机将发出数据采集命令，促使系统再次进行环境参数采集和传输，从而使室内环境参数得到实时监测。考虑到单片机存储空间有限，还要完成复位时间的设定，在达到一定时间后单片机会进行各数值数次读取值的累加，完成平均值计算，并发送至互联网端，然后对各模块进行初始化，重新开始进行环境参数监测。

2.3 系统监测效果

为确定系统监测效果，还要按照设计方案将各硬件连接至实验板，完成相应二进制程序编写，然后将程序写入单片机后进行上电测试。测试期间，需要采用传统方法同时进行室内环境监测，即使用温湿度计、空气甲醛自测盒等进行室内环境数据采集，以便获得对照数据。从监测结果来看，系统测试温度与对照值相差在1℃以内，能够使环境温度得到较好反映；系统测试湿度与对照值相差不超过3%，不超过5%的误差要求；系统甲醛测试精度不超过0.01mg/m3，能够达到空气监测要求；系统测试PM2.5值与对照值相差在6μg/m3范围，可以满足室内空气PM2.5监测要求。此外在系统测试过程中，能够顺利连接网络。