基于单片机的教室空气质量监测系统设计

魏雅文

（沈阳市化工学校，辽宁 沈阳110122）

1 概述

基于单片机的教室空气质量监测系统，是由若干子设备和一个计算机上位机软件构成的系统，设计背景是将某一教学楼内所有教室的空气质量进行实时监测。由于该系统比较庞大，因此本文着重论述系统中各子设备的设计方案。本设计教室空气质量监测子系统中，主要对教室内的一氧化碳指数、二氧化碳指数、硫化物指数、粉尘颗粒（PM2.5）指数、教室温湿度和声音强度参数进行采集和分析。其中，前4 项指标为关键指标，教室的温湿度和声强参数为附加功能，其中温湿度是较为常用的室内参数，声强检测可使学生在自习室保证安静。

2 系统整体方案设计

2.1 系统整体功能描述

教室空气质量监测系统中每个子系统的主要功能是，通过装置和传感器位置的有效安装，实时监测对应教室内的各项指标参数，其中关键监测参数为4 项，分别是室内一氧化碳指数、二氧化碳指数、硫化物指数（二氧化硫）、粉尘颗粒（以PM2.5 为主）指数；次要监测参数为3 项，分别是温度、湿度和声音强度。子系统装置中以串行通信方式，与总监控室的计算机相连，将数据实时传送至上位机软件中。在总监控室中可以查询所有被监测教室的各参数实时数据和历史数据。在各个被监测教室中，包含一个触摸屏，能实时观察到当前教室的各项参数指标，以及当前提示信息。

2.2 系统控制器方案设计

在室内环境智能监测系统的下位机子系统中，需包含由控制核心构成的电子系统，作用是处理由传感器采集的各类参数（上文提到的7 项监控指标），随后将转换完毕的信息传送至上位机。由于该子系统是在多个教室内摆放，应考虑廉价、小型化、便捷使用等方面，故选用单片机作为控制核心。单片机对应性能不同，其处理数据能力、运行速度不同，根据系统实际情况，综合考虑后选择STC90C51 作为系统控制核心，并选取LQFP-44 封装，包含44 个独立引脚，满足多传感器信号处理、通讯等各项要求。

2.3 系统传感器选型

本设计共采集7 项参数，其中温湿度选用一个整体模块，其余5 项参数对应选择独立传感器。传感器选型的具体参数不在本文赘述，传感器选型原则是满足检测精度要求。故本设计选取以下型号的传感器，完成教室内空气质量和温湿度、声强参数的采集。

温湿度传感器选用DHT11 传感器；一氧化碳传感器选用MQ-7-CO；二氧化碳传感器选用MG811-CO2；硫化物传感器选用 MQ135-SO2；PM2.5 粉 尘 颗 粒 检 测 传 感 器 选 用GP2Y1010AUOF11；声音传感器选用MS135。不同传感器的额定电压不同，故本系统内根据不同传感器的供电电压不同，设计了+5V、+12V 和+24V 三路电源，供传感器正常预热和使用。

2.4 系统整体框图

如图1 所示为本设计的系统整体框图，包含上位机和下位机两部分。其中上位机是计算机内运行的一款监控软件，主要作用是汇总各教室的空气质量参数，实现总体监控的功能。下位机是安装在各个教室内的装置。系统传感器部分包含6 个传感器，根据选型，其中一氧化碳、二氧化碳、硫化物、粉尘检测和声音传感器是模拟量输出，输出信号采用ADC0809 实现模数转换，将转换后的数字量传送至单片机内；温湿度传感器输出的是数字信号，可直接与单片机相连。触摸屏模块的作用是显示当前各参数数据。声光报警系统的作用是告知教室内师生当前空气质量存在的问题。串行通信接口采用RS485 模块，实现较远距离的信息传输。系统控制核心STC90C51 最小系统的功能是，接收传感器信息，经过运行内部程序进行数据比对，将数据显示在当前系统的触摸屏中，同时将各数据经串行通信模块传送至上位机中。在遇到需要报警或显示重要提示信息时，最小系统启动声光报警系统，发出相应提示信号。稳压电源模块为系统各个模块进行供电，提供多路电源电压。

图1 基于单片机的教室空气质量监测系统整体框图

3 系统硬件电路设计

系统硬件电路设计包括单片机最小系统电路设计（晶振电路、复位电路、倍频模块电路等）、单片机外部引脚接线电路设计、各传感器信号接线电路设计、AD 转换电路设计、RS-485 串行通信模块接线电路设计、触摸屏接线电路设计、执行元件接线电路设计、电源电路设计。本文着重介绍单片机外部接线设计。

如图2 所示为单片机最小系统外部接线电路，本设计采用LQFP-44 封装形式的STC90C51RC 芯片作为教室空气质量监测系统下位机的控制核心，该芯片共有44 个管脚，其中除了第4 管脚RST 复位管脚、第14 管脚XTAL2 晶振管脚2、第15 管脚XTAL1 晶振管脚1、第16 管脚GND 电源负极管脚和第38 管脚VCC 电源正极管脚以外，共有39 个输入输出端口管脚。本设计中单片机的功能是接收传感器对教室内环境的相关参数采集，经过预先设定的程序将参数显示在触摸屏中，同时能够与上位机通信，遇到紧急情况能控制报警模块发出声光报警。其I/O 分配情况如下：P0.1-P0.7 和P2.0-P2.2 是触摸屏数据接口；P1.1-P1.7 是AD 转换数字输出D0-D7 数据接口；P3.0-P3.2 是串行通信模块数据接口；P3.2 是温湿度信号接口；P3.3 声光报警控制端；3.5-3.7 和P4.0-P4.6，是模数转换功能的通道选择端和各种控制端。

图2 单片机最小系统外部接线电路

4 系统下位机软件设计

如图3 所示为教室空气质量监测系统主程序流程图，该子系统在运行开始后，首先进行单片机内部模块的初始化，包括内部倍频初始化、I/O 接口初始化、时钟初始化、定时/计数器初始设置、开门狗程序初始化等，初始化的目的是将整个系统进行有效更新，防止陈旧数据影响新的检测过程。然后对相关传感器进行预热及初始化，本设计中的气体传感器均需要在上电后进行一段时间的预热才能正常工作，每种传感器预热时间不同，当所有传感器预热完毕后，均向单片机发送一个预热完成信号，当单片机收到全部预热完成信号后，开始下一步工作。

图3 教室空气质量监测系统主程序流程图

当所有传感器预热完毕后，各传感器开始环境参数采集工作，获取相应参数，经过处理后将不同数据分类显示至触摸屏中，同时启动RS-485 串行通信模块，将数据上传至上位机中显示。如果监测期间某指标达到报警条件，则下位机启动声光报警程序，并在触摸屏上做出显著提示。在系统运行过程中，若无报警，程序跳转至传感器环境参数采集步骤，如此循环，直至系统关闭，在此期间，单片机程序不再初始化，且传感器无需重复预热。

5 结论

基于单片机的教室空气质量监测系统，能够有效对教室内一氧化碳指数、二氧化碳指数、硫化物指数、粉尘颗粒（PM2.5）指数、教室温湿度和声音强度参数进行采集和分析，以保证课堂教学在良好的室内环境下开展。本设计在下位机子系统装置与上位机的互动下，可形成对整栋教学楼所有教室空气质量的监测，未来，可以通过计算机网络通信的联动，对更大区域范围内的室内场所相关环境指标进行检测，并可向酒店、写字楼等场所推广应用，具有良好的发展应用空间。