基于单片机的环境温湿度及PM2.5浓度监测仪的设计

郑宇宏 鄢艳红

摘要：为监控环境的各项指标，营造一个更加健康的室内环境，设计一款多功能的环境指标监测系统，使人们能够及时对环境的变化并做出相对应措施。该系统以STC89C52单片机为控制中心，外部监测电路由DHT11温湿度传感器和GP2Y1010AU0F粉尘传感器构成。系统完成监测后将数据输入单片机内处理后显示在LCD1602液晶屏上。当环境参数超过自定义阈值时蜂鸣器启动报警功能，并且点亮点对应的LED灯。

关键词：STC89C52单片;温湿度;粉尘传感器

中图分类号：TP338      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）32-0104-03

Design of a Monitoring Instrument for Environmental Temperature， Humidity and PM2.5 Concentration Based on Single-chip Microcomputer

ZHENG Yu-hong， YAN Yan-hong

（School of Medical Information Engineering， Guangzhou University of Chinese Medicine， Guangzhou 510006， China）

Abstract： In order to monitor various environmental indicators and create a healthier indoor environment， a multi-functional environmental indicator monitoring system will be designed to enable people to respond to changes in the environment in time and take corresponding measures. This system uses STC89C52 single-chip microcomputer as the control center， and the external monitoring circuit is composed of DHT11 temperature and humidity sensor and GP2Y1010AU0F dust sensor. After the system completes the monitoring， the data is input into the single-chip microcomputer for processing and then displayed on the LCD1602 LCD screen. When the environmental parameters exceed the custom threshold， the buzzer will start the alarm function， and the corresponding LED light will be lit.

Key words： STC89C52 single chip; temperature and humidity; dust sensor

隨着人们对生活环境的重视，大家都追求一种更加舒适愉悦的生活和工作环境。为满足人们的需求，本设计主要从环境温湿度和PM2.5浓度两个指标进行环境监测仪的设计。温度和湿度是一个相互影响的指标，在高温环境中，环境相对湿度对人机体的散热呈正相关关系，而且温度的变化会直接影响人体生理热的变化，据有关研究表明舒适环境下温度的剧烈变化更影响人体的健康，使人体患病和死亡的率提高。而环境PM2.5浓度的高低也直接影响着人体的呼吸道健康，据国内PM2.5污染调研报告得出，与室外相比，人均室内PM2.5暴露量和潜在剂量为室外环境的4倍[1]。设计一款环境监测仪有利于人们监控室内环境并及时对环境变化做出相对的措施。

1 总体设计方案

本设计采用分层结构模块化的设计思路进行设计，将整个设计分6个模块进行硬件设计和软件设计。整个系统以STC89C52单片机为控制中心，分别对温湿度传感器、粉尘传感器、显示器和蜂鸣器等元器件进行控制。环境温湿度采用DHT11温湿度传感器监测，其内部自带8位处理器并连接NTC测温和电阻感湿元件，是一款内含已校准数字信号输出的传感器。PM2.5浓度监测采用夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器作为检测元件，通过传感器内部发出的红外反射光强间接测量出空气PM2.5的浓度。显示模块采用LCD1602显示器进行数据的读取显示，且当数据超出设置值时系统能自动触发蜂鸣器报警。系统的整体设计原理图如图1所示。

2 硬件电路设计

根据系统的设计需求，要求能自动完成室内环境温湿度和PM2.5浓度的监测，并将监测数据实时显示至LCD显示屏上，且用户可以通过按键进行自定义数据报警值，当监测数据不在范围内时，系统能自动触发蜂鸣器报警，设计中需要以单片机为控制中心将各个功能模块链接成整体从而实现系统功能。

2.1 单片机最小系统电路

STC89C51外部具有40根引脚，每根引脚都有其独立的功能单片机，内部主要包含有8位CPU和具备可在线编程的8K字节系统Flash存储器，从而使单片机本身具有8K字节程序存储空间和512字节数据存储空间的特性。具有32位I/O口线和看门狗定时器，且自带4K字节EEPROM存储空间和MAX810复位电路。因为单片机有了这些特性，所以在嵌入式系统开发中能得到更加高效灵活的应用。

在电路设计中，将单片机最小系统分为三部分设计，首先为电源电路，通过外接5V的直流电源供电，然后晶振电路通过两个30pF的电容和一个11.0592M的晶振并联而成，由此为系统提供9600的波特率，单片机只有在时序信号和控制信号的协调工作下才能执行各指令[2]。复位电路在设计中将单片机RST引脚与10uF电容相连并与VCC电源接通，在电容上并联一个复位开关然后接地，从而实现系统复位功能，使程序地址从0000H单元重新执行。整个单片机最小系统的电路设计图如图2所示，当按下按键S0时，RST接收到高电平信号从而使系统执行复位操作。

2.2 温湿度监测电路

DHT11是采用专门的温湿度采集和传感技术的复合传感器。其内含已校准数字信号输出器，能够自动数模转换，具有可靠性高，稳定性好的优点[3]。DHT11中内含的NTC热敏电阻值随温度的增加而减小，而电阻式感湿原件则根据内部的湿敏原件在吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态发生的变化从而改变电阻值，两个指标都呈线性变化从而可以间接测量出环境的温湿度值，其温度测量范围为0-50℃，湿度测量范围为20%-90%RH。在电路设计中为提高传感器的稳定性增强信号的抗干扰能力需要在1、2引脚之间并联一个10KΩ的电路，其电路连接图如图3所示。

2.3 PM2.5浓度监测电路

夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器是一款光学空气灰尘检测传感器。通过内部红外线发光二极管和光电晶体管对角放置，探测空气的反射光强，并将其转化成可输出的模拟电压显示出来，且电压值与尘埃粒子浓度成正比。由于PM2.5的主要成分有水溶性离子、金属元素、碳组分和有机物，所以当红外光穿透时会形成折射，使用光强变弱，从而可测得空气尘埃粒子浓度[4]。

电路设计过程中，为了将测量的模拟电压转换成单片机可识别的数字信号，所以将该传感器与ADC0832芯片相连使数据完成AD转换后输入单片机内计算处理。其电路连接原理图如图4所示，为提高供电稳定，设计中在发光二极管正负极之间并联一个220uf的电容;为增强LED的驱动能力，设计中在第4引脚LED和单片机P1.5连接电路之间增加一个三极管以放大电路信号。其中串联的R5、R6起限流保护作用。

3 软件设计

为实现单片机对各个元器件的控制，且符合设计的功能，在软件设计中需要根据各元器件的功能原理进行设计。本设计采用C语言在Keil Vision2 软件内进行编程设计。Keil 提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，生成的目标代码效率高，且容易理解[5]。

3.1 主程序流程

系统主程序部分主要包含程序的头文件、各子程序的调用函数、位定义声明程序以及定时器中断程序。系统上电后，系统主程序自动执行初始化程序，使检测值和显示屏初始化，后再进行正常的数据监测和处理并将数据显示出来。并且通过扫描按键输入设定报警值，当测量数据超出设置范围则反馈至蜂鸣器启动报警。在软件设计中主要的技术难点为DHT11的时序控制问题，需要根据传感器的特性进行设计。整个系统流程如图5所示。

4 系统测试

将本系统根据设计原理图焊接完成后导入系统软件程序，进行运行调试。将本系统A与得力9016Rt5i温湿度计及广州气象局监测的PM2.5浓度进行数据分析比较。

（数据来源2021年4月14日同一时间点同一检测范围内两者分别检测的数据）

如图6所示，通过本系统A测量的数据与得力9016Rt5i温湿度计测量的温湿度值及广州气象局测量的PM2.5浓度值比较可看出，系统A测量的温湿度值与得力9016Rt5i测量的温湿度值偏差符合传感器的偏差范围，说明系统对环境温湿度检测的结果具有一定的可靠性和准确性，符合设计要求。

而对于PM2.5浓度而言，由于本系统A采用测量PM2.5浓度其基本原理为光散射法，测量精度较低，对于50mg/L以下的粒子浓度就无法测量到。而气象局检测的PM2.5浓度数据，其采用微量天平过滤法测量，测量精准可靠，但价格昂贵。但是在PM2.5浓度数据可以看出，本系统A測量的PM2.5浓度值总是气象局测量的PM2.5浓度值的两倍大。所以设本系统A测量的数据为a，气象局测量的数据为Q，光散射法和微量天平过滤法之间的误差系数为μ（μ为固定值），则可得关系式 a=μQ，根据实验可以得μ≈2，为固定值，所以关系设成立。由此可以推断，本系统在PM2.5浓度值的测量上符合实际测量值，具有一定的可靠性，其中μ定义为系统误差。

5 结束语

通过对系统的硬件测试和测试数据分析，本系统设计基本实现了设计需求，当系统接通电源后，传感器能自动进行数据监测并传输至单片机处理后显示在屏幕上，且监测数据符合实际情况，具有使用价值。但系统也存在不足需要改进，主要为：1）无法存储历史数据;2）可通过技术改进增加远程调节控制功能。

参考文献：

[1] 国内首个室内PM2.5污染数据调研报告发布[J].建设科技，2015（8）：9.

[2] 王幸之，钟爱琴，王雷.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[3] 广州奥松.DHT11使用说明书[Z].广州：广州奥松电子有限公司，2008

[4] 王宁，冀敏，赵冲.激光传感器的智能pm2.5检测仪[J].激光杂志，2017，38（8）：77-80.

[5] 王海燕，杨艳华.Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2012，31（5）：88-91.

【通联编辑：谢媛媛】

收稿日期：2021-06-25

作者简介：郑宇宏（1996—），男，广东普宁人，广州中医药大学医学信息工程学院学生;鄢艳红（1975—），女（满族），通信作者，硕士，研究方向为微机控制和计算机教学研究。