室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院　徐見煒

?

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐見煒

【摘要】本文針對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)度和天然氣濃度等影響室內(nèi)環(huán)境舒適度的主要因素，設(shè)計(jì)了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要以AT89C52為核心，控制信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，并實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)串行通信功能，利用LabVIEW軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理功能模塊。該系統(tǒng)具有監(jiān)測方便、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸、費(fèi)用低廉等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW；單片機(jī)；傳感器；室內(nèi)環(huán)境

0　引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高。家庭住宅居室是人們生活的最主要場所，室內(nèi)居住環(huán)境的舒適度、便利性以及安全性直接關(guān)系著人們的生活質(zhì)量，影響著人們的身心健康，因此室內(nèi)環(huán)境污染對(duì)人體健康的影響己越來越被人們所關(guān)注，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高。但是如今由于室內(nèi)裝修污染物以及人們各種不良生活習(xí)慣等原因，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境隱患眾多，嚴(yán)重危害人們的身心健康，所以對(duì)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測是非常必要的。目前雖然市場上的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀種類繁多，但是監(jiān)測的主要是有害氣體，相對(duì)功能比較單一化，同時(shí)價(jià)格也較貴，所以對(duì)功能多元化的多參數(shù)綜合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)勢在必行。

1　系統(tǒng)的原理與組成

系統(tǒng)的組成主要包括單片機(jī)下位機(jī)系統(tǒng)和LabVIEW上位機(jī)系統(tǒng)兩部分。系統(tǒng)組成如圖1所示。

下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)由傳感器檢測模塊、報(bào)警模塊、無線傳輸模塊等部分組成。上位機(jī)系統(tǒng)分為顯示程序模塊、聲光報(bào)警程序模塊和數(shù)據(jù)記錄程序模塊。傳感器檢測模塊又分為溫濕度傳感器模塊、光強(qiáng)度傳感器模塊、天然氣傳感器模塊。它們的功能是準(zhǔn)確無誤地檢測室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)：溫濕度、光照強(qiáng)度、天然氣濃度，然后單片機(jī)將檢測到的數(shù)據(jù)通過串口無線傳輸給PC機(jī)，通過PC機(jī)上LabVIEW編寫的上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并且記錄。報(bào)警模塊功能是當(dāng)檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定值時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1溫濕度檢測電路的設(shè)計(jì)

溫濕度檢測電路主要元件為DHT90數(shù)字溫濕度傳感器，其測濕范圍：0—100%RH，測溫范圍:-40°C一123.8°C?？梢耘c單片機(jī)引腳直接連接，不需要其他電子元件輔助，所以使用該傳感器可以使開發(fā)時(shí)間大幅度縮短，大大提高了效率。電路如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)組成

圖2　DHT90與單片機(jī)連接圖

圖3　BH1750FVI與單片機(jī)連接圖

2.2光強(qiáng)度檢測電路的設(shè)計(jì)

光強(qiáng)度檢測電路采用BH1750FVI16位數(shù)字輸出型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器，是一種用于兩線式的串行總線接口的集成電路，有著使用方便、功率低、分辨率高、檢測范圍大、誤差小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。電路如圖3所示。

2.3天然氣檢測電路的設(shè)計(jì)

天然氣檢測電路采用MQ-5傳感器，是一種典型的半導(dǎo)體氣敏電阻傳感器，其在工作時(shí)可以把氣體的種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后根據(jù)電信號(hào)的強(qiáng)弱程度獲得待測氣體在環(huán)境中的濃度值，從而達(dá)到檢測環(huán)境中某種氣體濃度的目的。由于MQ-5傳感器測量的為模擬量，需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將測得的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字值發(fā)送給單片機(jī)，本系統(tǒng)采用的是ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器。電路圖如圖4所示。

圖4　MQ5工作電路圖

圖5　AMS1117電路圖

2.4無線通信電路的設(shè)計(jì)

無線通信電路采用UTC-1212無線通信模塊，該模塊具有功耗低、集成度高、微功率、半雙工等特點(diǎn)，集成了高性能的MCU和超低功耗射頻芯片。由于UTC-1212模塊的供電電壓范圍為2.1V—3.6V，但系統(tǒng)的供電電壓為5V，所以需要對(duì)單片機(jī)的輸出電壓進(jìn)行降壓處理才能給無線模塊供電，否則會(huì)很容易燒毀無線傳輸模塊。本系統(tǒng)使用AMS1117正向壓降穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)降壓功能，如圖5所示。UTC模塊與單片機(jī)連接圖如圖6所示。

圖6　UTC模塊與單片機(jī)連接圖

2.5串口通信電路的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)與外部的基本通訊方式有兩種:并行通訊和串行通訊。串行通訊較并行通訊傳送速度慢，但連接簡單，而且AT89C52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)功能很強(qiáng)的全雙工串行口，該串行口有4種工作方式，波特率可用軟件設(shè)置，由片內(nèi)的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，接收發(fā)送均可觸發(fā)中斷系統(tǒng)，使用十分方便。對(duì)本設(shè)計(jì)而言，串行通訊速度完全能滿足要求，因此本系統(tǒng)選用RS-232串口進(jìn)行雙機(jī)通訊。電路如圖7所示。

圖7　串口電路圖

圖8　蜂鳴器報(bào)警電路圖

2.6報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的壓電式蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)屬于自激驅(qū)動(dòng)，自激驅(qū)動(dòng)非常簡單。自激蜂鳴器是由直流電壓驅(qū)動(dòng)的，不需要利用交流信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不過需要對(duì)驅(qū)動(dòng)口輸出的驅(qū)動(dòng)電平通過三極管放大，然后放大輸出驅(qū)動(dòng)電流就能使蜂鳴器發(fā)出聲音。電路如圖8所示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序和計(jì)算機(jī)程序，總體思想是：采用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。根據(jù)編制的程序進(jìn)行控制，自動(dòng)完成邏輯判斷以及測試。根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)的人部分功能都以硬件為基礎(chǔ)，通過匯編語言和C語言編程實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)軟件主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位PC機(jī)進(jìn)行通訊及控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)主界而控制顯示最終數(shù)據(jù)。

3.1單片機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)是硬件部分的核心，其功能是多方而的，不僅有單片機(jī)本身的工作，還有A/D轉(zhuǎn)換器的控制與計(jì)算機(jī)的串行通信控制等。

圖9　單片機(jī)程序結(jié)構(gòu)框架

3.2計(jì)算機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)端軟件是軟件部分的核心，其功能是多方而的，不僅負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的接收，還有對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示等功能。為了便于程序的設(shè)計(jì)、連接和修改，各功能程序?qū)嵭心K化。利用NI公司的LabVIEW，經(jīng)過設(shè)計(jì)可以得到如圖10所示的計(jì)算機(jī)端主界面 。

圖10　計(jì)算機(jī)程序主界面

4　結(jié)論

本文介紹的基于虛擬儀器的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過對(duì)傳感器檢測到的信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度、濕度、光強(qiáng)及天然氣的監(jiān)測。由于此設(shè)計(jì)由各個(gè)單元模塊化組合，所以適合移植或構(gòu)建到其它系統(tǒng)中，還可以根據(jù)需要修改子程序，靈活性較好。此外，與LabVIEW相結(jié)合，達(dá)到了直觀、方便的效果，實(shí)現(xiàn)了更多的功能。

參考文獻(xiàn)

[1]沈艷,郭兵,楊平.測試與傳感器技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,2011.

[2]崔秀芹.加強(qiáng)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測,創(chuàng)造健康生活環(huán)境[J].中國科技投資,2013, (24):234.

[3]楊晨.基于ARM 11和Linux的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽工業(yè)大學(xué),2013.

[4]姚營營.基于MSP430單片機(jī)的環(huán)境監(jiān)測儀設(shè)計(jì)[D].大連交通大學(xué),2010.

[5]王劍.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的開發(fā)[D].哈爾濱理工大學(xué),2004.

[6]張麗娜.基于LabVIEW的溫濕度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].內(nèi)蒙古大學(xué),2006.

[7]王玉偉.基于LabVIEW的測試軟件設(shè)計(jì)[D].中北大學(xué),2009.

[8]董翰川,郭勇,李文杰.LabVIEW串口通訊在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)與通信,201130(23):6368.

徐見煒（1980—），男，浙江嵊州人，碩士學(xué)位，實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)供職于浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：智能控制、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、檢測裝置與儀表。

作者簡介：