基于單片機(jī)的便攜式多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

張子澗++于宏濤++邢家俊

摘 要 針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)，且便于攜帶問(wèn)題，提出了應(yīng)用Arduino單片機(jī)對(duì)環(huán)境溫度，濕度，光照度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，給出了環(huán)境參數(shù)傳感器的選取、監(jiān)測(cè)儀軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析以及調(diào)試驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)儀能夠正常運(yùn)行并且能夠準(zhǔn)確、快速地采集各種環(huán)境信息并進(jìn)行反饋，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多種弊端。

【關(guān)鍵詞】Arduino單片機(jī) 多參數(shù) 監(jiān)測(cè) 便攜式

1 引言

隨著工業(yè)化的深入，城市建設(shè)擴(kuò)大，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量增加，農(nóng)耕田礦山濕地違章開(kāi)發(fā)，全球氣候變暖，自然植被森林沙漠化等因素，人類(lèi)的生存環(huán)境正日益受到生活和生產(chǎn)所產(chǎn)生的污染物的危害。環(huán)境監(jiān)測(cè)是合理利用環(huán)境資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要工作，目前很多環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)參數(shù)比較單一，且監(jiān)測(cè)儀器不便于攜帶。本文提出通過(guò)對(duì)Arduino單片機(jī)以及其輸入、輸出擴(kuò)展模塊進(jìn)行編程以及外部電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速多參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并且通過(guò)窗口通訊將信息轉(zhuǎn)化為具體數(shù)值反饋給作為PC上位機(jī)。

2 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為核心的便攜式多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。選擇合適的傳感器對(duì)被檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)及采樣，將傳感器輸出經(jīng)適當(dāng)?shù)淖儞Q處理，饋入單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理后，以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行顯示，同時(shí)要求完成相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)及主要的調(diào)試工作。

2.1 實(shí)現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測(cè)

提出應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用戶通過(guò)設(shè)定監(jiān)測(cè)組數(shù)以及每組監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔，使單片機(jī)在特定時(shí)間段以及時(shí)間間隔內(nèi)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并通過(guò)藍(lán)牙通訊將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋處理和收集。另外，參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器所傳輸至單片機(jī)的數(shù)據(jù)并非是以期望單位進(jìn)行反饋的，例如溫度傳感器反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)是以0-1024形式出現(xiàn)的數(shù)值，將這些數(shù)值通過(guò)數(shù)學(xué)公式與模型處理成我們?nèi)粘Ｉ钪械臄?shù)據(jù)后再通過(guò)串口通訊反饋給電腦。具體監(jiān)測(cè)參數(shù)如下：

（1）溫度；

（2）濕度；

（3）風(fēng)速、風(fēng)向。

2.2 實(shí)現(xiàn)串口反饋

在編寫(xiě)程序的過(guò)程中要確保PC能夠收到單片機(jī)所反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)并在串口監(jiān)視器上顯示出來(lái)，由于單片機(jī)是基于C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)技術(shù)，其中的語(yǔ)法本身就包含了串口通訊這一功能，通過(guò)編程可以直接實(shí)現(xiàn)9600kbp的串口通訊。

3 方案的具體實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)是把中央處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。Arduino是一款便捷靈活，方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，是目前應(yīng)用比較廣泛的一種單片機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)51單片機(jī)更為先進(jìn)，編程也更易掌握，并比較直觀。因此，本文基于Arduino單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在測(cè)量溫濕度方面，本文采用了DHT22（AM2302）數(shù)字溫濕傳感器作為采集工具。該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，傳感器具有兩個(gè)電源引腳以及一個(gè)單總線接口用于將采集數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，其數(shù)據(jù)格式包括16位精度的濕度數(shù)據(jù)，16位精度的溫度數(shù)據(jù)（攝氏度）和末尾的8位校驗(yàn)位構(gòu)成的。通過(guò)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換分別得到保留一位小數(shù)的10進(jìn)制溫濕度數(shù)據(jù)并存入提前設(shè)置好的浮點(diǎn)變量中，待其他數(shù)據(jù)采集完成后由Arduino主機(jī)通過(guò)藍(lán)牙通訊一起發(fā)送給上位機(jī)。DHT22的供電電壓為3.3-6V。傳感器通電后，需等待1s以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)，期間不因?qū)ζ浒l(fā)送任何采集指令以防止采集失敗達(dá)不到預(yù)期效果。

3.2 風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在風(fēng)速測(cè)量方面，本文采用了工業(yè)型風(fēng)速傳感器為 RS485 總線式傳感器，該傳感器是一種專(zhuān)門(mén)用以監(jiān)測(cè)風(fēng)速的檢測(cè)儀 表。儀器能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)風(fēng)速并遠(yuǎn)程顯示，同時(shí)將風(fēng)速轉(zhuǎn)換成 MODBUS-RTU 標(biāo)準(zhǔn) RS485 電信號(hào) 傳輸給單片機(jī)。通過(guò)編程整理將原本風(fēng)速儀0-5V的輸出轉(zhuǎn)化為0-30m/s的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

3.3 圖像顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在外部圖像顯示方面本文采用了HT16K33 mixly 8x8 LED點(diǎn)陣，該點(diǎn)陣模塊采用HT16K33芯片作為驅(qū)動(dòng)，可以?xún)H僅使用2個(gè)IO管腳就能驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮 I2C點(diǎn)陣模塊。通過(guò)在Arduino IDE調(diào)用Adafruit_GFX與Adafruit_LED兩個(gè)庫(kù)文件并將采集到的數(shù)據(jù)由浮點(diǎn)型轉(zhuǎn)化為字符型，即可使用對(duì)應(yīng)的函數(shù)對(duì)LED點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)式文字顯示輸出。

3.4 上位機(jī)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集方面，本文采用了Arduino單片機(jī)對(duì)應(yīng)的1sheeld拓展版，該板具有藍(lán)牙通訊的功能，能夠?qū)纹瑱C(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)9600kbps的比特率傳輸給安裝有安卓操作系統(tǒng)的上位機(jī)。通過(guò)調(diào)用1sheeld對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)庫(kù)文件和對(duì)其進(jìn)行編程，本文實(shí)現(xiàn)了集數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)加密、系統(tǒng)預(yù)設(shè)、數(shù)據(jù)整理、為一體的室外環(huán)境系數(shù)采集系統(tǒng)。

4 結(jié)論

針對(duì)環(huán)境儀器檢測(cè)參數(shù)過(guò)于單一、反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、且數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，本文提出通過(guò)應(yīng)用Arduino單片機(jī)以及其輸入、輸出擴(kuò)展模塊進(jìn)行編程，結(jié)合外部電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前環(huán)境多參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且通過(guò)藍(lán)牙通訊將信息轉(zhuǎn)化為具體數(shù)值反饋給作為上位機(jī)的安卓系統(tǒng)的手機(jī)。同時(shí)將PC機(jī)融入到監(jiān)測(cè)這一環(huán)節(jié)，使得單片機(jī)可以將多個(gè)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給電腦，實(shí)現(xiàn)對(duì)總體環(huán)境情況的反饋。該多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器同時(shí)能夠?qū)囟?，溫度和風(fēng)速等多個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，并能夠通過(guò)串口通訊將監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)返回，同時(shí)具有操作簡(jiǎn)單及易于便攜等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)與保護(hù)。

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作者簡(jiǎn)介

張子澗（1995-），男，大學(xué)本科學(xué)歷。研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)。

作者單位

沈陽(yáng)工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 遼寧省沈陽(yáng)市 110136endprint