基于单片机的室内空气质量监测系统设计与实现

谢 超， 王 正

(1.南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京210037；2.南京林业大学南方学院，江苏 南京210037)

随着时代的进步与发展，人们对室内空气品质的要求越来越高，开展室内空气质量监测系统的设计研究具有重要意义[1-5]。当前市面上的空气质量监测仪种类繁多，但大多不能完全符合普通家庭的使用需求。李峰设计了一款可以同时监测粉尘含量、温湿度、CO、CO2等多种有害气体的系统[6]，但该设计是基于无线通信的系统，且监测内容大大超出了普通家庭的应用需要，并且没有全面考虑系统成本、功耗等问题。本文构思了基于单片机的室内空气质量监测系统，实现了对粉尘含量以及温湿度的监测，同时借助液晶显示、按键输入、声光报警等模块较好完成了人机交互，且该系统还具有成本低、能耗小、使用便捷等特点。

1 空气质量检测系统的整体设计

本文从硬件和软件两大部分进行考虑，各功能模块之间相互独立，也相互影响。各个模块之间的关系如图1所示，系统主要包括微控制器(Microcontroller Unit，MCU)、传感器采集模块、液晶显示模块、声光报警模块、按键模块，以及其他一些辅助性元件。MCU采用宏晶公司旗下的STC89C52单片机，此单片机是51单片机的升级版，具有功耗低、速度快、抗干扰能力强、价格低廉等优点，非常符合本设计对MCU的需求。其余各硬件模块设计在MCU周围，依据引脚进行相应连接。其中，MCU与传感器采集模块信息交互，实现空气监测数据的采集、读取和换算；显示模块实时显示系统状态；按键模块用于用户向系统输入相应指令；监测到异常后，声光报警模块起到提示用户的作用。考虑到室内供电的方便性，本系统采用最为常见的USB插头供电方式。

图1 系统硬件结构框图

2 空气质量监测系统硬件设计

2.1 单片机最小控制电路

单片机最小控制电路包括时钟电路和复位电路，如图2所示。时钟电路由两个小电容加一个晶振组成，接在MCU的18、19引脚。该部分在单片机内部产生一定的脉冲信号，起到时钟作用。复位电路接在9引脚，起到使电路恢复到最开始状态的作用。本设计采用的是电动复位，无需外加按钮就可以实现复位。

图2 时钟电路和复位电路

2.2 传感器选型及其接口

夏普GP2Y1010AU0F光学粉尘传感器是一款对细微颗粒(如香烟烟雾)监测特别有效的传感器，经常应用在空气净化系统中。该传感器具有检测灵敏度高、使用寿命长、尺寸小、质量轻、功耗低等特点。图3显示了该粉尘传感器与MCU之间的连接电路。由于传感器的输出(5脚)是模拟量，因此在接入MCU之前需要进行模数转换，本设计采用的是ADC0832模数转换芯片。电路方式如图3所示。

空气温湿度方面，采用了DHT11数字温湿度传感器。该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。其温度量程为-20～+60 ℃，温度精度为±2 ℃，湿度量程为5%～95%RH，湿度精度为±5%RH。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保监测具有极高的可靠性和长期稳定性，同时还具有成本低、响应快、抗干扰能力强等优点。因为该传感器使用的是单线制串行接口，所以系统集成简易快捷，4针单排引脚封装，连接方便。电路连接如图4所示。

图3 PM2.5粉尘传感器GP2Y1010AU0F与MCU连接

图4 DHT11温湿度传感器与MCU连接

2.3 显示模块

液晶显示屏对本设计尤其重要，液晶显示屏可以把单片机接收的来自各个传感器的数据显示出来，实时提供给用户。本系统选用LCD1602液晶显示作为显示模块。LCD1602是一款工业字符型液晶，专门显示数字和字母，而且成本低、薄厚适中、性价比高，比较适合本系统用作显示模块。在本设计中，只需要将RS、R/W、E、D0～D7引脚与MCU正确连接后就可以正常显示。电路连接如图5所示。

图5 LCD显示模块与MCU连接

2.4 按键输入及声光报警模块

按键输入模块主要通过按键完成对系统各项参数(如报警阈值、巡检周期等)的设置。灯光报警模块则主要根据用户设定的各项报警阈值，通过亮起不同的色灯完成对用户的提醒作用。如若某项指标超过警戒值，系统还会通过声光报警模块中设计的蜂鸣器对用户进行声音警告。

3 空气质量监测系统软件设计

为了达成上述系统功能，进行了软件设计并利用Keil软件进行程序的编写。系统软件采用模块化设计，主要可以分为主程序和中断服务子程序两大部分。主程序主要对硬件和变量进行初始化，对各个控制寄存器设置初值，对运算过程中使用的各种变量分配地址并设置相应的初值。初始化模块仅在MCU上电复位后被执行一次，然后进入循环等待时期，如图6所示。

中断服务与巡检子程序是系统软件的核心部分，包括定时器中断巡检、按键输入巡检、异常情况巡检。在主程序进入循环等待时期后，这些程序将一直被循环执行。其中，本系统通过设置定时器中断来精确设定空气传感器的巡检周期。定时周期到达后，由中断程序设置使能标志，当检测到该标志有效后，程序会对传感器的数据进行读取，如读取的数据发现变化，则进一步在液晶显示屏上进行相应更新。按键与异常巡检则不通过定时器中断的方式进行。因传感器的数据读取很重要，所以本文仅以MCU读取DHT11数字温湿度传感器数据为例进行介绍，流程图如图7所示。

图6 主程序流程图

图7 MCU读取DHT11传感器数据流程图

4 系统测试

针对设计系统进行了整体性能测试，共进行了三组实验：①从25～845 μg/m3区间内选取10个均匀随机的数值点进行PM2.5测试；②在60%RH湿度条件下选取15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃四种室温进行测试；③在30 ℃室内条件下选取20%RH、50%RH、70%RH、90%RH四种湿度数值进行测试。系统实物图如图8所示。

图8 系统实物图

经过对以上实验数据的分析得知，本系统的PM2.5监测数值与真实值的相对误差<3.2%，温度绝对误差<2 ℃，湿度绝对误差<5%RH。以上测试结果均符合预期要求，且系统在整个测试过程中工作稳定，各模块功能正常，整体运行良好。

5 结 论

为了满足人们对室内空气质量监测的需求，设计了基于STC89C52单片机的室内空气质量监测系统。该系统能够有效地对室内PM2.5以及温湿度进行实时监测。测试实验表明设计方案正确，功能良好，测量精度较高，完全满足人们日常室内空气质量监测的需求。后续本系统还将继续升级，可以与大数据[7]、纳米传感器[8]、云计算[9]、5G技术[10]，以及人工智能[11]相结合，以满足人们不断增长的技术需求。