文/張晶

在物質(zhì)條件不斷提高的背景下，人們對(duì)生活品質(zhì)提出了更高要求。對(duì)于長期處于室內(nèi)環(huán)境的人來講，對(duì)室內(nèi)溫、濕度和甲醛氣體濃度等參數(shù)都有一定要求。利用單片機(jī)進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)計(jì)，可以加強(qiáng)室內(nèi)環(huán)境主要參數(shù)的掌握，從而為室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，使人對(duì)室內(nèi)感覺的舒適度得到提高。

1 基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，才能為人們提供健康的生活、工作環(huán)境。采用基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，除了能夠?qū)κ覂?nèi)溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測，也能完成甲醛、PM2.5等空氣污染物濃度的監(jiān)測。根據(jù)系統(tǒng)提供的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，可以及時(shí)進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)，從而使人體健康得到保障。從整體結(jié)構(gòu)來看，系統(tǒng)以單片機(jī)為最小應(yīng)用系統(tǒng)，配備有溫濕度檢測傳感器、甲醛電化學(xué)傳感器等各種檢測設(shè)備，同時(shí)配備有按鍵、顯示等裝置。采用模塊化理念，將各部分看成是系統(tǒng)模塊，能夠通過模塊組成得到相應(yīng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

2 基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)計(jì)中，采用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上來看，最小系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、復(fù)位電路、電源電路、時(shí)鐘電路和下載電路等構(gòu)成。作為集成電路芯片，STM32單片機(jī)能夠?qū)χ醒胩幚砥鰿PU、存儲(chǔ)器ROM、RAM、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)等進(jìn)行集成，利用得到的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種控制類運(yùn)算。利用多個(gè)I/O口，STM32單片機(jī)能夠與各種采集設(shè)備連接。

在傳感器模塊設(shè)計(jì)上，主要采用溫濕度傳感器、甲醛傳感器和PM2.5傳感器。采用的溫濕度傳感器為DHT11，屬于復(fù)合型設(shè)備，能夠利用數(shù)字模塊采集技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)采集，工作電壓在3-5.5V之間，具有較高可靠性，溫度測量精度達(dá)±2℃，濕度測量精度為±5%。利用設(shè)備單線制串行接口，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。采用DATA數(shù)據(jù)線，可以直接將設(shè)備與單片機(jī)連接在一起。在數(shù)據(jù)傳輸期間，設(shè)備處于高速模式，完成數(shù)據(jù)采集后進(jìn)入原始狀態(tài)，設(shè)備功耗較低。采用的甲醛傳感器型號(hào)為ZE08-CH20，屬于電化學(xué)傳感器，每間隔1s進(jìn)行一次濃度值的發(fā)送。傳感器工作電壓為5V，屬于通用型模塊，能夠利用電化學(xué)原理完成空氣中甲醛濃度測量，并利用自帶溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。借助串口，裝置能夠?qū)崿F(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，并完成數(shù)據(jù)傳輸。采用的PM2.5傳感器型號(hào)為GP2Y1010AU0F，屬于光學(xué)通路裝置，內(nèi)部對(duì)角存在一對(duì)紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，發(fā)出的紅外光經(jīng)過空氣中塵埃反射后，將達(dá)到晶體管，因此能夠?qū)崿F(xiàn)空氣中煙霧等細(xì)小顆粒的檢測。該傳感器輸出模擬電壓，需要與單片機(jī)ADC輸入通道連接。

系統(tǒng)按鍵數(shù)量較少，可以利用獨(dú)立按鍵與單片機(jī)連接，完成S1-S5按鍵設(shè)置，用于實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)顯示的功能。系統(tǒng)采用電源模塊能夠利用ASM117-3.3芯片進(jìn)行穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)，輸入電壓為5V，能夠?qū)崿F(xiàn)固定電壓3.3V輸出，其余外圍設(shè)備利用5V直流電源直接供電。系統(tǒng)顯示模塊采用ST7735驅(qū)動(dòng)的彩色顯示屏模塊，分辨率能夠達(dá)到128×128。在系統(tǒng)通訊過程中，需要采用GPRS模塊，其功耗較低，只要存在手機(jī)信號(hào)即能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。采用模塊的無線數(shù)傳功能，能夠?qū)TL串口通信轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，運(yùn)用模塊化理念可以完成各功能模塊獨(dú)立編程，利用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行模塊控制的實(shí)現(xiàn)。從系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)流程上來看，上電后系統(tǒng)將對(duì)數(shù)據(jù)傳輸模塊、采集模塊等進(jìn)行初始化，完成數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備。在此基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)采集模塊將驅(qū)使溫濕度傳感器、甲醛傳感器等設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)由傳輸模塊傳遞給單片機(jī)。由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理后，將發(fā)送給顯示模塊，使室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測參數(shù)在主界面顯示。按照單片機(jī)設(shè)置的時(shí)鐘，經(jīng)過一段時(shí)間后單片機(jī)將發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，促使系統(tǒng)再次進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集和傳輸，從而使室內(nèi)環(huán)境參數(shù)得到實(shí)時(shí)監(jiān)測?？紤]到單片機(jī)存儲(chǔ)空間有限，還要完成復(fù)位時(shí)間的設(shè)定，在達(dá)到一定時(shí)間后單片機(jī)會(huì)進(jìn)行各數(shù)值數(shù)次讀取值的累加，完成平均值計(jì)算，并發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)端，然后對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，重新開始進(jìn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。

2.3 系統(tǒng)監(jiān)測效果

為確定系統(tǒng)監(jiān)測效果，還要按照設(shè)計(jì)方案將各硬件連接至實(shí)驗(yàn)板，完成相應(yīng)二進(jìn)制程序編寫，然后將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)后進(jìn)行上電測試。測試期間，需要采用傳統(tǒng)方法同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測，即使用溫濕度計(jì)、空氣甲醛自測盒等進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，以便獲得對(duì)照數(shù)據(jù)。從監(jiān)測結(jié)果來看，系統(tǒng)測試溫度與對(duì)照值相差在1℃以內(nèi)，能夠使環(huán)境溫度得到較好反映；系統(tǒng)測試濕度與對(duì)照值相差不超過3%，不超過5%的誤差要求；系統(tǒng)甲醛測試精度不超過0.01mg/m3，能夠達(dá)到空氣監(jiān)測要求；系統(tǒng)測試PM2.5值與對(duì)照值相差在6μg/m3范圍，可以滿足室內(nèi)空氣PM2.5監(jiān)測要求。此外在系統(tǒng)測試過程中，能夠順利連接網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫濕度傳感器、甲醛電化學(xué)傳感器等室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備的控制，能夠及時(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算、顯示和發(fā)送為室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測管理提供數(shù)據(jù)支撐。在實(shí)踐工作中，還要結(jié)合室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測要求進(jìn)行軟件編程，確保系統(tǒng)功能得到穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，繼而滿足環(huán)境監(jiān)測的高精確度要求。