环境参数检测系统

孙 燕，邬天达，朱鹏健

（中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北 武汉 430079）

1 项目简介

系统的总体结构可以分为温湿度采集模块、湿浓度转化模块、数据显示及报警模块，通讯模块四部分。具体实施过程：首先通过PC机设定温度、湿度、浓度三个物理量相应的阀值，传送给MCU。然后使用DS18B20、HS1101相应的传感器、MQ-7一氧化碳检测模块等，分别对温度、湿度、一氧化碳浓度进行采集，将采集的模拟量转换为数字量后传送给MCU。然后MCU将当前测得值送到LCD1602，实时直观的显示出来。同时MCU判断当前值与预设值的大小关系，当采集的数据超过设定的阀值时，蜂鸣器报警，提示人们采取措施。最后，为了满足对采集到的数据进行深入处理（如统计分析、打印存档、绘制曲线图表等）的需要，本项目特增加了上位机存储显示，将数据从检测装置送至计算机，供以后数据的深入处理。

2 硬件设计

主要环节：通过PC机输入三个物理量相应的阀值，传送给MCU。用按键选择分别进行温度、湿度、浓度的采集。

当采集的数据超过设定的阀值时，蜂鸣器报警。将采集的模拟量转换为数字量传送给MCU，如图1所示。

图1 硬件总体框图

为了对采集到的数据进行深入处理（如统计分析、打印存档、绘制曲线图表等），需将数据从检测装置送至计算机。

2.1 温度检测模块

（1）DS18B20的内部结构及工作原理：DS18B20主要由4部分组成：电压范围宽，3.0V~5.5V，转换速率快，在9位分辨率时最多在93.75mS内把温度转换为数字，在12位分辨率时最多在750mS内把温度转换为数字，内有64位ROM、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

DS18B20具有两种温度存储方式；9位和12位存储。9位存储时最小位为0.5，12位存储时最小位为0.0625。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二进制补码形式存在高速缓存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时，低位在前，高位在后。

（2）温度传感器DS18B20与单片机的连接方式：一种是寄生电源供电方式。在这种供电方式中，DS18B20的VDD和GND连接，DQ和单片机的一个I/O口连接，并设一个4.7K的上拉电阻。DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）供电。

另一种是外部电源供电方式，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O口线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。

其中外部供电方式是DS18B20的最佳工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。如图2所示。

图2 DS18B20与单片机连接方式

2.2 湿度转换模块

电容型湿度传感器hs1101基于独特工艺设计，其可以工作在-40℃ ～+100℃范围内，而且电容值与湿度具有较好的线性度。

图3 湿度转换模块

图3电路为典型的555非稳态电路。HS1101作为电容变量接在555的TRIG与THRES两引脚上，引脚7用作电阻R4的短路。等量电容HS1101通过R5与R4充电到门限电压约0.67Vcc，7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成对电容的放电回路，构成一个典型的多谢振荡器。输出端为一固定频率方波。其工作循环可以描述如下：

T_high=C@%RH*(R2+R4)*ln2T_low=C@%RH*R2*ln2

为了使循环时间降低50%，则与R4相比R5应该非常小但是不要低于最小值,电阻R7是为了短路保护。555必须为CMOS。

输出频率F与湿度之间关系:

RH(%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100频率（Hz） 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033

2.3 一氧化碳浓度测量转换模块

图4 一氧化碳测量模块

上图是一氧化碳浓度检测模块，3为模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。2为TTL输出，其有效信号为低电平，可直接接到单片机I/O口。

上述一氧化碳浓度检测模块主要由LM393、QM-N10气体传感器等芯片构成。ZYMQ系列气体传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体,最常用的如SnO2。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动。

当一氧化碳浓度升高时，电阻值减小，经过和R2分压，可知道2端模拟输出电压增大，输入到LM393电压比较器芯片，输出TTL电平0或1，然后输入到单片机进行检验。项目实际操作中，将2端的模拟电压输入到ADC0809模数转换器，再将转换的结果送到单片机，通过单片机判断其对应的浓度值，再送到LCD1602显示。

3 结语

在很多领域里，需要对这些环境参量做到精确测量。如:农业生产，科学的控制上述三种参数，可以使农作物更好的生长，增产增收，取得更好的经济效益。因此，本项目的设计具有广泛的应用前景。运用所学，将理论知识用于实践，增强思考和动手能力。同时，本项目组齐心竭力，深刻体会到团队合作的重要性。

[1]沈建华.MSP430系列16位低功耗单片机原理与应用[M]，北京：清华大学出版社，2004.

[2]张军，陈慧丽.基于MSP430单片机和DS18B20的数字温度计[J].电子设计工程，2010，（11）.

[3]高翔，陈志辉.基于MSP430F1232的温湿度检测系统[J].电子元器件应用，2007，（3）.