基于C51单片机的GSM智能环境检测系统的设计

王晓莲，张皓然

（江阴职业技术学院，江苏 江阴 214405）

一、引言

现如今，我国第二产业突飞猛进发展，自动化的生产方式已经取代了原始的生产方式。而在这些自动化生产的过程中，最令人重视的问题就是生产环境的监测，在一些药品、食品、化工用品等方面这些问题显得更加明显，不仅对环境的温度湿度有着严格的要求[1]，而且还要保证监测工作人员的安全。本设计的GSM智能环境监测系统便能适用于这些地方，以高性能，低功耗的STC89C52RC单片机为控制的核心，利用多种传感器，最终实现对环境的温度、湿度、一氧化碳含量和PM2．5含量的实时数据采集、显示、警报、出现超标情况能发送到手机上。不仅能完成对环境的监测，还能减少人工监测出现事故的几率，甚至实现利用手机对制作现场环境的的远程监测[2]。

二、系统总体方案设计

本设计是基于单片机与GSM技术的环境监测报警系统，该系统是利用无线GSM技术进行监控，AT89C51单片机、SIM900A集成GSM短信息通讯模块、液晶显示屏等有机地结合在一起，构成一种功能先进、实用、成本低廉的环境智能监测报警系统。系统设计方案如图1所示，以AT89C51单片机为核心，单片机连接检测温湿度、PM2.5、一氧化碳的传感器，并将检测到的数据显示在LCD液晶面板上。按键设置温湿度、一氧化碳及PM2.5的上限值并在显示屏上显示，单片机将采集到的数据与设定值相比较，一旦超过上限值相应指示灯亮蜂鸣器报警，同时通过GSM模块向用户发送警报信息[3]。

三、系统硬件设计

(一)控制器的选择

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机，单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。AT89C51作为环境智能监测系统的核心部件，在接收系统各传感器检测的模拟信号的同时，还需要对信号进行处理，满足系统体积小、成本低廉、计算速度快以及接口数量要求，同时保证了系统的实时性、可靠性以及抗干扰性。

（二）传感器模块

1.温湿度传感器模块

图1 系统硬件整体设计

检测温度与湿度的模块采用温湿度一体化的数字传感器DHT11，该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。DHT11与单片机之间采用单线制串行连接，只需要一个I/O口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便，如图所示。

2.气体传感器模块

图2 温湿度传感器硬件连线图

气体传感器采用对一氧化碳气体灵敏度高，适合多种应用的低成本、寿命长的MQ-7传感器。其工作原理为采用高低温循环检测方式，低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中的一氧化碳浓度增加而增大，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体，使用简单的电路即可将电导率变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

图3 粉尘传感器硬件接线图

要使MQ-7工作，首先左侧三个引脚要全部接+5V电源，然后串联后，再经过一个5.1Ω电阻R7，最后接地，构成一个基本的工作电路。MQ端接的是A/D转换芯片输入端。如图3所示。

3.PM2.5检测模块

图4 粉尘传感器硬件接线图

粉尘传感器用的是夏普公司开发的GP2Y10，这个传感器其实是使用光敏原理来进行工作的，其内部的红外发光管和光电晶体管呈对角式分布。传感器硬件设备上有一个直径约为1CM的孔，可以通过检测当前环境流入该孔中的微粒含量确定当前环境中PM2.5的值，该传感器的工在零下10℃到零上65℃都可以正常工作，在工厂和家居中都能正常使用，这个传感器可负责检测PM2.5的值。

如图4所示，在本设计中的粉尘传感器，VCC和S端接电源，为整个传感器提供电源，其中的VLED、LED和LED-G端是控制传感器中的光敏系统，V0端是本传感器输出端，因为该传感器也是模拟量的输出方式，输出端不能直接接到单片机上，所以PM端接通的会是A/D转换芯片。

（三）GSM模块

系统中GSM模会选用的是SIM900A，有体积小，功能多，性价比高等优点，是一种比较常用的通信模块，SIM900A功能较多，但是在本设计中的主要功能是在警报时候对事先设定好的手机发送短信，短信内容为当前检测到的各项环境值的实时信息，所以有些引脚的功能并不需要用到。

图5 SIM900A硬件接线图

连线图如图5所示，SIM900A的工作电压低于5V的电压，所以5V的电源不可以直接接到SIM900A上，会导致模块的损坏，需要利用整流二极管1N4007和电解电容C4串联组成一个电路，能将电压控制在3.5V到4.8V内[5]。GND端接地，使SIM900A正常供电并且工作。通讯模块上的TX端为发送数据端，与单片机的RX端，也就是接收数据端连接，完成从通讯模块到单片机的数据传输。同理，通讯模块的RX接收端与单片机的TX输出端连接，完成从通讯模块到单片机的数据传输。这两对连接完成了单片机和通讯模块之间的数据交换。可以实现发送短信的功能。由于SIM900A其他引脚的功能并没有用得上，所以其他引脚全部悬空。

（四）液晶显示模块

本系统选用的显示屏为SMC1062A，是一款16×2个字符的标准型显示屏，工作电压为4．7V到5V，显示的字符尺位 2．95mm 到 4．35mm，再本次设计中用于把在当前环境检测到的各项数值显示在显示屏上，更直观的展现给用户。

显示屏的硬件接线图如图6所示。

图6 1062A显示屏的硬件接线图

VSS端和VDD端分别对应接上地线与+5V电源。保证显示屏的正常供电，同时BLA端和BLK端也分别接上+5V电源和地线，保证背光的正常工作。RS是数据/命令的选择端，本次设计需要的是选择数据，所以通过左侧由VCC、R6、R4、地的串联给RS端一个高电平。因为本次设计的读写会发生变化，所以R/W端必须是接通单片机的P2．7端。E端为使能端，直接接通单片机控制显示屏是否工作。D0端到D8端是用来控制显示屏所显示的详细内容，如图示对应接通单片机的 P0．0 到 P0．7，P2．5 和 P2．6 端。

四、系统软件设计

图7 主程序流程图

软件设计流程图如图7所示。程序开始执行时，首先对单片机及各模块进行初始化，通过键盘设置一氧化碳浓度、PM2．5浓度、温湿度的上限值，单片机通过I/O口连接各传感器检测环境一氧化碳浓度、PM2．5浓度、温湿度。当所测数据超过设置上限，蜂鸣器报警，同时通过GSM模块向用户发送报警信息。

五、结语

基于51单片机为核心，结合各传感器模块和GSM网络实现远程监测环境报警系统的设计，主要针对环境中的一氧化碳浓度、空气温湿度及PM2．5浓度进行实时监测。该系统硬件电路简单，操作简捷，成本低廉，运行稳定，具有很高的实用性。

[1]张正华,徐 杨,等．基于WIFI和电力载波的智能家居控制系统设[J]．无线电工程,2016,46(5)：9-11．

[2]刘 静,杨正校,等．基于WIFI的安卓智能家居控制与监测系统的设计[J]．软件,2014,35(6)：19-22．

[3]高晶晶,沈 娟,等．基于GSM的远程短信家电控制器的设计与研究[J]．电子世界,2016(5)：198．

[4]常亚兵,郑建立．基于ZigBee和GSM网络的智能家居系统的设计[J]．电子设计工程,2016,24(2)：132-134．

[5]张 毅,马钧元,等．基于Cortex和ZigBee的智能家居网关设计与实现[J]．电视技术,2012,36(1)：56-58．