基于单片机的家居空气质量监测系统设计

(山东协和学院机电工程学院 山东 济南 250000)

一、引言

随着社会的发展,人们对周围生存环境的质量状况越来越重视，而家装过程中产生的甲醛等有害气体超标很难被人体感受到，但他们对人体的伤害却是很大的，如果不能做出及时的应对，长期超标的室内空气污染必定会带来难以处理的后果[1-3]。基于此需求，通过基于单片机的空气质量监控系统设计，终端采用单片机作主控制器，结合传感器检测模块，LCD显示模块等实现家居空气有害气体的实时监控和预警，从而帮助人们及时了解和评价家庭环境空气质量状况,以便采取有效措施进行预防和控制[4-6]。

二、系统的总体设计

基于单片机的家居空气质量监测系统集采集、处理、报警和显示于一体，利用MCU对数据进行处理，确保数据的实时性和准确性，有利于进行全面评定。系统以STC12C5A60S2单片机为控制中心，由一氧化碳和甲醛传感器、烟雾传感器、温度传感器和时钟显示模块，检测到的家居环境空气参数经过单片机处理后，在LCD1602液晶显示屏上显示。

(一)系统组成框图

家居空气质量监测系统的组成框图如图1所示，系统主要STC12C5A60S2中央处理单元、液晶显示模块、传感器模块、用户输入模块、报警模块(5V蜂鸣器)、时钟模块和供电模块等组成。

图1 家居空气质量监测系统组成框图

(二)系统功能设定

使用LCD1602显示屏，循环显示家居环境中的温度值、烟雾浓度和实时时间，系统时间可以通过按键设置。

采用蓝、黄、橙、红四色LED灯显示空气质量等级，便于直观显示家居空气情况。

当烟雾浓度超过设定的报警值时，蜂鸣器发出报警信号，报警值可以通过烟雾传感器模块电位器调节。

三、系统的硬件设计

(一)系统原理

家居空气质量监测系统以STC12C5A60S2单片机为主控。空气中烟雾、CO和甲醛等有害气体通过烟雾传感器和一氧化碳、甲醛传感器后，输出与气体浓度相对应的电压信号，经A/D转换后转换为对应的数字信号，并送入单片机进行数据的采集和处理。单片机完成数据处理后，驱动LCD显示屏模块显示烟雾浓度，并控制四色LED灯显示空气质量等级。如果烟雾浓度超过预设的报警值，则驱动蜂鸣器发出报警信号。为便于实时显示和测量温度，加入系统时钟模块和温度传感器模块，进一步完善监测系统的功能。

(二)中央处理单元

中央处理单元采用STC12C5A60S2微处理器，进行数据采集、计算、处理后生成实时时间、温度烟雾浓度和空气质量等数据结果显示于LCD屏，并将烟雾浓度数据结果与报警值进行对比。STC12C5A60S2单片机的低功耗、高可靠性，在嵌入式控制系统中具有广泛应用。其性能包括：片内Flash程序存储器，擦写次数在10万以上；两个独立串口；高速10位A/D转换器，8通道；可以兼容8051。

(三)传感器单元

传感器单元采用DS18B20温度传感器模块检测室内温度，该传感器体积小、功耗低、易与微处理器连接等特点。采用MQ-2烟雾传感器模块检测烟雾浓度，工作电压5V，需30s预热后读取模拟输出电压，可通过电位器调节报警值，顺时针变大、逆时针变小。

四、监测系统的测试

家居空气质量监测系统Protues仿真电路图如图2所示。

图2 家居空气质量监测系统Protues仿真电路图

通过简单硬件模块的连接和软件C语言编程，基本实现了系统的预期功能。LCD1602显示屏实时显示时间、温度和烟雾浓度数值(如图3所示)，当烟雾浓度超过报警值，蜂鸣器会发出报警信号。CO、甲醛等家居空气主要污染气体的浓度不通过LCD1602屏显示，而是直接显示于四色LED灯，便于观察。

图3 LCD显示数据

五、结论

设计的家居空气质量监测系统能够实现家居空气的基本监测，对人身安全起到预防保护的作用。因此，市场前景广阔、推广价值高。但系统仍存在很多不足之处，有待进一步完善，且具体硬件电路的实现有待进一步完成。

【参考文献】

[1]吴宁,尚坡历,蔡卓恩.基于单片机的室内空气检测及净化系统研究与设计[J].自动化与仪器仪表,2015,184(2):105-106.

[2]孙巧明.室内环境空气污染与防治对策研究[J].安徽预防医学杂志,2004,(4):65-68.

[3]谌永华,刘沂玲.室内空气污染及其检测方法[J].化学分析计量,2004(6).