一种空气环境检测仪设计

张宝 梁继俊 孙腾达 任靖宇 李丽 周伦

（1.淮南师范学院机械与电气工程学院 2.淮南第二十六中学）

0 引言

工业化发展带来的工业垃圾、白色污染、PM2.5超标等环境问题已经严重威胁到人的身心健康，尤其以新装修房屋为首的空气环境问题最为严重，对大家的健康有着极大的威胁[1-2]。当前空气质量检测系统的研究有了较大的发展，对于环境的检测初步形成了网状监测系统。设计由低性能、高价格向高性能、价格低等目标发展[3-5]。

本文主要以检测室内温湿度、有害气体等环境信息为目标，设计一款利用STC8952RC为控制芯片的简单易用、方便精准的环境检测仪，当污染程度超出标准范围时，就发出报警。此外本系统具有采样精准、小巧便利、简单易操作、功耗低等优点。

1 系统设计方案

设计的环境监测仪系统由单片机最小系统、DHT11温湿度检测模块、VOC气体检测模块、PCF8591模数转换模块、串口通信模块和LCD12864液晶显示模块还有电源模块等电路组成，系统框图如图1所示。

环境监测仪利用STC89C52RC单片机作为系统的控制核心，传感器实时采集数据，将温湿度、甲苯浓度、光照强度等自然界的模拟信号转换成可编辑的离散数字信号，将这些数字信号进行处理计算，并与设定值进行对比分析，将信息传送到LCD12864上显示。

图1 系统框图

2 硬件电路设计

2.1 主控电路设计

本设计采用STC89C52RC单片机作为微处理器，此单片机具精度高、功耗小、抗干扰强的优势，采取STC第九代加密工艺，同时兼容传统STC89C51代码，速度比传统89C51快12～18倍[16]。内部集成R/C时钟，在-40℃到+85℃下只有±1%温度偏差，常温下温漂±0.6%。

2.2 复位电路设计

在单片机电源管脚接10μf的电容，使输入电压更加平滑，避免单片机长时间工作在高供电电压的环境下。当复位按键按下时，单片机RST管脚接收到高电平，持续3到4个机器周期单片机复位。由于单片机放电的瞬间，电容两端的电压不能突变，随着时间的推移，电源对电容的充电，电容两端的电压就会由零变高，连接在单片机复位管脚的电压就会由高变低直到为零，此时单片机正常工作，电路如图2所示。

2.3 温湿度采集电路设计

本设计实时采集温度和湿度信号电路使用DHT11模块，如图3所示。温湿度传感器DHT11有四个管脚，1管脚连接电源的正极5V电压，2管脚为数据传输口，连接单片机的P26管脚，用于单片机单向采集温湿度数据，3管脚悬空，4管脚连接地。单片机根据温湿度传感器发送数据的协议读取DHT11数据并进行处理与控制。湿度的采集原理和温度的采集相同。

DHT11传感器可采用PWM驱动和模拟量输出驱动两种方式，本设计使用模拟量输出驱动方式，供电电压为5V，Pin26（VADJ）为模拟量输入引脚，温湿度采集电路接线如图3所示。

图3 温湿度采集电路接线图

2.4 PCF8591模数转换电路设计

采集光照强度电路采用光敏电阻与一个10k百分之一精度的电阻分压。电路如图4所示。光照强度与光敏电阻的阻值成反比例关系，当光照强度增加时，光敏电阻变小，根据光照强度变化引起的电阻电压变化传送到PCF8591中，再将采集的电压值存放在PCF8591内存中，单片机通过IIC协议将光照强度的AD值读取，再经过处理运算得到光照强度值。

图2 MCU与外围接线图

图4 模数转换电路图

2.5 气体检测模快

系统选用VOC气体检测传感器，该模块是一款使用气体化学反应与电信号之间的非线性变化关系已校准数字信号输出的传感器，传感器通过电信号的变化将对应气体的浓度体现出来，单片机根据电压信号的变化计算出空气中的甲苯浓度。

3 软件设计

各测试模块的测试流程大致相同，由于篇幅原因，在这里只介绍温湿度监测模块的测试流程。

系统首先对程序进行初始化配备，当系统检测到温湿度信号，通过LCD12864显现显示实时温湿度值；如果没检测到温湿度信号，系统重新采集信息，并通过LCD显现显示“温湿度正在检测”。检测到温湿度信息后再进行判断当前值和设定值的关系，判断当前状态是否符合标准，如果信号在正常范围内，不发出报警，需要获取语音播报时，通过开关按键获取；如果检测到的值超标，经由通过串口对QJ008语音播报模块发送相应的指示，发出声音报警，系统流程如图5所示，图6为设计出的检测仪产品实物图。

4 试验测试

本实验分别对环境中的温湿度、光照度含量进行测试。测试环境分为晴天、阴雨天；白天、夜晚。参照数据分别选用优利德UT332数字温湿度计、优利德UT382数字式照度计等仪器采集。测试数据如下表所示，通过数据可以看出相对误差较小。

图5 系统流程图

图6 产品实物图

表 试验测试数据

5 结束语

本文设计了一种基于单片机的环境检测仪，该检测仪可以实现对空气中的温湿度、光照度以及甲苯含量进行测试，整个系统结构简单、抗干扰能力强、精度高、成本低、体积小等，具有推广使用价值。