一个实验室环境监测系统的设计与实现

韩旭

摘要：为了进一步保证实验室安全，实时掌握实验室内环境参数动态，文章设计了一款基于AT89C52单片机的实验室内环境监测系统。该系统的硬件组成主要由STC89C52、LCD1602液晶显示屏、DHT11温湿度传感器、可燃气体传感器、热释红外传感器、蓝牙模块、继电器以及蜂鸣器等组成。系统工作时，通过相应传感器实时获取数据，然后通过液晶显示屏显示。当获取数据超出控制范围，控制模块自动调控温度。当获取数据超出报警范围后，系统会进行报警。还可以通过蓝牙模块在手机上获取当前测量数据。为实验室环境监测提供了重要数据，提高了实验室的安全性。

关键词：环境监测；单片机；控制；蓝牙模块

中图分类号：TP273     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）13-0094-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

高校实验室是高校中教学和科研的重要场所，实验室内的环境对人的健康、实验数据和实验室安全都有着极其重要的影响[1-2]。所以在实验室中对实验室环境进行监测是必不可少的，它是保证实验课程有效進行以及实验数据科学准确的首要条件，研究实验室环境监测系统室一项重要工作[3]。

1 系统功能需求分析

本系统需要实现实时地对室内的环境（包括甲烷等可燃气体、温度、湿度）进行测量，然后进行显示。当温湿度的值超过控制范围时，系统能够对空调、加湿器等进行控制。当可燃气体浓度、温湿度的值超过报警范围时，系统能够进行报警提示。还可通过蓝牙在手机上查看系统测量数据。

2 系统硬件选择与电路设计

该系统硬件电路采取模块化设计，由单片机最小系统、显示模块、热释红外传感器、可燃气体传感器、温湿度传感器、蓝牙、控制、报警及按键模块组成。系统结构如图1所示。

2.1 系统硬件功能分析

系统通过温湿度传感器模块、可燃气体传感器模块从室内获取数据，然后经过处理后由1602液晶显示模块实时显示这些数据。同时，系统会将这些数据与预设值进行比较。如果超出控制预设值的范围，系统会通过控制电路对室内环境进行控制。如果控制电路出现故障，数据超出报警值，系统会通过报警电路进行报警，等待人工处理。按键电路可以对预设值进行修改。该系统还配备了蓝牙模块，可以在手机App方便地查看系统测得的数据。

2.2 硬件电路设计

该系统选用STC89C52作为系统的CPU。为了保证给液晶显示电路提供电压的稳定性，在正负极之间加电容，以提高液晶显示电路工作的可靠性。电位器RV1可以调节液晶显示的清晰度。

检测模块主要由温湿度传感器与可燃气体传感器两部分组成。该系统选用的温湿度传感器为DHT11，主要测量室内温湿度，温湿度测量模块电路如图2所示。电容C5是为了保证系统给模块提供电压的稳定性。LED2是模块电源指示灯，用于判断模块是否供电，方便后期系统故障排查。5K的上拉电阻是为了增加传感器输出信号的强度，防止传感器离单片机较远，数据传输过程的能量损耗而使单片机接收不到传感器的信号。

可燃气体传感器是通过利用某些材料自身的电阻率会随着可燃气体的浓度而发生变化的现象，将可燃气体的浓度变化转换为电信号的一种器件[4]。该系统选用的可燃气体传感器为MQ-2，主要用于检测室内的可燃气体浓度。其电路如图3所示。电容C6是为了保证系统给模块提供电压的稳定性。LED3是模块电源指示灯，用于判断模块是否供电，方便后期系统故障排查。Lm393是一个电压比较器，当3处电压高于2处时，1处就为高电压，否则为低电压。RV2用来模拟气体传感器的敏感元件，RV3可以调节气体传感器的灵敏度。D4为信号灯，用于直观观察信号的传输。

在控制电路中，因单片机引脚的输出电流较小，不足以直接驱动继电器，所以采用三极管来驱动继电器。采用NPN型三极管来驱动继电器时，高电位导通，系统在刚上电的时候，单片机程序未运行，所有引脚默认处于高电位状态，继电器会出现通电瞬间吸合误动作，此时系统所有继电器同时吸合，所需电流突然增大，可能导致系统无法启动或者控制紊乱等状况，对系统的正常运行造成极大的影响。故此处采用PNP三极管来驱动继电器，能够有效避免上述状况，极大地提高了系统正常启动的可靠性和控制的有序性。控制模块电路如图4所示。

报警电路主要负责整个系统的报警，该电路由蜂鸣器、LED、三极管（PNP型）和两个电容组成。该系统采用声光报警，用三极管来驱动。此时三极管相当于电子开关。为了防止系统刚上电，程序还未运行，报警电路就开始报警的情况，此处特别选用PNP型三极管对报警电路进行驱动。

蓝牙模块与单片机进行通信时，为了保证通信的正常进行，蓝牙模块的RXD引脚必须接单片机的TXD引脚，TXD引脚必须接单片机的RXD引脚。

3 系统软件设计与实现

3.1 主程序设计

系统软件主要由主程序、测控程序、报警程序和参数设定程序组成。其中主程序包括背光函数、热释红外传感器函数、按键程序函数和模式选择函数，系统在主程序中完成初始化、初始显示，背光函数控制液晶显示器的背光，在5S之内无人操作时，单片机关闭背光，实现更低功耗。热释红外传感器函数主要是检测系统附近是否有人，当有人时，能够将显示器背光打开，方便查看系统测量数据。按键程序函数主要用于改变模式变量的值，进而使系统进入不同的模式，然后模式选择函数根据模式变量的值进而选择执行不同模式的程序。主程序流程图如图5所示。

3.2 测控程序设计

测控报警程序主要功能就是室内温度湿度的测量、显示和控制，是整个系统功能实现的主要函数。主要由两部分组成，第一部分为初始界面显示函数，每次模式切换后只执行一次，主要显示该模式下不变的信息，避免频繁刷新加大单片机的工作量，降低单片机的工作效率。第二部分包括温湿度接收函数、温湿度显示函数、控制函数。

温湿度接收函数主要实现温湿度传感器对温湿度进行测量，然后将所测得的数据进行接收，保存在温湿度变量中，方便单片机后期对温湿度数据的处理。显示函数主要将温湿度传感器及气体传感器测得的数据显示。控制函数首先将所测温度与湿度下限值比较，当温度小于下限值时，给控制变量赋相应的值，并打开低温控制继电器进行升温，当温度大于等于下限值时，再将温度与上限值进行比较，如果温度大于上限值，则给控制变量赋相应的值，并打开高温控制继电器进行降温，如果温度小于等于上限值，则给控制变量赋相应的值，并关闭低温、高温控制继电器。在控制函数中利用软件互锁控制高温与低温控制继电器，从而提高系统的工作效率。湿度控制同温度控制。

3.3 报警程序设计

报警程序主要包括报警预处理函数、报警函数和报警显示函数。报警预处理函数将当前温湿度数值与报警预设值进行比较并将比较结果赋值给报警变量。报警函数主要是根据报警变量数值来确定是否报警。报警显示主要是根据报警变量将是否报警、谁报警、高温（湿、浓度）报警或是低温（湿）报警等信息通过相应指示灯显示，方便人们在得到报警信息后能够快速准确地去处理。

4 系统实现

系统经过调试，能够完成以下几个方面：1） 液晶屏上显示的内容清晰可见；2） 使有害气体浓度接近报警值时，传感器就能够给单片机信号；3） 当人靠近传感器的时候，热释红外传感器能及时给单片机发送信号；4） 蓝牙模块能保证手机App通過蓝牙串口能够与单片机进行正常通信； 5） 温湿度超过相应控制值，能够自动进行调节，温湿度和气体浓度任意量超过报警阈值，系统能够报警。实验室环境监测系统的实现能够有效地监测实验室内环境参数，为实验室安全稳定运行提供了保障。

参考文献：

[1] 申建军.高校实验室安全管理系统设计[J].山东化工，2022，51（23）197-200.

[2] 荀磊.“云-管-端” 架构下实验室环境监测系统设计与实现[J].江苏工程职业技术学院学报，2022，22（2）：1-6.

[3] 郭向前，段金英，张锐.基于LabVIEW的高校实验室环境监测系统的设计[J].自动化应用，2016（6）117-118.

[4] 王静.基于STC89C52单片机的智能家居监测器设计与实现方案[J].现代信息科技，2022（1）：175-178.

[5] 邓圆，李佳佳，何秋元.基于STC89C52的智能窗户设计[J].电脑知识与技术，2020，16（13）：206-207.

【通联编辑：闻翔军】