简易室内温度及空气质量监测系统设计

　　摘要：室内温湿度及颗粒物浓度是人们日常生活中密切关注的空气指标，系统通过DHT11温湿度传感器采集室内的温湿度信号，再通过GP2Y1010可吸入肺颗粒物浓度检测传感器进行室内空气质量的数值检测，如果PM2.5值超出上限将报警。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/280687.htm

　　关键词：单片机；温湿度传感器；温控算法；PM2.5检测

　　DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.9.010

　　引言

　　室内环境的温度、湿度和可吸入肺颗粒物浓度是人们日常生活中十分关心的室内空气质量的指标。现今健康成为越来越多的人关注的话题，但是由于我们周边生活环境的日益恶劣，尤其是雾霾天气的加重，PM2.5值不断提高，有效监测手段非常必要。

　　本文所设计的简易的空气质量监测系统可以实时地监控房间内的温湿度，对可吸入肺颗粒物的浓度检测值，在被测定之后，如果超过其最高限定值则会报警以提示。

　　1 系统总体设计

　　整个设计需要完成温度传感器电路的制作和传感器布局，核心控制器的选型及电路设计，设计可行的温度控制算法（可以基于PID或者模糊逻辑），设计多点温度数据的采集及转换、温度实时显示电路、空气质量监测及悬浮物测量的基本方案，并进行硬件选型和空气质量基准标定等。

　　为了满足上述设计要求，选择STC89C52RC型单片机，使用多个DHT11温湿度传感器来实现多个地点采样温湿度的工作，辅以GP2Y1010型可吸入肺颗粒物传感器，用来检测环境中可吸入肺的颗粒物的浓度，最终通过LCD1602液晶显示屏进行温湿度和可吸入肺颗粒物浓度的检测值的显示，不同控制模式下使用不同方式设定标准温湿度值，通过PID控制温度控制算法来实现温度的控制，并且对可吸入肺颗粒物的浓度也设定一个上限值，如果超过上限值就进行报警。

　　2 温度传感器的选择

　　目前使用的数字量输出的传感器有两种，即DS18B20和DHT11。

　　方案一：DHT11温湿度传感器。

　　DHT11温湿度传感器有5V左右的工作电压，可以检测的温度范围为0℃-50℃，并且可以在该温度的范围内进行湿度的测量。这种传感器采用数字信号输出。

　　方案二：DS18B20温度传感器。

　　DS18B20也有5V工作电压。分辨率调整范围为9至12位。其温度测量范围从-55℃至+125℃，同样也是数字信号输出，但不能同时进行温度和湿度两种所需指标的检测。

　　由于传感器需要在多点测量温湿度的实际情况当中进行应用，而DS18B20只能实现对一种指标进行测量，且多点测量的情况下，还需要单纯的测量湿度的检测器件，这样会增加成本和诸多设计上需要考虑的问题，因此结合应用需要选择DHT11更为方便。

　　3 空气质量传感器模块的选择

　　要进行室内空气质量的检测，通过对比和筛选初步选择了M205型空气质量模块和GP2Y1010可吸入肺颗粒物浓度检测传感器模块两种，下面具体对两种模块进行详细的比较。

　　方案一：M205型空气质量模块。该模块的优点在于其内部具有现在技术非常成熟的片式厚膜半导体气敏元件，对空气中的各类的易燃类气体比如氢气、一氧化碳、酒精等气体比较敏感。但该类模块存在一定的危险性，不适合室内温、湿度监测。

　　方案二：GP2Y1010可吸入肺颗粒物浓度检测传感器模块。这是运用光学原理来检测的可吸入肺颗粒物检测传感器，该类传感器模块的工作原理是由于空气中的光线强度受尘埃颗粒的影响比较明显，通过加载一个光学传感器模块对光线的强度做出感应，从而得出浓度检测的数值。尤其是可以有效地检测到像香烟烟雾般非常细的颗粒。该传感器的工作方式为通过检测空气中粒子半径为0.5微米的颗粒数量，具有相当高的稳定性和灵敏性。

　　对于本方案，是在室内中央空调环境下的温湿度及空气质量监测，通过上述的比较，GP2Y1010的测量精度和各方面特点更加符合设计的要求。

　　4 系统硬件设计

　　4.1 总体结构

　　前面的论证将系统方案和各个模块的选用方面都进行了具体的分析，于是，在以上各个模块元器件选定基础之上，可初步画得本设计系统结构如图1所示。

　　4.2 DHT11温湿度检测模块

　　其中DHT11温湿度检测模块和GP2Y1010型可吸入肺颗粒物浓度检测模块采集完信号后，均传入STC89C52RC进行信号的处理，接着测量的温湿度数值和温度设定值以及可吸入肺颗粒物浓度即PM2.5的数值通过LCD1602显示出来。

　　DHT11的外观实物图如图2所示。

　　DHT11共有4个引脚，其中将四个引脚编号为1号、2号、3号和4号。1号名称是VCC，是电源引脚，正电源输入且可输入3V至5.5V的直流电压，本设计具体应用的是+5V直流电源；2号引脚名称是Dout，是输出引脚，在输出类型上是单总线数据输出/输入引脚；3号引脚名称是NC，是空脚，扩展未用；4号引脚名称是GND，是接电源地的引脚。

　　4.3 GP2Y1010型粉尘传感器

　　可吸入肺颗粒物浓度检测传感器模块选用的是夏普公司的GP2Y1010AU0F，该模块是使用感光原理工作的，其中有一个红外发光二极管和一个光电晶体管对角布置。如图3所示，通过产生一定时间长度、一定电压值的脉冲信号，即检出灰尘浓度。采样信号出现高脉冲之后经过一定的延时再进行采样，数据稳定可靠，输出的信号有0.28ms的上升时间，避免在这个时间段，对输出脉冲进行采样。

　　一般情况下，香烟的烟粒子细微、密度高，会大范围漂移并呈扩散式。与此相比，灰尘颗粒分散且大，密度低，断断续续通过的检出区。烟输出电压是连续的，灰尘则是间隔的。

　　可吸入肺颗粒物浓度检测模块即PM2.5模块的输出电压与灰尘浓度的曲线存在分段的近似线性。将相近的数学函数表达式，编入程序，即可和搭建的硬件模块进行室内环境可吸入肺颗粒物浓度的检测。

　　本设计的GP2Y1010模块电路图如图4所示。其中2SC2815型的NPN管是为了增加GP2Y1010的3号引脚LED的驱动能力，2SC2815型的NPN管基极引脚。P35号接线，是连接2SC2815的NPN管的基极与单片机的15号引脚的接线，即为GP2Y1010提供输入脉冲，GP2Y1010的模拟输出接一个20K的电阻，直接给模数转换器PCF8591，又因为单片机也用的是+5V直流电压，所以其6号引脚不需要接分压电阻即可。

　　4.4 A/D模块的设计

　　本系统中由于GP2Y1010是模拟信号传感器，所以这个部分的转换需要A/D模块，本设计选择用PCF8591这个8位的多位模拟输入单片集成芯片。PCF8591是8位的单片获取数据的器件。其中1号引脚、2号引脚和3号引脚可用于硬件编程，均为地址引脚，其上的信号是通过I2C总线，传输方式为串行。

　　具体的本设计的模数转换模块的电路就如图5所示。

　　其中，PCF8591芯片的1号引脚接PM2.5检测的模块GP2Y1010的模拟输出端，9号、10号引脚则用来与单片机相连。

　　5 软件设计的总体结构

　　Keil C51是本次设计编写软件程序应用的工具软件。为了调试程序时比较方便，对整个设计的软件分模块进行了编程，其中室内温度及空气质量监测系统的软件总体结构包括温湿度数值采集子程序、可吸入肺颗粒物浓度采集子程序、液晶显示子程序、键盘扫描子程序、输出控制子程序，具体结构如图6所示。

　　6 小结

　　本设计将室内空气温湿度的检测信号、空气中可吸入肺颗粒物浓度即PM2.5数值的检测信号通过单片机进行处理后，在LCD1602液晶显示屏上进行显示。可吸入肺颗粒物浓度值即PM2.5值超上限设定值时的报警功能，通过软件与硬件中的蜂鸣器相结合来实现的。

　　设计实现了多点温度的采集和实时的显示，通过可行的温度算法及支持人工与智能两种温控模式，完成了可吸入肺颗粒物浓度及PM2.5的数值的检测模块的基本方案和硬件选型。

　　参考文献：

　　[1]陆荣鑑，李品，孙周.SHT10传感器在温湿度监测系统中的应用[J].传感器与微系统，2012，31（9）：136-138

　　[2]褚洪涛，阎波.基于ZigBee无线传感器网络的监控系统设计与实现[J].电子设计应用，2009，(8)：52-54.

　　[3]李华，MCS-51系列单片机实用接口技术.第1版[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993

　　[4]刘淑荣，丁录军.基于单片机控制的温度智能控制系统[J].微计算机信息，2003年第7期：119-120

　　[5]李玉梅.基于MCS-51系列单片机原理的应用设计[M].北京：国防工业出版社，2006.5：100-104，181-202

　　[6]李戍，陈建辉.温室温湿度控制系统[J].微计算机信息，2003，(1)：73-75

　　刘华 鹿馨方 李珺煜