低功耗单片机为主芯片无线环境监测系统

摘要

　　我们知道温湿度和有害气体浓度是标定环境不可或缺的参数，对其准确的测量具有重要意义。本系统是针对人们的长期居住场所或者工作场所的室内空气质量而设计的。

　　本文以室内环境监测为背景，设计出以 STC12C5A60S2 低功耗单片机为主芯片的无线环境监测系统。系统包括三个模块：第一是数据采集模块，其主要包括两个内容,温湿度采集和甲醛浓度采集。温湿度的测量采用数字式温湿度传感器 DHT21，单总线输出40 位数字量给单片机，经过数据处理，通过 SPI 接口传输给无线发送模块后将数据发送出去。甲醛浓度测量采用 MS1100 传感器，MS1100 采集模拟信号输出送入 STC12C5A60S2，单片机进行模数转换，经数据处理后得到数字量测量值。

　　第二是无线传输模块，传输模块有两个内容：数据采集模块的传输数据和数据接收模块的接收数据。两个模块都是采用 NordicVLSI 公司推出的单片机射频收发器 nRF905 作为主控芯片。nRF905具有接收发功能合一的特性，经软件编程，根据需要可实现其接收发的功能。

　　第三是数据处理显示模块，其主要内容是接收模块经 nRF905将数据接收，并传给接收模块处理器，STC12C5A60S2 处理数据后送显示。显示模块是由 1602LCD 液晶来完成，实时显示出温湿度和甲醛浓度的值。同时本模块还加入了报警模块，当温湿度值和甲醛浓度值超过标准值时，蜂鸣器报警以提醒人们采取必要的措施，避免空气污染对人体产生危害。

　　本系统软件设计采用 C 语言编写，完成室内温湿度和甲醛浓度的测量，并实时显示出来。系统性能指标：温度测量范围-40～80℃，精度为±0.5℃；湿度测量范围 0～100%RH，精度为±3%RH；分辨率为 0.1；本系统体积小、低功耗，可进行远距离数据无线通信，工程造价成本低，可靠性高。很适合室内环境参数的监测，有很好的市场应用前景。

　　关键字：单片机；温湿度传感器；甲醛传感器；无线传输

Abstract

　　We know that the temperature and humidity and concentration of harmful gases is essential to calibrate the parameters of the environment， that has important significance for its accurate measurement. This system is designed for people's long-term place to live or indoor air quality in the workplace.

　　In this paper, in the background of the indoor environment monitoring, we designed a wireless environmental monitoring systems which uses the STC12C5A60S2 chip low-power microcontroller-based .System consists of three modules: the first is the data acquisition module, which includes two content, temperature and humidity acquisition and formaldehyde concentration acquisition. The measurement of temperature and humidity using digital temperature and humidity sensor DHT21, single bus 40 digital output to MCU, after data processing, the data will be sent out after they are sent to wireless transmission module through the SPI interface. Formaldehyde concentration measured by the sensor MS1100, MS1100 acquisition analog signal output into STC12C5A60S2, single-chip analog to digital conversion, digital quantity measurement values obtained after data processing.

　　The second is the wireless transmission module, transmission module has two elements: Data transmission of data acquisition module and data reception module receives data. Both modules are using Nordic VLSI's single-chip RF transceiver nRF905 as main control chip.nRF905 unity with the characteristics of transmitting and receiving functional through software programming, according to the need can achieve its function. The third is a data processing display module, whose main content is receiving module receives the data via nRF905 and pass receiver module processor, sent to the display after STC12C5A60S2 processing the data.

　　Display module is accomplished by 1602 LCD, real time display the values of temperature and humidity and the concentration of formaldehyde. Meanwhile, the module also joined the alarm module, when the temperature and humidity values and formaldehyde concentration exceeds the standard value, the buzzer alarm to remind people to take the necessary measures to avoid air pollution on human harm.

　　The system software design using C language, complete the measurement of indoor temperature and humidity, and the concentration of formaldehyde, and displayed in real time. System performance indicators: Temperature measurement range -40 ~ 80 ℃, accuracy of ± 0.5 ℃; Humidity measuring range 0 ~ 100% RH, accuracy of ± 3% RH; resolution is 0.1; The system is small, low power consumption, long-distance wireless data communications, low project cost, high reliability. It is suitable for monitoring indoor environmental parameters, there is a good market prospect.

　　Keyword:SCM;temperature and humidity sensor;formaldehyde sensor;wireless transmission

　　随着社会的发展，环境问题逐渐成为人们关注的焦点，尤其是近几年来的空气污染问题令人担忧。空气污染已经成为我国现在亟需解决的一大难题，从雾霾天气每年天数不断增加就能看出，我国空气环境污染已非常严重，人们外出需要带口罩来防止吸入雾霾空气中的有毒成份。人们需要一直生活在空气中，而且人类的大部分时间是在室内度过，所以室内空气质量的状况直接关联着人们的健康，特别是身体虚弱的人，他们在室内的时间更长，比如医院的病人，很长一段时间都会一直在室内活动。因此我们要加强对室内环境的监测和改善，为提高国民的健康做出一些实际应用的电子产品，从而提高人们的生活质量。

　　随着社会的进步，人民的生活质量和居住条件不断提高和改善,尤为重要的是人们更重视自己的居住环境，为了改善自己的居住条件，人们做了很多措施，室内装修、外观漂亮的家具等等。然而，令人们意想不到的是这些看起来是改善居住条件的措施实际上对自己的居住环境产生了不容易发现的空气污染。而且这种空气污染对人体会造成很大的危害。国家有关部门对室内的家具等装饰视频进行调查，竟然有 68%的家具材料是污染源，这些室内装饰品能挥发出数百种有毒气体，包括甲醛、笨、氨、放射性氡等，这些有毒气体进入到人们居住的地方后，根据污染程度的不同，对人体产生的危害也不同，单是这些危害都不容忽视。室内有毒气体污染现在已日益受到重视。其中最普遍也是最严重的一种室内有毒气体就是甲醛[1]，有多个案例表明甲醛给人们带来很大的危害，特别是对儿童的危害更为严重。室内甲醛毒气的主要来源有新装修的房子的原材料，家具的油漆以及其他家具材料，以及新建的建筑物[2]，这三种情况不但能产生甲醛，而且还能产生苯系等多种有毒气体。因此人们对室内有毒气体的污染也日渐重视起来。

　　环境问题关系着我国乃至全世界可持续发展问题，所以我们国家也越来越重视空气污染给人们带来的不便和危害，尤其是人们长期居住的室内场所，比如学校、医院等。为此我们国家有关部门包括卫生部、国家环境保护总局等有相关责任的部门相继推出了一系列室内环境标准和规范。其中《室内空气质量标准》[3]这项标准是在 2002 年发布的。在该标准中，明确规定了室内环境的相关参数的标准值，比如温湿度，光照，有毒气体，以及空气中的细菌总数等。同时我国国家质检检验检疫总局和建设部于 2001 年 11 月发布了《民用建筑工程室内环境污染控制规范》[4]，并经过了几次修订，规范中说明人们需要对室内污染物（甲醛、氨、苯、总挥发性有机物和氡等）进行估量，以了解自己所居住的室内环境质量如何，防范室内环境污染带来的危害。标准中不但给出环境质量参数的标准值，同时也给出了相关的测量方案，为特定场合实施有效的环境监测提供了明确的依据。

　　在国内，因受经济技术发展水平的制约，我国环境监测系统发展缓慢，监测设备和技术比较落后，自动化程度较低。但是随着科技的发展和人们在观念上的日益重视，我国对于环境监测系统的研究日益增多，相关的应用产品也不断出现。

　　例如：大连交通大学姚营营以 MSP430F449 为基础，通过安装 DS18B20 和 HS1101以及光照度传感器设计了环境监测仪，该检测器方便携带，监测准确，响应速度快[6]。沈阳工业大学杨晨基于 ARM11 和 Linux 的室内环境监测系统的设计与现实[7]，论文以 ARM11 为核心，加入 DHT90 温湿度传感器，BH1750 光照强度传感器，还有 DSM501A 尘埃颗粒传感器等模块，实现了一个手持便携的环境监测仪。吉林大学刘威设计的基于 DS18B20 和 nRF9E5 的多点无线测温系统[8]，系统采用高精度数字温度传感器DS18B20和无线传输模块nRF9E5来进行数据采集和数据传输。

　　还有西南交通大学王绍杰的列车车厢环境监测系统设计与实现[9]。由此可知，现在国内对环境质量监测的研究正如火如荼。这些系统的设计大都是基于单片机的，有一定的研究意义和实用价值。

　　在国外，环境监测领域的研究较为领先，相关产品的应用较为广泛。Chao-Tung Yang 等人就针对医院的室内空气质量（IAQ），提出一种智能空气质量监测系统[10]。S.Zampolli 等人设计的基于固态传感器阵列的低成本室内空气质量监测应用电子鼻[11]。Jeonghwan Hwang,Changsun Shin 等人研究了了一种基于无线传感网络的农业环境监测系统[12]。飞利浦公司也在生产有关环境优化方面的产品，他们主要是研发和生产室内环境监测净化设备，主要用来净化室内空气，该设备能有效地去除室内相关的有害气体，比如甲醛、过敏原等，同时还有加湿过滤细菌等功能，对改善室内空气质量很有帮助。GE 传感器与检测科技公司也生产出一些监控室内环境参数的设备[13]，使用这些设备可以很简便的监测出室内环境参数。

低功耗单片机为主芯片无线环境监测系统：

系统实物图

TH101B 温湿度计

MS1100 气体传感器原理图

nRF905 模块引脚图

1602 与 MCU 连接电路图

目录

　　摘要
　　Abstract
　　目录
　　1 绪论
　　　　1.1 课题研究的背景和意义
　　　　1.2 室内环境监测系统研究现状
　　　　1.3 论文研究的主要内容
　　　　本章小结
　　2 室内监测系统的总体方案设计
　　　　2.1 系统的总体设计的基本思想
　　　　2.2 系统总体架构
　　　　2.3 系统软件开发环境
　　　　本章小结
　　3 系统器件选择方案
　　　　3.1 单片机选型
　　　　　　3.1.1 单片机简介及其引脚介绍
　　　　　　3.1.2 STC12C5A60S2 单片机内部结构
　　　　　　3.1.3 复位电路和时钟电路
　　　　3.2 温湿度传感器选型
　　　　3.3 甲醛气体传感器选择方案
　　　　3.4 无线模块器件选择方案
　　　　3.5 液晶显示器件选型
　　　　　　本章小结
　　4 系统硬件设计
　　　　4.1 温湿度采集模块电路设计
　　　　4.2 甲醛气体采集模块电路设计
　　　　4.3 无线收发模块电路设计
　　　　　　4.3.1 nRF905 无线射频收发模块的管脚介绍和电气参数说明
　　　　　　4.3.2 nRF905 的工作方式
　　　　4.4 液晶显示模块电路设计
　　　　本章小结
　　5 系统软件设计
　　　　5.1 软件设计总体架构
　　　　5.2 温湿度传感器模块程序设计
　　　　5.3 甲醛传感器模块程序设计
　　　　5.4 无线模块程序设计
　　　　　　5.4.1 nRF905 配置寄存器
　　　　　　5.4.2 发送模块程序设计
　　　　　　5.4.3 接收模块程序设计
　　　　　　5.4.4 数据显示程序设计
　　　　本章小结
　　6 实验及结论
　　　　6.1 实验数据分析
　　　　6.2 结论
　　　　本章小结
　　参考文献
　　致谢
　　攻读硕士学位期间发表的学术论文
　　附录 A 硬件原理图

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