单片机基础之上的室内空气质量监控系统设计详解

摘 要

室内的温度和湿度是两种最基本的环境参数，与人们的生活环境息息相关，监控温湿度可以更好地控制我们的生活环境[1]。而甲醛是一种原生质毒物，对人体健康的危害具有长期性、潜伏性、隐蔽性等特点，它无处不在，不仅在新装修的家里也在各种的生产车间，因此为了人们的身体健康设计了一款基于单片机的温湿度及甲醛浓度监控系统[2]。
本设计利用单片机控制功能结合传感器检测功能，提出一种以单片机为主控单元的空气质量监控系统。它的主要功能实现是通过温湿度传感器进行检测，并使数据显示在LCD屏上[3]。此设计通过按键设置温湿度和甲醛浓度的限值。低于湿度设定值时启动雾化片实现加湿功能，高于温度设定值蜂鸣器报警。当甲醛浓度超出标准值时控制风扇转动保持车间内空气流通，减少甲醛浓度。最后结合软件模块设计，利用代码对硬件进行驱动，经软硬件实物调试后，从而实现本设计功能的执行和控制。
本设计不仅能够监控车间温湿度的情况，还可以改善人们在车间长期工作导致的健康问题。本系统设计遵守体积小，质量轻，性价比高的原则，大大提高了轮胎的生产质量和工人的生活质量，这对于生产车间空气质量的研究有着很大的意义将进一步推动目前轮胎工业的进步和发展。

关键词：温湿度传感器； 单片机； 甲醛浓度

1 控制系统设计

本课题实现的是基于单片机的空气质量监控系统的设计，选用单片机为本设计的主控制器，配合各模块协助运行。本系统的主要原理是通过传感器采集车间内温、湿度，并将采集到的参数进行处理，实现温、湿度测量及显示。还可通过按键自行设置温湿度限值，高于温度设定值可报警，低于湿度设定值启动雾化片实现加湿功能，并当甲醛超出设定值时控制风扇转动，保持车间内空气流通，减少甲醛浓度。
本设计的具体任务如下：完成主控制器的选择和主控制电路的设计，使本设计具备信息处理功能；完成室内温湿度的采集及控制功能；完成参数的显示功能；使实物具有按键调节功能及报警功能；并通过设置限值自动开启加湿和风扇功能；完成整体电路的设计及程序的编写，并焊接电路完成实物模型的制作，最后撰写出基于单片机的空气质量监控系统的毕业设计说明书一份。

1.1 方案选择

为了能够改善人们在车间长期工作导致的健康问题，本文拟设计一款带有温湿度功能的甲醛浓度监控系统，通过主控制器来控制各个模块运作，达到项目的要求，这就要求主控制器要具有高速运算的能力，能够将实时温度准确、快速的显示出来，并能控制风扇、加雾片运行，且开发环境完备、开发工具齐全。现阶段有很多控制器均可以满足上述要求，但考虑到成本和操作难易度，有两种方案最贴合实际。
方案一：采用DSP数字信号处理器来进行控制。它是利用数字的形式将信号转换成所需要的形式，高集成度，适用于运算量大的场合，广泛应用于数字控制和运动控制方面以及低功耗、便携手持设备中，但是成本较高[6]。
方案二：采用单片机进行控制。它是拥有中央处理单元、存储器、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口的单片微型计算机[7]。它常应用于测控领域，可以通过数据寄存器实现对所使用的端口的控制，且具有完整的开发环境和开发工具，多种应用资料和价格低廉等特点。
根据以上两种方案，可以看出DSP与单片机都广泛的应用于工业自动化中，相比较于单片机，DSP注重数字信号的处理，较为复杂，适用于运算量大的场合，本身针对了不同的需求。而本次设计侧重于控制，并没有很大的运算量，因此，选择功能较为齐全、成本更为低廉的单片机为本设计的主控制系统就可以满足本次设计的需求。

1.2 系统控制原理

为了监测轮胎车间的空气质量，本设计利用单片机控制理论结合传感器检测原理来实现，此空气质量系统设计由温湿度采集模块、甲醛采集模块、参数显示模块、加湿及风扇控制模块、按键模块以及报警模块组成[8]。采用单片机作为微控处理器协助系统各模块的运行，利用温湿度传感器采集参数，并通过显示模块来显示数值，利用按键来设置温湿度限值的报警控制值。设计主要包括三个方面，一个是设置温湿度，根据车间内生产的轮胎等物品及人们适宜的最佳温湿度设置限值；二是报警加湿功能，当低于湿度设定值时触发报警并立即启动雾化片进行加湿，保持车间内的湿度正常；三是报警风扇系统，设置甲醛检测限值，超限则触发报警，蜂鸣器发出警报声及风扇转动，以保证车间内空气质量稳定。风扇启动，将外界空气带入车间内，缓解车间内部有毒气体，在达到降温效果的同时还能起到排风作用，保证车间内部空气通畅，防止轮胎生产时的甲醛浓度增加影响人们的身体健康。系统设计框图如图1.1所示。

图1.1 系统设计框图

2 系统硬件设计

2.1 单片机的选择与设计

为了实现课题要求，需要选择一款最适合的单片机来作为主控制器。因为本设计中涉及到温湿度采集模块、甲醛采集模块、显示模块、按键模块、报警模块、加湿及风扇模块。其中，温湿度采集、甲醛采集和按键是输入，显示屏、蜂鸣器、加湿片和风扇是输出，所以需要单片机的I/O口要多，对单片机的处理速度也有一定的要求，且因为需要记录温湿度及甲醛浓度数据并显示，为了方便后期调试，还需要选择可重复烧写程序的单片机，就目前情况，满足条件的单片机有STM32系列单片机和51系列单片机。
首先，传统的51单片机操作简单，具有实行各种功能的指令，但A/D、EEROM等功能需要靠扩展才能运行，使单片机高负荷工作，运行速度缓慢，易高热引发损坏[9]。
对于本次设计，我们选择的是32位微控制器，最高工作频率为72MHz的经济型半导体微控制器STM32F103C8T6单片机，具备性能高、功能消耗低、电路集成等特点，内部自带阻容震荡器、复位电路和时钟模块[10]。此单片机和51系列相比多了很多功能，不但运行速度比51单片机要快很多，自带两个AD转换，使我们在进行甲醛模块设计的时候免去了需要加外部ADC进行转换，非常方便。STM32还有着很强大的通信功能和控制功能。这一点是51单片机无法比拟的。STM32单片机比51单片机多了4个串口进行通信，所以对一些要求用串口进行通信的模块而且就不需要通过CD4052等双串口模块来转换，所以这一点被市场上广泛的运用，32单片机因为本身可以进行多种不同的时钟模数来进行工作，所以在功耗要求比较严格的产品中占有一席之地[11]。综上，最终选择满足课题要求的STM32F103C8T6单片机作为本次设计的主控制器。

STM32是基于Cortex-M3内核的32位的微控制器。20~64K字节SRAM，功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz[12]。
引脚图如图2.1所示。

图2.1 STM32F103C8T6引脚图

3 系统软件设计

3.1 总流程方案设计

程序代码是一个单片机控制系统的灵魂，没有程序控制整个系统就不能运行。基于单片机的室内空气质量监控系统将利用Keil软件来编写C语言程序来驱动硬件的运行。本设计需要编写的模块程序包含了温湿度采集程序、参数显示程序、按键控制程序、声音报警程序。
系统软件设计主程序流程如图3.1所示，按下电源开关后，单片机开始工作，首先把温湿度采集模块以及液晶显示等相关模块进行初始化，初始化完成之后就开始进入while(1)循环中一行一行的执行代码。先从温湿度传感器中，可通过按键设置温湿度限值，其中，通过传感器检测到车间内温、湿度的变化，将获取到的参数显示在液晶屏上，利用按键限制数值，高于温度设定值触发报警，低于湿度设定值触发报警并启动雾化片实现加湿功能，当甲醛超出标准值时触发报警同时使风扇转动保持车间内空气流通，减少甲醛浓度。
系统软件主程序流程图如图3.1所示。

图3.1 系统程序主流程图

4 系统调试

4.1 硬件调试

本设计利用电路板来焊接实物，根据系统的方案与需求来购买相关材料。根据绘制好的系统原理图来焊接实物。在焊接过程中要及时检测焊接的电路是否存在虚焊，对照电路图检查是否存在焊接错误现象，以保证焊接的实物可以完成设计的全部功能。焊接完成后将Keil软件编译后的HEX文件下载到单片机上，通电后，检查硬件电路是否可以按照程序运行，完成预期功能。

4.2 软件调试

本次设计的空气质量监控系统，利用C语言的程序编写来实现预期功能，将采用模块化的程序编写方式来完成本论文的程序编写。实物焊接成功后将该驱动程序烧写到单片机中，多次修改直至实现本设计的全部功能。由于温湿度下限及实时温使度及甲醛浓度参数需要显示在LCD1602液晶屏上，因此第一步应该调试LCD显示屏，接着再建立LCD1602.C文件，在编写一个显示函数用于测试液晶屏最终显示的代码。最后建立main.c文件，编写该函数时先把之前建立的头文件（.h文件）包含在最前面，然后再编写voidmain()函数，在main()函数中调用显示函数，把数据显示出来，接着编译代码，生成hex文件，下载到开发板中，查看液晶屏是否按照编写代码的功能执行。如果执行成功，这样就可以完成显示模块的测试。接着可以利用LCD1602的显示功能来测试温湿度获取代码及甲醛浓度代码。这些模块都调通之后，就把功能结合起来在LCD1602.c中编写动作函数，在main函数中调用动作函数，这样就可以逐步的完成了整个控制代码的结合调试。通过这种方式就可以完成这个控制的代码的编写，该种代码编写方式各个C文件分工明确，一旦出现错误，查找非常方便。

5 结 论

本论文针对空气质量监控系统工作时所存在的问题，利用单片机微控制器的自动化控制功能结合传感器检测功能，设计出一种基于单片机的室内空气质量监控系统，并对其进行了论证与设计STM32F103C8T6作为本系统的控制器，完成系统的程序和总功能的控制执行。利用按键来设置参数的报警控制值，当采集到参数值出现异常时启动蜂鸣器报警，利用LCD1602显示相关参数信息，利用DHT11传感器采集当前的温湿度值，超出温度设定值可报警，低于湿度设定值启动雾化片实现加湿功能，并当甲醛超出标准值时控制风扇转动保持车间内空气流通，减少甲醛浓度。利用keil软件来编写C语言程序代码驱动各硬件模块来实现功能，经软硬件实物调试后，最后完成实物设计实现基于单片机的空气质量监控系统。
在此次毕设中我认为首先要有大体思路计划要实现的功能；其次根据功能去选择相应的硬件型号；再次将一个大的系统进行模块化划分，然后再根据模块进行设计。最后把所有模块进行优化整合，便得到了一个完整的系统。基于这样的思路，最终完成了基于单片机的空气质量检测系统的基本设计。本设计虽然有一定的市场应用前景，但是仍需进一步的改善与提高。目前，不仅刚装修完的室内需要检测温湿度和甲醛气体，同样工厂车间中温湿度和甲醛含量也需要检测。如果吸入大量甲醛会对人体健康造成不可逆的伤害，所以在未来设计一个不仅能够满足生活需要而且还要携带方便的温湿度和甲醛检测仪受到了人们的高度重视。
从这次的毕业设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习工作中，要理论联系实际，脚踏实地将所学的理论知识运用到实际中，我想这就是我在这次毕业设计中的最大收获。

作者：QQ2193276455