簡(jiǎn)易室內(nèi)溫度及空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：室內(nèi)溫濕度及顆粒物濃度是人們?nèi)粘Ｉ钪忻芮嘘P(guān)注的空氣指標(biāo)，系統(tǒng)通過(guò)DHT11溫濕度傳感器采集室內(nèi)的溫濕度信號(hào)，再通過(guò)GP2Y1010可吸入肺顆粒物濃度檢測(cè)傳感器進(jìn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量的數(shù)值檢測(cè)，如果PM2.5值超出上限將報(bào)警。

引言

　　室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度和可吸入肺顆粒物濃度是人們?nèi)粘Ｉ钪惺株P(guān)心的室內(nèi)空氣質(zhì)量的指標(biāo)?，F(xiàn)今健康成為越來(lái)越多的人關(guān)注的話題，但是由于我們周邊生活環(huán)境的日益惡劣，尤其是霧霾天氣的加重，PM2.5值不斷提高，有效監(jiān)測(cè)手段非常必要。

　　本文所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控房間內(nèi)的溫濕度，對(duì)可吸入肺顆粒物的濃度檢測(cè)值，在被測(cè)定之后，如果超過(guò)其最高限定值則會(huì)報(bào)警以提示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)設(shè)計(jì)需要完成溫度傳感器電路的制作和傳感器布局，核心控制器的選型及電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)可行的溫度控制算法(可以基于PID或者模糊邏輯)，設(shè)計(jì)多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集及轉(zhuǎn)換、溫度實(shí)時(shí)顯示電路、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)及懸浮物測(cè)量的基本方案，并進(jìn)行硬件選型和空氣質(zhì)量基準(zhǔn)標(biāo)定等。

　　為了滿足上述設(shè)計(jì)要求，選擇STC89C52RC型單片機(jī)，使用多個(gè)DHT11溫濕度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)地點(diǎn)采樣溫濕度的工作，輔以GP2Y1010型可吸入肺顆粒物傳感器，用來(lái)檢測(cè)環(huán)境中可吸入肺的顆粒物的濃度，最終通過(guò)LCD1602液晶顯示屏進(jìn)行溫濕度和可吸入肺顆粒物濃度的檢測(cè)值的顯示，不同控制模式下使用不同方式設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫濕度值，通過(guò)PID控制溫度控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的控制，并且對(duì)可吸入肺顆粒物的濃度也設(shè)定一個(gè)上限值，如果超過(guò)上限值就進(jìn)行報(bào)警。

2 溫度傳感器的選擇

　　目前使用的數(shù)字量輸出的傳感器有兩種，即DS18B20和DHT11。

　　方案一：DHT11溫濕度傳感器。DHT11溫濕度傳感器有5V左右的工作電壓，可以檢測(cè)的溫度范圍為0℃-50℃，并且可以在該溫度的范圍內(nèi)進(jìn)行濕度的測(cè)量。這種傳感器采用數(shù)字信號(hào)輸出。

　　方案二：DS18B20溫度傳感器。DS18B20也有5V工作電壓。分辨率調(diào)整范圍為9至12位。其溫度測(cè)量范圍從-55℃至+125℃，同樣也是數(shù)字信號(hào)輸出，但不能同時(shí)進(jìn)行溫度和濕度兩種所需指標(biāo)的檢測(cè)。

　　由于傳感器需要在多點(diǎn)測(cè)量溫濕度的實(shí)際情況當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，而DS18B20只能實(shí)現(xiàn)對(duì)一種指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，且多點(diǎn)測(cè)量的情況下，還需要單純的測(cè)量濕度的檢測(cè)器件，這樣會(huì)增加成本和諸多設(shè)計(jì)上需要考慮的問(wèn)題，因此結(jié)合應(yīng)用需要選擇DHT11更為方便。

3 空氣質(zhì)量傳感器模塊的選擇

　　要進(jìn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比和篩選初步選擇了M205型空氣質(zhì)量模塊和GP2Y1010可吸入肺顆粒物濃度檢測(cè)傳感器模塊兩種，下面具體對(duì)兩種模塊進(jìn)行詳細(xì)的比較。

　　方案一：M205型空氣質(zhì)量模塊。該模塊的優(yōu)點(diǎn)在于其內(nèi)部具有現(xiàn)在技術(shù)非常成熟的片式厚膜半導(dǎo)體氣敏元件，對(duì)空氣中的各類的易燃類氣體比如氫氣、一氧化碳、酒精等氣體比較敏感。但該類模塊存在一定的危險(xiǎn)性，不適合室內(nèi)溫、濕度監(jiān)測(cè)。

　　方案二：GP2Y1010可吸入肺顆粒物濃度檢測(cè)傳感器模塊。這是運(yùn)用光學(xué)原理來(lái)檢測(cè)的可吸入肺顆粒物檢測(cè)傳感器，該類傳感器模塊的工作原理是由于空氣中的光線強(qiáng)度受塵埃顆粒的影響比較明顯，通過(guò)加載一個(gè)光學(xué)傳感器模塊對(duì)光線的強(qiáng)度做出感應(yīng)，從而得出濃度檢測(cè)的數(shù)值。尤其是可以有效地檢測(cè)到像香煙煙霧般非常細(xì)的顆粒。該傳感器的工作方式為通過(guò)檢測(cè)空氣中粒子半徑為0.5微米的顆粒數(shù)量，具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性和靈敏性。

　　對(duì)于本方案，是在室內(nèi)中央空調(diào)環(huán)境下的溫濕度及空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，通過(guò)上述的比較， GP2Y1010的測(cè)量精度和各方面特點(diǎn)更加符合設(shè)計(jì)的要求。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 總體結(jié)構(gòu)

　　前面的論證將系統(tǒng)方案和各個(gè)模塊的選用方面都進(jìn)行了具體的分析，于是，在以上各個(gè)模塊元器件選定基礎(chǔ)之上，可初步畫(huà)得本設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.2 DHT11溫濕度檢測(cè)模塊

　　其中DHT11溫濕度檢測(cè)模塊和GP2Y1010型可吸入肺顆粒物濃度檢測(cè)模塊采集完信號(hào)后，均傳入STC89C52RC進(jìn)行信號(hào)的處理，接著測(cè)量的溫濕度數(shù)值和溫度設(shè)定值以及可吸入肺顆粒物濃度即PM2.5的數(shù)值通過(guò)LCD1602顯示出來(lái)。

　　DHT11的外觀實(shí)物圖如圖2所示。

　　DHT11共有4個(gè)引腳，其中將四個(gè)引腳編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)。1號(hào)名稱是VCC，是電源引腳，正電源輸入且可輸入3V至5.5V的直流電壓，本設(shè)計(jì)具體應(yīng)用的是+5V直流電源;2號(hào)引腳名稱是Dout，是輸出引腳，在輸出類型上是單總線數(shù)據(jù)輸出/輸入引腳;3號(hào)引腳名稱是NC，是空腳，擴(kuò)展未用;4號(hào)引腳名稱是GND，是接電源地的引腳。