基于单片机的环境监测系统论文

基于单片机的环境监测系统
摘 要：该系统是一款基于 51 单片机的环境监测系统，本文介绍了该系统的工 作原理和设计方法。它由 GP2Y1010AU0F 夏普灰尘传感器、BH1750-HV 光照强度 传感器、DHT11 温湿度传感器和 BMP085 大气压强传感器组成环境参数检测电路， 经单片机处理后送给液晶屏显示，还支持串口传输数据到 PC 机，实现对环境参 数的实时监测， 采用独立按键设置环境参数上限。当五个被测环境参数中的任何 一个超过设定范围，系统会发出警报提醒外界进行干预控制。 关键词：51 单片机；GP2Y1010AU0F；BH1750-HV；DHT11；BMP085
Environment Monitoring System Based on Single Chip Microcomputer
Abstract: The system is an environment monitoring system based on EXP 89S51 microcontroller,and this paper introduces the working principle and design method of the system.The environmental parameter detection circuit is consisted of GP2Y1010AU0F Sharp dust sensor, BH1750 - HV digital ambient light sensor, DHT11 temperature and humidity sensors and BMP085 barometric pressure sensor.By the liquid crystal display and a serial port to transmit data to the PC,it can achieve real-time monitoring of environmental parameters.In addition,it can also use separate buttons to set up the environment parameter limit. The system will alert the external intervention control when any one of the five measured environmental parameters is higher than the set value. Key Words: Single chip Microcomputer;GP2Y1010AU0F;BH1750-HV;DHT11; BMP085
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0 引言
温度、 湿度以及光照等环境参数的测量和控制在日常生活和农业领域中具有 广泛的应用。随着生活水平的大幅提高，人们对生活环境提出了更高的要求。另 外，大棚中农作物的生长过程也需要合适的温湿度、光照和压强等。传统测试方 法费时费力、效率低，且有时需要不间断监控，以达到实时监测的目的。单片机 可编程、功耗低、应用场景灵活多变、实现功能多样等的特点使得以单片机作为 控制核心的监控系统得到了广泛的关注和发展。利用单片机作为主控核心，配合 各种传感器模块和数据处理模块，可以高效便捷地对环境的温湿度、光照和压强 等进行数据采集与分析，一旦环境出现异常，系统可以及时报警，还可通过串口 在 PC 机上进行管理和控制。针对以上问题，本文基于 EXP-89S51 单片机设计了 一款环境监测系统，该系统可实现 PM 2.5、温度、湿度、光照强度、大气压强 的实时监测。经过测试，该系统实现了对环境的精确测量和控制，取得了良好的 效果，可应用于农业大棚、家电等控制领域。
1 系统方案设计
1.1 监控对象
PM2.5，温度，湿度，光照，大气压强
1.2
总体结构
本系统主要由信号采集部分、信号处理部分、显示模块、报警模块、串口通 信五个部分组成，结构图如图 1.2—1。整个硬件系统中单片机作为主控核心 ， 外围连接传感器电路、 报警电路以及控制电路等模块。系统工作时各传感器会定 时对周围环境中的 PM2.5、光照、压强、温湿度等参数进行采集和量化，将得到 的数据传输到单片机中进行数值比较， 若所采集到的数据信息在正常范围以内 ， 则单片机将该数据信息输出至显示单元进行实时显示， 并控制系统重新执行数据 采集工作； 若所采集到的数据信息已经超出正常范围， 则单片机通过其输出端口 向报警电路发送报警信号。
图 1.2—1
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1.3
系统硬件设计
1.3.1 微处理器
采用北京达盛科技公司生产的 EXP-89S51 单片机，它是一种低功耗、高性 能 CMOS 8 位微控制器，具有片内 128*8 字节 RAM，4KB ROM，32 个可编程 I/O 引脚，2 个 16 位定时器/计数器，6 个中断源，JTAG 接口，全双工 UART 串行通 道和看门狗定时器， 支持低功耗空闲和掉电模式，支持 RS232 串口在线仿真与调 试，断电程序丢失。
1.3.2 模数转换模块
该模块主要用于将灰尘数据转化为单片机可识别的数字信号。 系统所使用的 模数转换模块为 ADC0832，该芯片是一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。 它具有输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容、转换速度快、稳定性强等特点。
1.3.3 光照强度传感器模块
系统所用光照强度传感器 BH1750FVI 是一种用于两线式串行总线接口的数 字型光强度传感器集成电路。 这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整 液晶或者键盘背景灯的亮度。它的光强度探测范围为 1 lx-65535 lx。它具有低 电流、高分辨率（可达 0.5 lx）、支持 I 2 C BUS 接口、光源依赖性弱、可调的 光学窗口、接近视觉灵敏度的光谱灵敏度等特性。内部框图如图 1.3—1：
图 1.3—1
1.3.4 大气压强传感器模块
系统所用大气压强传感器为 BMP085，它作为新一代高精度气压传感器与 SMD500 的功能和引脚是完全兼容的。它是基于压阻效应技术的，具有稳定的电 磁兼容性、高精度、线性性以及稳定性，具有 I 2 C 总线接口。低功耗、低电压的 电学特性使它可以很好的适用于手机、PDA、GPS 导航器件以及户外装备上。 BMP085 在低的高度噪声快速转换的情况下，表现很好。 实物图和原理图分别如图 1.3—2 和 1.3—3
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图 1.3—2
图 1.3—3
1.3.5 灰尘传感器模块
该模块可以将粉尘浓度转化成与之成正比的电压信号。 灰尘传感器属光学传 感器。 由红外发光二极管和光电晶体管及放大电路组成。它通过光学的反射原理 可以检测到空气中的尘埃， 特别是它能有效的检测非常微细的颗粒， 如香烟烟雾。 有效接收距离为 15MM，接收角度是正负 60 度。该传感器具有非常低的电流消耗 （最大 20mA，典型值 11mA），可使用高达 7VDC。此外，它可以区分屋内烟尘。 适用于空气净化器，空调，空气监测等。
1.3.6 温湿度监测模块
系统中所使用的温湿度传感器（如右图）是一款含有已校准 数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器使用一个电阻式感湿 元件和一个 NTC 测温元件对环境中的空气湿度和空气温度进行采 集和数字化处理，所处理后的数据可通过一位引脚实现数据的传 输。它具有超快响应、抗干扰能力强、稳定性高等优点。其湿度 测量范围为 20－90％RH ，分辨率为 1％RH ，温度测量范围为 0－50℃，分辨率为 1℃。该模块所使用的传输方式为单线制串口传输，故其传输距离远，可在重点 关注位置进行布置。
1.3.7 系统电路实现
整个系统的硬件电路原理图分为 1602 液晶电路、按键电路、蜂鸣器电路、 灰尘传感器电路、A/D 转换电路、温湿度传感器电路，光照传感器电路和压强传 感器电路等组成。系统总电路图如下图。
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2 系统软件设计
Keil C51 是由美国 Keil Software 公司出品的 51 系列单片机开发软件，它 集源程序编辑、编译、仿真调试于一体，支持汇编、C、PL/M 语言。系统提供丰 富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，界面友好，易学易用。我们以 μ Vision4 编译器作为软件开发平台，采用模块化设计的思想，利用 C51 语言编 写程序，主要包括键盘扫描子程序，模数转换子程序， I 2 C 总线子程序，串口通 信子程序，温湿度、大气压强、光照强度及 PM 检测子程序，显示警报子程序等 组成。主程序流程图如图 2—1 所示。
2.1
温湿度子程序
程序中预设环境的正常温度和湿度范围。系统上电后各模块进行初始化，然 后单片机向传感器发送工作信号，控制传感器进行温湿度采集，采集得到的信息 被转换为数字信号后被传输到单片机单元进行数值转换和数值分析， 将相关信息 与预设值进行比较， 若环境参数值不在预设值范围内，则单片机驱动蜂鸣器报警 装置进行报警。同时，单片机控制温湿度采集单元继续进行参数采集，参数恢复 正常状态时，单片机输出控制信号取消报警。
2.2
大气压强子程序
在单片机中存储一个气压正常范围， 然后在系统上电后进行模块初始化， 随后接收控制 信号进入环境气压采集状态， 并把数据传输到单片机中进行处理和分析， 处理结果被传送到 显示单元进行显示，而分析结果则需要进行进一步的判断。若测量值大于预设值，则系统进 入延时状态，等待下一次测量结果，若所得到的测量结果恢复至正常范围内，则认为上次测 量结果是由某些干扰或其他原因所引起的， 不需要报警； 若所得到的测量结果仍旧超出正常 范围，则确认环境气压出现异常，单片机控制报警单元发出报警信号。当系统监测结果恢复 到正常状态时，单片机输出控制信号取消报警。
2.3
光照强度子程序
与上述两个模块类似， 同样为系统预设光照强度的正常范围， 系统上电后模块进行初始 化，之后单片机发出读取光照强度的信号，光照强度模块开始进行光强度采集，并将采集到 的数据与预设值进行比较，以检测光照强度是否超出正常范围。
2.4
PM 2.5 子程序
程序设计整体思路同以上几个模块，所不同的是，灰尘传感器输出的是模拟信号，还需 要经过 A/D 转换才能送给单片机进行相应的数据处理。
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2.5
串口通信子程序
系统上电后，串口初始化，设置串口通信数据格式为，1 个起始位，8 个数据位，1 个 停止位，无校验位，利用定时器 1 的工作方式 2 作波特率发生器，设置波特率为 9600。随 后串口等待接收数据。当接收到回传数据指令时，每隔一定时间，单片机会按照该固定格式 将采集到的各项数据传回到 PC 机上进行显示。格式设置采用专门的格式转换函数实现。
3 系统测试与结果分析及改进
以上两图是系统采集到的数据，通过与标准数据进行对比发现，该系统实现 了对环境相关参数的测量与监控，达到了预期目标。本系统还可以进行改进，一 方面可以采用软件修正和精密硬件进一步提高被测参数的精度， 另一方面设法通 过 PC 机对采集到的数据进行分析处理，以可视化的图形呈现出来，便于观察人 员分析当前环境趋势。
4 结束语
随着生活条件的改善，人们对环境的安全性和舒适度提出了更高更新的要 求。 为满足人们和农业等其他领域的日益增长的使用需求，使用单片机作为控制 核心实现环境相关参数的测量与监控显得尤为重要。 本文所述系统中所使用的单 片机成本低， 功能丰富， 配合使用多种传感器和外围电路可以很好很方便的实现 环境的监测，还能通过液晶屏，PC 机实现对实时监测结果的显示和处理等功能。 实验证明，本系统可以准确地指示监测区域内的 PM 2.5、温湿度、光照和压强， 实现了对环境的精确测量，控制区域的环境，充分发挥了使用单片机的优点，有 效地提高了监测区域的可靠性。该系统使用方便，对于推动环境监测自动化、智 能化的发展具有重要意义。
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参考文献
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图 2—1
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