摘要

　　我們知道溫濕度和有害氣體濃度是標定環(huán)境不可或缺的參數，對其準確的測量具有重要意義。本系統是針對人們的長(cháng)期居住場(chǎng)所或者工作場(chǎng)所的室內空氣質(zhì)量而設計的。

　　本文以室內環(huán)境監測為背景，設計出以 STC12C5A60S2 低功耗單片機為主芯片的無(wú)線(xiàn)環(huán)境監測系統。系統包括三個(gè)模塊：第一是數據采集模塊，其主要包括兩個(gè)內容,溫濕度采集和甲醛濃度采集。溫濕度的測量采用數字式溫濕度傳感器 DHT21，單總線(xiàn)輸出40 位數字量給單片機，經(jīng)過(guò)數據處理，通過(guò) SPI 接口傳輸給無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊后將數據發(fā)送出去。甲醛濃度測量采用 MS1100 傳感器，MS1100 采集模擬信號輸出送入 STC12C5A60S2，單片機進(jìn)行模數轉換，經(jīng)數據處理后得到數字量測量值。

　　第二是無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，傳輸模塊有兩個(gè)內容：數據采集模塊的傳輸數據和數據接收模塊的接收數據。兩個(gè)模塊都是采用 NordicVLSI 公司推出的單片機射頻收發(fā)器 nRF905 作為主控芯片。nRF905具有接收發(fā)功能合一的特性，經(jīng)軟件編程，根據需要可實(shí)現其接收發(fā)的功能。

　　第三是數據處理顯示模塊，其主要內容是接收模塊經(jīng) nRF905將數據接收，并傳給接收模塊處理器，STC12C5A60S2 處理數據后送顯示。顯示模塊是由 1602LCD 液晶來(lái)完成，實(shí)時(shí)顯示出溫濕度和甲醛濃度的值。同時(shí)本模塊還加入了報警模塊，當溫濕度值和甲醛濃度值超過(guò)標準值時(shí)，蜂鳴器報警以提醒人們采取必要的措施，避免空氣污染對人體產(chǎn)生危害。

　　本系統軟件設計采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，完成室內溫濕度和甲醛濃度的測量，并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。系統性能指標：溫度測量范圍-40～80℃，精度為±0.5℃；濕度測量范圍 0～100%RH，精度為±3%RH；分辨率為 0.1；本系統體積小、低功耗，可進(jìn)行遠距離數據無(wú)線(xiàn)通信，工程造價(jià)成本低，可靠性高。很適合室內環(huán)境參數的監測，有很好的市場(chǎng)應用前景。

　　關(guān)鍵字：單片機；溫濕度傳感器；甲醛傳感器；無(wú)線(xiàn)傳輸

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

　　隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是近幾年來(lái)的空氣污染問(wèn)題令人擔憂(yōu)。空氣污染已經(jīng)成為我國現在亟需解決的一大難題，從霧霾天氣每年天數不斷增加就能看出，我國空氣環(huán)境污染已非常嚴重，人們外出需要帶口罩來(lái)防止吸入霧霾空氣中的有毒成份。人們需要一直生活在空氣中，而且人類(lèi)的大部分時(shí)間是在室內度過(guò)，所以室內空氣質(zhì)量的狀況直接關(guān)聯(lián)著(zhù)人們的健康，特別是身體虛弱的人，他們在室內的時(shí)間更長(cháng)，比如醫院的病人，很長(cháng)一段時(shí)間都會(huì )一直在室內活動(dòng)。因此我們要加強對室內環(huán)境的監測和改善，為提高國民的健康做出一些實(shí)際應用的電子產(chǎn)品，從而提高人們的生活質(zhì)量。

　　隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步，人民的生活質(zhì)量和居住條件不斷提高和改善,尤為重要的是人們更重視自己的居住環(huán)境，為了改善自己的居住條件，人們做了很多措施，室內裝修、外觀(guān)漂亮的家具等等。然而，令人們意想不到的是這些看起來(lái)是改善居住條件的措施實(shí)際上對自己的居住環(huán)境產(chǎn)生了不容易發(fā)現的空氣污染。而且這種空氣污染對人體會(huì )造成很大的危害。國家有關(guān)部門(mén)對室內的家具等裝飾視頻進(jìn)行調查，竟然有 68%的家具材料是污染源，這些室內裝飾品能揮發(fā)出數百種有毒氣體，包括甲醛、笨、氨、放射性氡等，這些有毒氣體進(jìn)入到人們居住的地方后，根據污染程度的不同，對人體產(chǎn)生的危害也不同，單是這些危害都不容忽視。室內有毒氣體污染現在已日益受到重視。其中最普遍也是最嚴重的一種室內有毒氣體就是甲醛[1]，有多個(gè)案例表明甲醛給人們帶來(lái)很大的危害，特別是對兒童的危害更為嚴重。室內甲醛毒氣的主要來(lái)源有新裝修的房子的原材料，家具的油漆以及其他家具材料，以及新建的建筑物[2]，這三種情況不但能產(chǎn)生甲醛，而且還能產(chǎn)生苯系等多種有毒氣體。因此人們對室內有毒氣體的污染也日漸重視起來(lái)。

　　環(huán)境問(wèn)題關(guān)系著(zhù)我國乃至全世界可持續發(fā)展問(wèn)題，所以我們國家也越來(lái)越重視空氣污染給人們帶來(lái)的不便和危害，尤其是人們長(cháng)期居住的室內場(chǎng)所，比如學(xué)校、醫院等。為此我們國家有關(guān)部門(mén)包括衛生部、國家環(huán)境保護總局等有相關(guān)責任的部門(mén)相繼推出了一系列室內環(huán)境標準和規范。其中《室內空氣質(zhì)量標準》[3]這項標準是在 2002 年發(fā)布的。在該標準中，明確規定了室內環(huán)境的相關(guān)參數的標準值，比如溫濕度，光照，有毒氣體，以及空氣中的細菌總數等。同時(shí)我國國家質(zhì)檢檢驗檢疫總局和建設部于 2001 年 11 月發(fā)布了《民用建筑工程室內環(huán)境污染控制規范》[4]，并經(jīng)過(guò)了幾次修訂，規范中說(shuō)明人們需要對室內污染物（甲醛、氨、苯、總揮發(fā)性有機物和氡等）進(jìn)行估量，以了解自己所居住的室內環(huán)境質(zhì)量如何，防范室內環(huán)境污染帶來(lái)的危害。標準中不但給出環(huán)境質(zhì)量參數的標準值，同時(shí)也給出了相關(guān)的測量方案，為特定場(chǎng)合實(shí)施有效的環(huán)境監測提供了明確的依據。

　　在國內，因受經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展水平的制約，我國環(huán)境監測系統發(fā)展緩慢，監測設備和技術(shù)比較落后，自動(dòng)化程度較低。但是隨著(zhù)科技的發(fā)展和人們在觀(guān)念上的日益重視，我國對于環(huán)境監測系統的研究日益增多，相關(guān)的應用產(chǎn)品也不斷出現。

　　例如：大連交通大學(xué)姚營(yíng)營(yíng)以 MSP430F449 為基礎，通過(guò)安裝 DS18B20 和 HS1101以及光照度傳感器設計了環(huán)境監測儀，該檢測器方便攜帶，監測準確，響應速度快[6]。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)楊晨基于 ARM11 和 Linux 的室內環(huán)境監測系統的設計與現實(shí)[7]，論文以 ARM11 為核心，加入 DHT90 溫濕度傳感器，BH1750 光照強度傳感器，還有 DSM501A 塵埃顆粒傳感器等模塊，實(shí)現了一個(gè)手持便攜的環(huán)境監測儀。吉林大學(xué)劉威設計的基于 DS18B20 和 nRF9E5 的多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫系統[8]，系統采用高精度數字溫度傳感器DS18B20和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊nRF9E5來(lái)進(jìn)行數據采集和數據傳輸。

　　還有西南交通大學(xué)王紹杰的列車(chē)車(chē)廂環(huán)境監測系統設計與實(shí)現[9]。由此可知，現在國內對環(huán)境質(zhì)量監測的研究正如火如荼。這些系統的設計大都是基于單片機的，有一定的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

　　在國外，環(huán)境監測領(lǐng)域的研究較為領(lǐng)先，相關(guān)產(chǎn)品的應用較為廣泛。Chao-Tung Yang 等人就針對醫院的室內空氣質(zhì)量（IAQ），提出一種智能空氣質(zhì)量監測系統[10]。S.Zampolli 等人設計的基于固態(tài)傳感器陣列的低成本室內空氣質(zhì)量監測應用電子鼻[11]。Jeonghwan Hwang,Changsun Shin 等人研究了了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的農業(yè)環(huán)境監測系統[12]。飛利浦公司也在生產(chǎn)有關(guān)環(huán)境優(yōu)化方面的產(chǎn)品，他們主要是研發(fā)和生產(chǎn)室內環(huán)境監測凈化設備，主要用來(lái)凈化室內空氣，該設備能有效地去除室內相關(guān)的有害氣體，比如甲醛、過(guò)敏原等，同時(shí)還有加濕過(guò)濾細菌等功能，對改善室內空氣質(zhì)量很有幫助。GE 傳感器與檢測科技公司也生產(chǎn)出一些監控室內環(huán)境參數的設備[13]，使用這些設備可以很簡(jiǎn)便的監測出室內環(huán)境參數。

低功耗單片機為主芯片無(wú)線(xiàn)環(huán)境監測系統：

系統實(shí)物圖

TH101B 溫濕度計

MS1100 氣體傳感器原理圖

nRF905 模塊引腳圖

1602 與 MCU 連接電路圖

目錄

　　摘要
　　Abstract
　　目錄
　　1 緒論
　　　　1.1 課題研究的背景和意義
　　　　1.2 室內環(huán)境監測系統研究現狀
　　　　1.3 論文研究的主要內容
　　　　本章小結
　　2 室內監測系統的總體方案設計
　　　　2.1 系統的總體設計的基本思想
　　　　2.2 系統總體架構
　　　　2.3 系統軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境
　　　　本章小結
　　3 系統器件選擇方案
　　　　3.1 單片機選型
　　　　　　3.1.1 單片機簡(jiǎn)介及其引腳介紹
　　　　　　3.1.2 STC12C5A60S2 單片機內部結構
　　　　　　3.1.3 復位電路和時(shí)鐘電路
　　　　3.2 溫濕度傳感器選型
　　　　3.3 甲醛氣體傳感器選擇方案
　　　　3.4 無(wú)線(xiàn)模塊器件選擇方案
　　　　3.5 液晶顯示器件選型
　　　　　　本章小結
　　4 系統硬件設計
　　　　4.1 溫濕度采集模塊電路設計
　　　　4.2 甲醛氣體采集模塊電路設計
　　　　4.3 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊電路設計
　　　　　　4.3.1 nRF905 無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)模塊的管腳介紹和電氣參數說(shuō)明
　　　　　　4.3.2 nRF905 的工作方式
　　　　4.4 液晶顯示模塊電路設計
　　　　本章小結
　　5 系統軟件設計
　　　　5.1 軟件設計總體架構
　　　　5.2 溫濕度傳感器模塊程序設計
　　　　5.3 甲醛傳感器模塊程序設計
　　　　5.4 無(wú)線(xiàn)模塊程序設計
　　　　　　5.4.1 nRF905 配置寄存器
　　　　　　5.4.2 發(fā)送模塊程序設計
　　　　　　5.4.3 接收模塊程序設計
　　　　　　5.4.4 數據顯示程序設計
　　　　本章小結
　　6 實(shí)驗及結論
　　　　6.1 實(shí)驗數據分析
　　　　6.2 結論
　　　　本章小結
　　參考文獻
　　致謝
　　攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
　　附錄 A 硬件原理圖

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