簡易室內溫度及空氣質量監測系統設計

摘要：室內溫濕度及顆粒物濃度是人們日常生活中密切關注的空氣指標，系統通過DHT11溫濕度傳感器采集室內的溫濕度信號，再通過GP2Y1010可吸入肺顆粒物濃度檢測傳感器進行室內空氣質量的數值檢測，如果PM2.5值超出上限將報警。

引言

　　室內環境的溫度、濕度和可吸入肺顆粒物濃度是人們日常生活中十分關心的室內空氣質量的指標。現今健康成為越來越多的人關注的話題，但是由于我們周邊生活環境的日益惡劣，尤其是霧霾天氣的加重，PM2.5值不斷提高，有效監測手段非常必要。

　　本文所設計的簡易的空氣質量監測系統可以實時地監控房間內的溫濕度，對可吸入肺顆粒物的濃度檢測值，在被測定之后，如果超過其最高限定值則會報警以提示。

1 系統總體設計

　　整個設計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計，設計可行的溫度控制算法(可以基于PID或者模糊邏輯)，設計多點溫度數據的采集及轉換、溫度實時顯示電路、空氣質量監測及懸浮物測量的基本方案，并進行硬件選型和空氣質量基準標定等。

　　為了滿足上述設計要求，選擇STC89C52RC型單片機，使用多個DHT11溫濕度傳感器來實現多個地點采樣溫濕度的工作，輔以GP2Y1010型可吸入肺顆粒物傳感器，用來檢測環境中可吸入肺的顆粒物的濃度，最終通過LCD1602液晶顯示屏進行溫濕度和可吸入肺顆粒物濃度的檢測值的顯示，不同控制模式下使用不同方式設定標準溫濕度值，通過PID控制溫度控制算法來實現溫度的控制，并且對可吸入肺顆粒物的濃度也設定一個上限值，如果超過上限值就進行報警。

2 溫度傳感器的選擇

　　目前使用的數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，可以檢測的溫度范圍為0℃-50℃，并且可以在該溫度的范圍內進行濕度的測量。這種傳感器采用數字信號輸出。

　　方案二：DS18B20溫度傳感器。DS18B20也有5V工作電壓。分辨率調整范圍為9至12位。其溫度測量范圍從-55℃至+125℃，同樣也是數字信號輸出，但不能同時進行溫度和濕度兩種所需指標的檢測。

　　由于傳感器需要在多點測量溫濕度的實際情況當中進行應用，而DS18B20只能實現對一種指標進行測量，且多點測量的情況下，還需要單純的測量濕度的檢測器件，這樣會增加成本和諸多設計上需要考慮的問題，因此結合應用需要選擇DHT11更為方便。

3 空氣質量傳感器模塊的選擇

　　要進行室內空氣質量的檢測，通過對比和篩選初步選擇了M205型空氣質量模塊和GP2Y1010可吸入肺顆粒物濃度檢測傳感器模塊兩種，下面具體對兩種模塊進行詳細的比較。

　　方案一：M205型空氣質量模塊。該模塊的優點在于其內部具有現在技術非常成熟的片式厚膜半導體氣敏元件，對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性，不適合室內溫、濕度監測。

　　方案二：GP2Y1010可吸入肺顆粒物濃度檢測傳感器模塊。這是運用光學原理來檢測的可吸入肺顆粒物檢測傳感器，該類傳感器模塊的工作原理是由于空氣中的光線強度受塵埃顆粒的影響比較明顯，通過加載一個光學傳感器模塊對光線的強度做出感應，從而得出濃度檢測的數值。尤其是可以有效地檢測到像香煙煙霧般非常細的顆粒。該傳感器的工作方式為通過檢測空氣中粒子半徑為0.5微米的顆粒數量，具有相當高的穩定性和靈敏性。

　　對于本方案，是在室內中央空調環境下的溫濕度及空氣質量監測，通過上述的比較， GP2Y1010的測量精度和各方面特點更加符合設計的要求。

4 系統硬件設計

4.1 總體結構

　　前面的論證將系統方案和各個模塊的選用方面都進行了具體的分析，于是，在以上各個模塊元器件選定基礎之上，可初步畫得本設計系統結構如圖1所示。

4.2 DHT11溫濕度檢測模塊

　　其中DHT11溫濕度檢測模塊和GP2Y1010型可吸入肺顆粒物濃度檢測模塊采集完信號后，均傳入STC89C52RC進行信號的處理，接著測量的溫濕度數值和溫度設定值以及可吸入肺顆粒物濃度即PM2.5的數值通過LCD1602顯示出來。

　　DHT11的外觀實物圖如圖2所示。

　　DHT11共有4個引腳，其中將四個引腳編號為1號、2號、3號和4號。1號名稱是VCC，是電源引腳，正電源輸入且可輸入3V至5.5V的直流電壓，本設計具體應用的是+5V直流電源;2號引腳名稱是Dout，是輸出引腳，在輸出類型上是單總線數據輸出/輸入引腳;3號引腳名稱是NC，是空腳，擴展未用;4號引腳名稱是GND，是接電源地的引腳。