0 引言

隨著電子技術的發(fā)展，居民普遍使用電子溫度計或萬年歷自帶的溫度計來測量室內(nèi)溫度，但是，隨著環(huán)境污染的日趨嚴重及人們對生活質(zhì)量要求的提高，人們對室內(nèi)濕度、二氧化碳濃度及光照強度的檢測也逐漸關注。然而，目前為止適用于家居型檢測濕度、光照強度及CO2濃度還沒有一種合適且適用的儀器。小型倉庫中傳統(tǒng)的方法是采用濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進行檢測，對不符合溫度和濕度要求的庫房進行通風、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時費力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大、隨機性大。因此我們需要一種性價比較高的溫濕度測量儀。

本文設計研制一種新穎、方便、實用、結構簡單的多功能測量儀，適用于家庭、倉庫以及溫室等需要環(huán)境檢測的地方。設計通過LCD顯示所監(jiān)測的結果，用戶可以根據(jù)監(jiān)測結果有效調(diào)節(jié)相關設備，從而達到理想的環(huán)境狀態(tài)。

1 系統(tǒng)設計

1.1設計任務

本文實現(xiàn)基于STC單片機的多功能測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)濕度檢測、溫度檢測、CO2濃度檢測、室內(nèi)光照強度檢測、時間日期顯示的功能。其中濕度的測量范圍為20～90％RH；溫度的檢測范圍為-55～+125℃；CO2濃度測量范圍為350～10000ppmCO2；室內(nèi)光照強度的測量范圍為0～2500lux；系統(tǒng)顯示當前時間和日期，并可以通過按鍵進行修改當前時間日期。

1.2設計方案及工作原理

多功能檢測系統(tǒng)包括：電源模塊、控制器、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、照度檢測模塊，CO2濃度檢測模塊、時鐘模塊、鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊。如圖1所示。





本控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為控制核心，該單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾的特點，并且自帶8路10位精度AD轉(zhuǎn)換；溫濕度檢測由數(shù)字式的溫度檢測傳感器DS18B20和濕度檢測傳感器DTH11實現(xiàn)，由于數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，因此在數(shù)據(jù)處理方面比較簡單，且這兩款傳感器的性價比較高；時鐘模塊則是應用了比較常用的DS1302時鐘芯片，通過控制器與時鐘芯片的通訊實現(xiàn)得到比較準確的時間值，另外，通過按鍵操作實現(xiàn)對時鐘的校準；而對于照度和CO2濃度的檢測則比較復雜，由于硅光電池和CO2檢測傳感器輸出信號是微弱的模擬信號，因此需要對得到的小信號進行調(diào)理，調(diào)理后的信號信息送入單片機的AD口，從而得到單片機可以處理的數(shù)字量；所有檢測結果及日期時間的顯示都是由LCD實現(xiàn)；由于信號調(diào)理電路中放大器采用雙電源供電，因此電源模塊選用了交流220V轉(zhuǎn)±5V的電源模塊。

2 硬件電路設計

2.1控制電路

系統(tǒng)的控制電路是以STC12C5A60S2單片機為控制核心構成的最小系統(tǒng)。另外，為方便程序下載，設計了基于CH340的程序下載接口電路，電路圖如圖2所示。

2.2檢測電路

根據(jù)傳感器輸出信號的不同，可分為數(shù)字式傳感器和模擬式傳感器兩種。信號類型的不同導致了檢測電路的不同。

2.2.1溫濕度檢測電路

由于溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器DTH11均為數(shù)字量輸出，因此檢測電路十分簡單，為了防止不確定信號的出現(xiàn)，需在信號的輸出端接4.7k的上拉電阻，如圖3所示。





2.2.2照度及CO2濃度檢測電路

由于光照檢測采用硅光電池，信號為小信號的模擬量輸出，因此需要對信號進行調(diào)理。CO2傳感器MG811的輸出同樣為模擬量電壓小信號。其參數(shù)如表1所示。





硅光電池測光強的原理是光生伏特效應，即它是一種直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的半導體器件，由硅光電池的特性曲線可知，光伏電池輸出電流比輸出電壓的線性性要好，因此在此檢測其電流特性。由實驗測試可得室內(nèi)的光照強度一般為0～2500lux，此時硅光電池的輸出電流在0～0.15mA左右，在硅光電池兩端并聯(lián)一個100Ω電阻，可得此時的輸出電壓在0～15mV左右。

為了將小信號調(diào)理為可以適合單片機處理的信號，對小信號進行放大濾波處理。首先對小信號進行放大處理，這里采用高輸入阻抗的差分放大器。其次，放大器輸出的信號經(jīng)過二階有源低通濾波器。最后信號進入單片機的AD口。信號調(diào)理電路如圖4所示。

（1）差放大電路因為電路中R3=R4，R6=R8=R7=R9，故可導出兩級差?？傇鲆鏋椋?br />


通常，第一級增益要盡量高，第二級增益一般為1～2倍，這里第一級選擇100倍，第二級為1倍。則取R6=R7=R8=R9=10KΩ，要求匹配性好，一般用金屬膜精密電阻，阻值可在10KΩ幾百KΩ間選擇。則

先定R5，通常在1～10kΩ內(nèi)，這里取R5=1kΩ，則可由上式求得R3=99R1=49.5 kΩ。

取標稱值51kΩ。通常R1和R2不要超過R5/2，這里選R1=R2=510Ω，用于保護運放輸入級。

A1和A2應選用低溫飄、高KCMRR的運放，性能一致性要好。

（2）有源低通濾波電路由于濾波電路的輸入輸出信號為直流信號，因此在計算時選取的截止頻率為3Hz.濾波電容C1=C2=1μF.



由式（3）（4）可得R=53078Ω，A0=2，所以在此取R10=R11=51k.信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后實際放大倍數(shù)A=200.而對于CO2傳感器，根據(jù)輸入信號的不同，選擇合適R3、R4，其信號調(diào)理電路的增益為80. 2.2.3時鐘模塊本設計選用美國Dallas公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片DS1302，芯片采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小與31天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補償功能。


工作電壓寬達2.5～5.5V.采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用電源充電方式，提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。電路連接如圖5所示。


3 軟件設計

3.1軟件系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)軟件主要包括兩部分：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示。當系統(tǒng)上電之后，系統(tǒng)首先進行初始化；然后判斷標志位確定當前是否進行時鐘設置，如果是，則通過按鍵調(diào)節(jié)時鐘，如果否，則采集所有數(shù)據(jù)并進行相應處理；最后將采集來的數(shù)據(jù)通過LCD顯示出來。系統(tǒng)程序框圖如圖6所示。|



3.2部分檢測軟件設計

對于光照強度檢測和CO2濃度檢測，存在模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，因此需要考慮AD轉(zhuǎn)換器的精度，為了得到較準確的檢測值，在此使用STC12C5A60S2自帶的10位AD轉(zhuǎn)換接口，即其精度為1/（210-1）。

對于光照強度檢測，經(jīng)信號調(diào)理電路后的輸出電壓為0～3V，相應的光照強度為0～2500lux，假設AD轉(zhuǎn)換后的值為A，則此時對應的光照強度為E，如式（5）。



化簡得：E=（12500×A）/3069.因此，通過程序編寫可以實現(xiàn)對光照強度的檢測。

4 結論

設計了基于STC12C5A60S2的多功能測量系統(tǒng)，通過理論分析與實際電路焊接以及相關程序的編寫，設計出了實物。通過測試實現(xiàn)了溫濕度檢測、CO2濃度檢測、室內(nèi)照度檢測、時鐘顯示的功能。實驗結果良好，測量精度在實際計算誤差范圍內(nèi)。