单片机室内环境监测系统设计探讨

摘要以MSP430F449单片机为核心设计室内环境监测仪。该系统使用实现每个模块特定功能的模块化设计方法。在采集室内湿度、光照和温度数据时，使用HSI101湿度传感器、BPW34硅光电池和DS18B20温度传感器，同时利用编辑软件完成系统数据的采集、处理和输出、显示。通过实验结果可知，该室内环境监测仪有着良好的工作性能，对各项参数有着高精度的监测，对室内环境监测的要求基本可以满足。

关键词MSP430F449单片机；室内环境监测；设计探讨

对环境质量好坏进行判断的数据可以从室内环境监测的有效性方面收集。对湿度、光照以及温度3个重要室内环境监测数据监测精准度的实际意义十分重要。传统室内环境监测设备通常存在大体积、大功耗、低精准度和较差的实时性等缺点，很难满足现代化经济发展的需求。在现代通信、单片机和传感器技术不断发展的情况下，对室内环境监测的方法和技术也随之加强，各类高实时性、高精度、低功耗且体积适宜的测量系统已经应用到各大领域。根据以上内容进行室内环境监测仪设计，该监测仪测量精度高、功耗低、体积小，还能自动监测湿度、光照和温度，有着十分长远的研究道路。

1室内环境监测仪总体设计

以MSP430F449单片机为核心设计室内环境监测仪，完成数据采集工作时使用湿度传感器、光照度传感器和温度传感器进行。同时，还扩展了日历、液晶显示等外部模块，对各个部分利用软件编程进行协调工作。以MSP430F449单片机为核心设计室内环境监测仪结构图如图1所示为了将整个系统的可靠性提高，使用模块化设计的方法将每个模块特定的功能实现，将系统的数据采集、处理、存储和输出显示等功能利用软件实现。

2系统硬件设计

2.1信号采集模块

在对环境进行标定时，温度、光照度以及湿度是必不可少的三个参数，通常是使用传感器实现参数的测量工作。该监测仪测量湿度时，使用产于Humirel公司的HS1101电容式相对湿度传感器，该传感器拥有可靠性高、稳定性强、脱湿快和响应时间快的优点，以及1%-99%的湿度测量范围；测量温度时，使用产于DALLAS公司的DS18B20一线式数字温度传感器[1]，该传感器拥有微型化、低功耗、测量范围广阔、高性能抗干扰能力以及强易配处理器等优点，可以使温度变为串行数字信号并送至单片机进行处理；使用光敏电阻进行光照度的测量，因其十分接近人眼对可见光响应的光谱特性，所以只要通过人眼能够感受到的光都可以造成阻值的变化。

2.2信息传送模块

本文中信息传送的控制端采用4X4矩阵按键，其中包含确定按键、小数点按键、零下温度选择按键、0~9的10个数字按键以及温湿度和光照性能设置按键。该系统采用非编码式键盘以及全局扫描法识别按键。

2.3以MSP430F449单片机作为主控芯片

该芯片软件编程灵活、算术运算功能强、自由度大，可以完成各种算法与逻辑控制，同时由于低功耗、低成本、技术先进、体积较小以及产品性价比高的优势[2]，足够满足系统设计要求。本系统中MSP430F449对采集到的湿度、光照信号和温度不断进行检测，同时会对比输入的相应控制值，一旦超过设定范围，那么蜂鸣器就会以警报提醒外界。

2.4声音指示模块

能够选择音乐型、语音提示型和警报型等用于警示外界的声音指示。该设计样机使用成本较低、电路结构相对简单的蜂鸣器，能够实现较好的警报功能。2.5显示模块本设计采用液晶显示器12864作为环境参数显示部分，能在LCD上实时显示三个环境参数值，使用8段共阳极数码管7SEG-MPX4-CA进行环境参数显示模块的设定，能够有效的对参数设定值进行监测。

3室内环境监测仪各模块功能介绍以及元件的选取

3.1光照度传感器电路

本设计采用BPW34硅光电池作为光照度传感器．其光谱峰值在人眼可视范围内，因此普遍使用在仪器测量和仪器分析方面。采样电路是在硅光电池中接入并通过20Ω的电流[3]，借助1000Ω的电阻变更为电压信号，流入放大器LM385后增至20倍，并输入位于单片机ADC12内部的P6.0口。光电池温漂现象的抑制使用光敏电阻的温度进行补偿。该电路的设计如图2所示。3.2温度传感器电路本设计以数字式温度传感器DS18B20作为温度测量电路．由于DS18B20串行通信接口仅有一个单线制传感器，所以硬件电路十分简单。而DS18B20是单线制，因此必须以三态特性进行接收、发送，电阻因漏极开路输出的出具口而外接上拉，保持高电平的常态。如图3所示.

3.3湿度传感器电路

该监测仪采用湿度传感器HSI101对湿度进行测量。HSI101传感器为电容性，类似于电容活动在电路中，其容量与湿度成正比扩充。将HSI101湿度传感器添于555震荡电路中，能通过频率值输出的形式将等效的电容值表现出来[4]，其呈线性关系的输出频率和相对湿度，便于得出湿度值。测量电路如图4所示。

3.4电源电路设计

在使用单片机和其他传感器过程中都离不开电源。单片机要求3.6V电源，其他传感器电路需要5V，因此必须设计电源电路。把两节锂电池以并联的方式结合为7V的电压，并使5V电压流过三端稳压器7805后输出，然后流入RH5RL36A将电压升至3.6V。键盘电路中普遍设计有功能键、“+”与“-”号键，以便时间参数的校准。以JM12864M液晶显示器使湿度、光照度和温度以及时间等展示出来。应用DS12C887为核心芯片的时钟电路，该芯片可以将世纪、年、月、日、以及时、分、秒等信息自动生成，同时内部还添置了世纪寄存器，易于硬件电路对“千年”问题的处理。而且DS12C887中还备有锂电池，哪怕外部电源停止，内部时间信息也能够保持10年。

4系统软件设计

在利用模块化设计的系统软件中，将Keil公司开发研制的uvision3编译器作为本软件的开发平台，使用包含初始化子程序、键盘检测子程序、温湿度及光照度检测子程序、显示警报子程序的C51语言编写程序进行本软件的编写。

5测量结果及分析

5.1温度测量

以DS18B20数字式温度传感器直接对数字量输出，因为未采取信号调理电路，因此不会出现信号误差，对外界的干扰抗拒更强，其精确度是0.5℃。将得到的数据与标准水银温度计做比较，得到的测量结果如表1所示。

5.2光照度测量

使光照度测量数据受到影响的因素主要包含光电池的温度特性和电路以及标定时的人为原因。在室温25℃的情况下[5]，对照度计光的强弱进行调解，使光源能在光电池表明进行照射，其精确度在2%以内，通过室内环境监测仪进行监测得到的数据如表2所示。

5.3湿度测量

能对湿度测量结果造成影响的因素通常是器件本身和电路电阻值。对室内湿度通过加湿器进行调解，3%以内的误差范围。将测得的室内湿度和误差与便携式露点湿度检测仪相比，得到如表3所示的测量结果。

作者：陈东杰 许中石