倪淋一 楊 旻 孫升琦 朱 恒

（東南大學(xué)成賢學(xué)院電子工程系，江蘇南京210088）

基于GSM的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪淋一 楊 旻 孫升琦 朱 恒

（東南大學(xué)成賢學(xué)院電子工程系，江蘇南京210088）

以STC12C5A60S2為主控芯片，SIM900A為GSM通訊芯片，設(shè)計(jì)一種基于PM2.5傳感器與易燃?xì)怏w傳感器的空氣質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)與換氣并帶有遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警的智能家居系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了STC12C5A60S2的芯片特性及其在控制模塊中的應(yīng)用，并簡(jiǎn)單描述了SIM900A芯片的特點(diǎn)及與之配套的硬件電路；在軟件部分，介紹了系統(tǒng)代碼的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡明了程序多模塊協(xié)同運(yùn)作的設(shè)計(jì)方案。

GSM；STC12C5A60S2；智能家居；PM2.5

0 引言

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境方便快捷的要求越來越高，智能家居系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。智能家居是現(xiàn)代電子技術(shù)、通訊技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家電設(shè)備的自動(dòng)控制和管理、對(duì)家庭的安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，能夠?yàn)橛脩籼峁┌踩孢m、高效便利的生活環(huán)境［1］。本文結(jié)合PM2.5傳感器與MQ－2傳感器，利用STC12C5A60S2豐富的硬件資源，配合SIM900A的GSM通信，設(shè)計(jì)了一套智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善并且具有較高的性價(jià)比。

1 PM2.5測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

目前市面上非專業(yè)的PM2.5傳感器大多采用粒子計(jì)數(shù)原理。如圖1所示，模塊內(nèi)設(shè)置加熱器，加熱使得氣流上升，外部空氣進(jìn)入模塊內(nèi)部，如有粉塵等粒子通過時(shí)，阻斷LED光源，光電檢測(cè)器檢測(cè)不到光源，光電檢測(cè)器則低電位輸出；如無粒子通過，則光電檢測(cè)器高電位輸出，形成PMW脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過放大輸出。因此只要計(jì)算到一定時(shí)間內(nèi)低脈沖的比率，參照傳感器的特性曲線，即可得到檢測(cè)到的粒子數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出PM2.5的參數(shù)。

圖1 PM2.5傳感器原理示意圖

對(duì)于一般的PM2.5傳感器，內(nèi)部配有DA芯片可以直接將PM2.5的值作為模擬量輸出到一個(gè)端口上，因此只需對(duì)其端口進(jìn)行AD采樣即可。但是，該采樣的方法精度不高，響應(yīng)速度緩慢，因此如果要提高測(cè)量精度的話，仍然需要串口通信的方式。以夏普公司生產(chǎn)的GP2Y1010AU0F為例，串口的配置要求為：

（1）波特率：2 400bit／s。

（2）每10ms發(fā)送1個(gè)字節(jié)，共7個(gè)字節(jié)，包含1位校驗(yàn)位：

（3）數(shù)據(jù)發(fā)送格式如表1所示。

表1 串口數(shù)據(jù)發(fā)送格式

（4）數(shù)據(jù)處理。接收到的數(shù)據(jù)按公式計(jì)算后得到Vo的值：

得到Vo的數(shù)值后，乘以系數(shù)K即可得到灰塵濃度值：

2 STC12C5A60S2芯片介紹

STC12C5A60S2／AD／PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速／低功耗／超抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，兩路PWM，8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換（250k／s），適用于電機(jī)控制、抗干擾場(chǎng)合。STC12C5A60S2有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入／輸出（I／O）端口，同時(shí)內(nèi)含兩個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)／計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙工串行通信口，兩個(gè)讀寫口，STC12C5A60S2可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器的Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效降低開發(fā)成本。

下面簡(jiǎn)單介紹一下單片機(jī)STC12C5A60S2的一些特性以及本文所用到的接口：STC12C5A60S2為40腳雙列直插封裝的通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST／Vpd（9腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接＋5V電源的正負(fù)端。P0～P3為可編程通用I／O腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P1端口（P1.0～P1.7）被定義為進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換與串口2功能，P2端口用作矩陣按鍵接口，P0端口用作液晶屏幕接口，如圖2所示。

3 系統(tǒng)硬件詳解

本項(xiàng)目硬件部分由電源供電模塊，PM2.5傳感器，易燃?xì)怏w傳感器，矩陣鍵盤，LCD1602，GSM通信模塊構(gòu)成，系統(tǒng)的成功運(yùn)行需要保證硬件的設(shè)計(jì)合理。

（1）電源供電模塊：由于STC12C5A60S2與SIM900A所要的供電電壓不同，且對(duì)于智能家居系統(tǒng)而言，必須采用220V市電，所以說這一模塊主要完成降壓的功能，以適應(yīng)所需不同電壓的器件。但需注意的是，由于SIM900A會(huì)偶爾在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生尖峰電流的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電壓的跌落，進(jìn)而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響，因此在本項(xiàng)目中需采用輸出電流大于2A的電源供應(yīng)，在這里采用TI公司的LM2596電源管理芯片，該芯片最大電流可達(dá)3A。

圖2 接線示意圖

（2）采集模塊：由GP2Y1010AU0F與MQ－2構(gòu)成，主要完成的是對(duì)空氣質(zhì)量與可能包含的易燃?xì)怏w的采集。此外，為了提高該模塊的靈敏度，在傳感器附近設(shè)置了小風(fēng)扇增加了進(jìn)氣量。此處的接線為：GP2Y1010AU0F接STC12C5A60S2的串口1，MQ－2接STC12C5A60S2任一A／D轉(zhuǎn)換口。

（3）人機(jī)交互模塊：由矩陣鍵盤以及液晶屏LCD1602構(gòu)成，液晶屏可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及當(dāng)前的空氣中PM2.5濃度，矩陣鍵盤可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（4）GSM模塊：LM2596的輸出調(diào)到9V作為GSM模塊的供電。對(duì)GSM模塊的操作只需通過串口對(duì)其發(fā)送AT指令即可，所以這里將單片機(jī)的串口2接到GSM的RXD上去，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)SIM900A的控制。

（5）換氣模塊：因?yàn)榕棚L(fēng)扇是由220V的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，所以在這里采用了由繼電器與光耦構(gòu)成的控制模塊。其中，光耦作用是隔離高壓與低壓的器件。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)遵循由上到下的設(shè)計(jì)順序，首先確定整體系統(tǒng)的架構(gòu)，將程序分為幾個(gè)大模塊，依次為：采集模塊，用戶交互模塊和GSM通信模塊。然后，再對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行細(xì)分，如圖3所示。

圖3 程序結(jié)構(gòu)圖

采集模塊對(duì)應(yīng)于PM2.5傳感器模塊與MQ－2傳感器模塊，用戶交互模塊對(duì)應(yīng)于矩陣鍵盤模塊與液晶屏幕顯示模塊，GSM通信模塊對(duì)應(yīng)于AT指令發(fā)送模塊。最后，細(xì)化到具體的硬件中，也就是單片機(jī)的硬件資源。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)主要有以下性能特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各個(gè)模塊分割合理，易于制作與生產(chǎn)；成本低廉，與價(jià)格昂貴的PM2.5監(jiān)測(cè)站儀器相比，該系統(tǒng)的價(jià)格更加親民；功能多樣化，不但具有PM2.5檢測(cè)的作用，還可監(jiān)測(cè)易燃?xì)怏w，是真正的空氣質(zhì)量?jī)x器；可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，這體現(xiàn)了智能家居的特色。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)文化需求日益增長(zhǎng)，智能家居系統(tǒng)必將受到人們的青睞，相信這種功能強(qiáng)大的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

［1］周洪，胡文山，張立明，等.智能家居控制系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

2015－04－15

倪淋一（1993—），男，江蘇東臺(tái)人，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。