隨著電子技術(shù)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(yán)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(qiáng)度的檢測也逐漸關(guān)注。然而，目前為止適用于家居型檢測濕度、光照強(qiáng)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(jìn)行檢測，對不符合溫度和濕度要求的庫房進(jìn)行通風(fēng)、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(jī)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(shè)計研制一種新穎、方便、實用、結(jié)構(gòu)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(shè)計通過LCD顯示所監(jiān)測的結(jié)果，用戶可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果有效調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)備，從而達(dá)到理想的環(huán)境狀態(tài)。
1 系統(tǒng)設(shè)計
1.1設(shè)計任務(wù)
本文實現(xiàn)基于STC單片機(jī)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(qiáng)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(qiáng)度的測量范圍為0～2500lux;系統(tǒng)顯示當(dāng)前時間和日期，并可以通過按鍵進(jìn)行修改當(dāng)前時間日期。
1.2設(shè)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(jī)為控制核心，該單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)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(yīng)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(zhǔn)確的時間值，另外，通過按鍵操作實現(xiàn)對時鐘的校準(zhǔn);而對于照度和CO2濃度的檢測則比較復(fù)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(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的信號信息送入單片機(jī)的AD口，從而得到單片機(jī)可以處理的數(shù)字量;所有檢測結(jié)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(shè)計
2.1控制電路
系統(tǒng)的控制電路是以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心構(gòu)成的最小系統(tǒng)。另外，為方便程序下載，設(shè)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(dǎo)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(jìn)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(qiáng)的原理是光生伏特效應(yīng)，即它是一種直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)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(qiáng)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(jī)處理的信號，對小信號進(jìn)行放大濾波處理。首先對小信號進(jìn)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(jìn)入單片機(jī)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(dǎo)出兩級差模總增益為：
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(biāo)稱值51kΩ。通常R1和R2不要超過R5/2，這里選R1=R2=510Ω，用于保護(hù)運放輸入級。
A1和A2應(yīng)選用低溫飄、高KCMRR的運放，性能一致性要好。
