基于单片机的便携式多参数环境监测仪设计

龙源期刊网基于单片机的便携式多参数环境监测仪设计作者：张子涧于宏涛邢家俊来源：《电子技术与软件工程》2017年第23期摘要针对环境监测仪器可以实现监测多个参数，且便于携带问题，提出了应用Arduino单片机对环境温度，湿度，光照度等进行监测，给出了环境参数传感器的选取、监测仪软硬件的设计与实现方法，经过实验分析以及调试验证，本文所设计的监测仪能够正常运行并且能够准确、快速地采集各种环境信息并进行反馈，克服了传统监测系统的多种弊端。【关键词】Arduino单片机多参数监测便携式1引言随着工业化的深入，城市建设扩大，机动车保有量增加，农耕田矿山湿地违章开发，全球气候变暖，自然植被森林沙漠化等因素，人类的生存环境正日益受到生活和生产所产生的污染物的危害。环境监测是合理利用环境资源、保护生态环境的重要工作，目前很多环境监测仪器监测参数比较单一，且监测仪器不便于携带。本文提出通过对Arduino单片机以及其输入、输出扩展模块进行编程以及外部电路设计，实现对当前环境温度、湿度和风速多参数进行监控，并且通过窗口通讯将信息转化为具体数值反馈给作为PC上位机。2方案设计本文设计一种以单片机为核心的便携式多参数环境监测装置。选择合适的传感器对被检测参数进行检测及采样，将传感器输出经适当的变换处理，馈入单片机，数据处理后，以适当的方式进行显示，同时要求完成相应的软硬件设计及主要的调试工作。2.1实现多参数监测提出应用单片机设计了一个智能环境监测系统，用户通过设定监测组数以及每组监测的时间间隔，使单片机在特定时间段以及时间间隔内采集环境数据并通过蓝牙通讯将收集到的数据进行反馈处理和收集。另外，参数监测传感器所传输至单片机的数据并非是以期望单位进行反馈的，例如温度传感器反馈回来的数据是以0-1024形式出现的数值，将这些数值通过数学公式与模型处理成我们日常生活中的数据后再通过串口通讯反馈给电脑。具体监测参数如下：（1）温度；（2）湿度；（3）风速、风向。龙源期刊网能够收到单片机所反馈回来的数据并在串口监视器上显示出来，由于单片机是基于C语言实现的单片机技术，其中的语法本身就包含了串口通讯这一功能，通过编程可以直接实现9600kbp的串口通讯。3方案的具体实现单片机是把中央处理器、存储器、定时/计数器、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。Arduino是一款便捷灵活，方便上手的开源电子原型平台，是目前应用比较广泛的一种单片机，相对于传统51单片机更为先进，编程也更易掌握，并比较直观。因此，本文基于Arduino单片机进行设计。3.1温湿度监测系统设计在测量温湿度方面，本文采用了DHT22（AM2302）数字温湿传感器作为采集工具。该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，传感器具有两个电源引脚以及一个单总线接口用于将采集数据传输给单片机，其数据格式包括16位精度的湿度数据，16位精度的温度数据（摄氏度）和末尾的8位校验位构成的。通过将采集到的数据进行转换分别得到保留一位小数的10进制温湿度数据并存入提前设置好的浮点变量中，待其他数据采集完成后由Arduino主机通过蓝牙通讯一起发送给上位机。DHT22的供电电压为3.3-6V。传感器通电后，需等待1s以越过不稳定状态，期间不因对其发送任何采集指令以防止采集失败达不到预期效果。3.2风速监测系统设计在风速测量方面，本文采用了工业型风速传感器为RS485总线式传感器，该传感器是一种专门用以监测风速的检测仪表。仪器能够连续监测风速并远程显示，同时将风速转换成MODBUS-RTU标准RS485电信号传输给单片机。通过编程整理将原本风速仪0-5V的输出转化为0-30m/s的风速数据。3.3图像显示系统设计在外部图像显示方面本文采用了HT16K33mixly8x8LED点阵，该点阵模块采用HT16K33芯片作为驱动，可以仅仅使用2个IO管脚就能驱动点亮I2C点阵模块。通过在ArduinoIDE调用Adafruit_GFX与Adafruit_LED两个库文件并将采集到的数据由浮点型转化为字符型，即可使用对应的函数对LED点阵实现滚动式文字显示输出。3.4上位机通讯系统设计龙源期刊网在数据采集方面，本文采用了Arduino单片机对应的1sheeld拓展版，该板具有蓝牙通讯的功能，能够将单片机采集到的数据通过9600kbps的比特率传输给安装有安卓操作系统的上位机。通过调用1sheeld对应的开发库文件和对其进行编程，本文实现了集数据采集、系统加密、系统预设、数据整理、为一体的室外环境系数采集系统。4结论针对环境仪器检测参数过于单一、反应时间过长、且数据不准确的问题，本文提出通过应用Arduino单片机以及其输入、输出扩展模块进行编程，结合外部电路设计实现对当前环境多参数进行监测，并且通过蓝牙通讯将信息转化为具体数值反馈给作为上位机的安卓系统的手机。同时将PC机融入到监测这一环节，使得单片机可以将多个参数监测数据实时反馈给电脑，实现对总体环境情况的反馈。该多参数环境监测仪器同时能够对温度，温度和风速等多个参数实现监测，并能够通过串口通讯将监控对象的数据实时返回，同时具有操作简单及易于便携等特点，可广泛应用于诸多领域的环境参数监测与保护。参考文献[1]杨欣，王玉凤，刘湘黔，张延强.51单片机应用实例详解[M].北京：清华大学出版社，2010[2]代羽.基于单片机的多参数环境监测仪的设计[J].电子制作，2016（06）：3-3.[3]高成，王鹏，张亚玲.基于物联网技术环境监测系统的设计及其在农业上的应用[J].贵州农业科学，2017，45（04）：120-123.[4]易敏.基于移动终端设备的环境现场监测管理系统设计与应用[J].环境监测管理与技术，2017，29（02）：1-3.[5]高金转，彭旭锋，张会新等.基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统的设计[J].电子器件，2016，39（03）：546-550.作者简介张子涧（1995-），男，大学本科学历。研究方向为自动化技术。作者单位沈阳工程学院自动化学院辽宁省沈阳市110136