環境監測控制系統設計分析

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1系統設計框圖

系統硬件電路主要包括單片機最小系統、電源模塊、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、火焰傳感器、以太網模塊、電動機驅動及直流電動機系統等，其硬件設計框圖如圖1所示。本環境監測系統主要以STC15F2K60S2單片機為控制核心，由以太網模塊、環境參數監測傳感器、顯示部件和報警裝置等外圍設備構成環境監測系統。當環境參數超過用戶設定的值時，報警器報警，環境監測數據通過以太網傳輸到上位機，從而實現遠程監控。

2電路設計

2.1按鍵及顯示電路的設計。按鍵、顯示接口電路由STC15F2K60S2單片機最小系統、按鍵接口電路和液晶顯示電路組成。本環境檢測系統一共設置5個獨立按鍵，在單片機上電之后，通過按鍵可以對報警閾值進行適時調整，不需要重新修改程序，這樣可以為用戶帶來極大的方便，簡化了操作的過程。LCD1602顯示屏同時可以顯示兩行數據，每行可以顯示16個字符，第一行顯示報警閾值，用戶可以根據自己的需求進行調整，第二行實時顯示當前檢測到的環境參數值，電路如圖2所示。2.2以太網模塊電路設計。系統以太網模塊電路設計采用的是一種內部集成了10/100Mbps以太網控制器的多功能網絡接口芯片W5100，其主要主要特點是高集成度、高穩定性、高性能、低成本，廣泛應用于嵌入式系統中。此外W5100在沒有操作系統的情況下，亦能實現互聯網連接。W5100模塊與單片機有三種通信方式，分別為直接總線接口、間接總線接口和SPI總線接口。第一，直接總線接口方式，采用地址總線15根，數據總線8根，還有CS、RD、WR、INT等信號線；第二，間接總線接口方式，采用地址總線2根，數據總線8，還有CS、RD、WR、INT等信號線；第三，SPI總線接口方式，采用信號線4根，分別是SCLK、SCS、MOSI、MISO等信號線。由此可知，前兩種總線接口方式較為復雜，且占用的單片機引腳數較多，不利于其他功能的擴展，因此本系統采用SPI總線接口方式與單片機進行通信[2]。W5100的SP1_EN引腳接高電平，選擇SPI總線接口方式，與單片機的接口電路如圖3所示。2.3溫濕度監測電路設計。系統溫濕度監測傳感器采用的是數字溫濕度傳感器DHT11。DHT11是一款帶有校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有4個引腳，具體引腳功能分別為VDD為電源端，范圍為3.3-5.5V；DQ為單線制串行接口數據總線；NC為空管腳，表示未連接；GND為接地端。DHT11與單片機的接口電路電路如圖4所示，其中圖中電阻R1為上拉電阻。2.4照明燈亮度監測電路設計。火焰傳感器由高溫固體顆粒組成，如燃燒產物、中間體、高溫氣體、烴類物質和無機物。火焰的熱輻射具有離散的氣體輻射譜和連續的固體輻射譜。不同燃燒材料的火焰輻射強度和波長分布不同，但一般來說，火焰溫度的近紅外波長和紫外區域具有很大的輻射強度。根據這種特性，可以制作火焰傳感器。照明燈亮度監測電路如圖5所示。2.5可燃氣體監測電路設計。系統可燃氣體監測模塊采用的是MQ-2型煙霧傳感器，其屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子型N型半導體。當環境的可燃氣體濃度變化時，MQ-2型煙霧傳感器的輸出端電壓也會隨之發生變化，可燃氣體濃度越高，輸出電壓就越大，系統可燃氣體監測電路如圖6所示。MQ-2型煙霧傳感器的4引腳輸出是隨可燃氣體濃度變化的直流電壓，被加到電壓比較器LM393的6引腳；電位器R16構成電壓比較器的閾值電壓，接到電壓比較器的5引腳。當可燃氣體濃度使MQ2輸出電壓高于閾值電壓時，電壓比較器7引腳輸出為低電平，此時LED1亮，進行報警；當濃度降低使MQ2傳感器的輸出電壓低于閾值電壓時，比較器輸出為高電平，LED1熄滅。調節電位器R16可以調節比較器的閾值電壓，從而調節報警輸出的靈敏度。電阻R5串入MQ2傳感器的加熱回路，可以保護加熱絲免受冷上電時的沖擊。

3軟件設計

環境監測系統設計軟件流程是在系統上電啟動之后，首先要對系統各個模塊進行初始化處理，然后進入顯示界面，單片機讀取傳感器監測到的數據，判斷檢測到的數據是否超標，如果超標，報警燈開啟，報警器進行報警，否則顯示數據，將數據通過以太網模塊上傳至上位機，如果有按鍵按下進行參數調節，否則判斷上位機是否接收到數據，如果接收到數據與預期指令進行對比判斷是否一致，如果一致單片機執行指令，否則重新讀取數據。

4結論

本文介紹一個基于以太網的環境監測控制系統的設計及軟件設計流程。本環境監測系統擁有可靠的環境信息采集和分析能力，系統的可擴展性比較靈活，有利于降低環境監測成本，能夠對環境的信息進行實時監測，并反饋給用戶做出相應的調整。

參考文獻：

[1]蔣峰.W5100在遠程溫度采集系統中的應用[J].化工自動化及儀表,2011,38(2):214-217.

[2]韓丹翱,王菲.DHT11數字式溫濕度傳感器的應用性研究[J].電子設計工程,2013,21(13):83-85+88.

作者:方舟