基于单片机的实验室智能环境监测系统的设计与制作

基于单片机的实验室智能环境监测系统
的设计与制作
摘要：针对当前高校实验室环境条件无法监控，且实验室环境因数影响实
验仪器、实验结果等问题，设计一种以STC89C52开发板为核心，具有多种数据
采集，LCD显示数据、蜂鸣器报警和无线WIFI传输监测数据等功能。

该系统测量
精度高，具有较好的移植性和易用性。

在不影响现有实验室的教学进行前提下，
实现智能环境监测。

关键词：STC89C52单片机；传感器；环境监测；WIFI
1引言
在智能化建设普遍实行的时代下，高校实验室安全环境监测是一个十分重要
的部分。

实验室的环境参数直接影响实验仪器的寿命，以及实验结果的准确性。

同时实验室具有利用率高、人员集中且流动性大等特点，如何保证现有实验室的
教学活动不受影响，实时掌握实验室的环境参数数据，并及时发现实验室的异常
隐患，已成为实验室管理中不可缺少的一环。

基于上述背景，本文设计了基于STC89C52单片机的实验室智能环境监测系统，通过温湿度传感器、光照强度传感器、烟雾传感器、粉尘传感器实时对高校
实验室环境中的温湿度、粉尘、烟雾和光照强度等数据进行有效的采集并在液晶
显示屏上显示，同时具有蜂鸣器报警并通过WIFI模块，实现数据的无线传输。

2系统设计
本系统以STC89C52单片机为核心，融合4类传感器，分别是温湿度传感器、光强采集电路、粉尘传感电路、烟雾传感器实现自动检测。

同时搭配LCD显示电路、WIFI电路和报警电路，系统框图如图1所示，可以实现如下功能：
（1）实时检测当前环境中的温湿度、光照强度、烟雾的浓度和粉尘浓度，并将数值显示在液晶显示屏上；
（2）当烟雾浓度高于阈值时，触发报警电路，等待处理，直到烟雾浓度低于阈值时，停止报警，同时，当粉尘浓度与温湿度低于或高于阈值时也会触发报警。

（3）利用WIFI模块可以将设备与手机APP相连接，可以实时将监测数据发送到手机上。

图1 系统框图
3硬件设计
3.1 单片机最小系统
本系统单片机最小系统以AT89C52为主控芯片，因为AT89C52内部有8字节可编程的 Flash 闪速存储器，所以在组成最小系统时只需要有晶振电路、复位电路等外围电路组成，不需要外扩程序存储器，其最小系统电路图如图2所示。

其中复位电路由10μF的有极性的电容C1、复位按键S1和10k电阻R1组成，其中R1和C1组成 RC 振荡器，单片机工作所需的信号脉冲由晶振电路提供，由电容 C2、C3和11.059 2 MHz 晶振Y1组成。

单片机运行过程中出现死机时，按下复位按键S1后，该电路的RST端为高电平，给单片机的9号引脚一个高电平信号使系统重新工作，当没有按下复位按键S1时，电源给电容C1充电。

图2 单片机最小系统
3.2 光强采集电路
光强采集模块硬件设计方面，本系统设计选用了GY-30，一款内置ROHM-
BH1750FLV芯片的数字光照强度模块,用于光照强度采集。

模块整体电路如图3所示。

图3 光照监测电
路图 4 温湿度传感器
3.3 温湿度传感器电路
本系统设计采用DHT11温湿度传感器如图4，与单片机相连接时，DHT11可直接将转换的数字量输入到主控芯片中，其温度测量范围为-20～60℃，湿度测量范围为20%～95%。

在温湿度检测电路设计中，必须外接一个上拉电阻，使传感器在常规状态下呈现高电平，因为 DHT11数字温湿度传感器仅有一个单总线串行输出接口，造成了其发送和接收必须为三态特性。

3.4 烟雾传感器电路
烟雾浓度的检测采用MQ-2传感器，如图5所示，该传感器内部采用的气敏
材料是SnO2，其电导率能随空气中可燃气体浓度的增加而增大，因此根据电阻的
变化就可以对烟雾的浓度进行检测。

图5 烟雾传感器电
路
图 6 粉尘传感器电路
3.5 粉尘传感电路
粉尘传感电路应用到GP2Y1010AU灰尘传感器，此传感器内部成对角分布的
红外发光二极管和光电晶体管，利用光敏原理来工作。

用于检测特别细微的颗粒，如香烟颗粒、细微灰尘。

依靠输出脉冲的高度来判断颗粒浓度，电路图如图6。

3.6 液晶显示电路
为了能够直观地观察到各个检测模块检测的各种环境气体参数值，各个检测
模块需要一个显示器，能过直观的观察检测的环境气体参数值。

采用了低电压微
损耗的液晶显示器 LCD12864-ST79XX作为显示电路的主元件，它利用显示模块灵
活的接口方式以及简单、方便的操作，完成显示数据的显示，电路图如图7所示。

图7 液晶显示电路图8 报警电路图9 WIFI模块
3.7 报警电路
报警电路由单片机的控制引脚、PNP三极管以及蜂鸣器组成，实现系统的报警功能。

当室内检测的各项数值低于或高于设定值时，蜂鸣器开始报警，电路图如图8所示。

3.8 WIFI电路
ESP8266EX具有强大的片上处理和存储能⼒，上电默认为AP模式，单片机先通过发送AT指令，在WIFI模块上建立一个服务器，手机与 WIFI模块的服务器连接成功后就可以通过串口收发数据了，这时的WIFI模块就可当作一个串口设备来使用，通信波特率是9600。

在硬件电路上， WIFI 模块的 8 引脚接单片机串口的RXD，WIFI模块的1引脚接单片机串口的TXD，WIFI电路如图9所示。

4软件设计
本系统软件设计采用模块化设计，系统主程序流程图如图10所示，系统上电后先进行初始化，设备发出WIFI信号可以与连接的手机APP实时同步监测数据，然后调用各个子程序获取室内环境中各种参数的相关数值，并在系统液晶显示屏上显示。

同时，对需要报警的子程序设置上限值，检测参数时超出此限定值时，系统的报警电路会发出报警信号。

图 10 检测主机流程图
5实物制作
将设备与电源连接，打开手机连接设备发出的WIFI信号，打开APP与设备同步成功，设备可以开始实时监测各项数据，且可以实时将数据同步在APP和显示屏上，当数据处于安全范围内时，设备保持监测状态，当有任意数值高于阈值时，蜂鸣器启动报警且指示灯亮起，最后运行成果图如图11，图12所示。

图 11常状态下监
测图 12超过阈值报警状态下监测
6结语
为了给学生营造一个更好的实验环境，有效配合实验室管理人员完成实验室的日常管理工作，设计一款基于STC89C52单片机的实验室智能环境监测系统。

系统融合多传感器技术实现温湿度检测、粉尘监测、可燃气体检测和光照强度检测等环境信息的实时探测显示和无线传输，当检测到数值超标时，系统及时驱动报警。

经过测试，系统各项功能工作正常，基本达到预期目的，具有较强的实用价值，未来可应用于高校实验室智能化建设中。

参考文献：
[1] 胡林林,付龙,吴伟.基于AT89C52单片机的智能家居环境监测系统设计[J].信息技术与信息化,2021(12):75-78.
[2] 邢娟,秦丹,战丽波.基于Wi Fi的智能实验室环境监测和监控系统设计[J].实验室研究与探索,2019,38(03):265-268+272.
[3] 黄仕凰,钟俊年.基于单片机的实验室内环境智能监控系统的设计[J].电子制作,2014(08):67-68.
[4] 张慧颖,陈玲玲,吴博.高校实验室环境安全智能监控系统设计[J].实验技术与管理,2020,37(05):268-274.
项目来源：2023年大学生创新创业训练计划项目（项目名称：高校实验室智能环境与安全防范系统）。