环境监测控制系统设计分析

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1系统设计框图

系统硬件电路主要包括单片机最小系统、电源模块、烟雾传感器、温湿度传感器、火焰传感器、以太网模块、电动机驱动及直流电动机系统等，其硬件设计框图如图1所示。本环境监测系统主要以STC15F2K60S2单片机为控制核心，由以太网模块、环境参数监测传感器、显示部件和报警装置等外围设备构成环境监测系统。当环境参数超过用户设定的值时，报警器报警，环境监测数据通过以太网传输到上位机，从而实现远程监控。

2电路设计

2.1按键及显示电路的设计。按键、显示接口电路由STC15F2K60S2单片机最小系统、按键接口电路和液晶显示电路组成。本环境检测系统一共设置5个独立按键，在单片机上电之后，通过按键可以对报警阈值进行适时调整，不需要重新修改程序，这样可以为用户带来极大的方便，简化了操作的过程。LCD1602显示屏同时可以显示两行数据，每行可以显示16个字符，第一行显示报警阈值，用户可以根据自己的需求进行调整，第二行实时显示当前检测到的环境参数值，电路如图2所示。2.2以太网模块电路设计。系统以太网模块电路设计采用的是一种内部集成了10/100Mbps以太网控制器的多功能网络接口芯片W5100，其主要主要特点是高集成度、高稳定性、高性能、低成本，广泛应用于嵌入式系统中。此外W5100在没有操作系统的情况下，亦能实现互联网连接。W5100模块与单片机有三种通信方式，分别为直接总线接口、间接总线接口和SPI总线接口。第一，直接总线接口方式，采用地址总线15根，数据总线8根，还有CS、RD、WR、INT等信号线；第二，间接总线接口方式，采用地址总线2根，数据总线8，还有CS、RD、WR、INT等信号线；第三，SPI总线接口方式，采用信号线4根，分别是SCLK、SCS、MOSI、MISO等信号线。由此可知，前两种总线接口方式较为复杂，且占用的单片机引脚数较多，不利于其他功能的扩展，因此本系统采用SPI总线接口方式与单片机进行通信[2]。W5100的SP1_EN引脚接高电平，选择SPI总线接口方式，与单片机的接口电路如图3所示。2.3温湿度监测电路设计。系统温湿度监测传感器采用的是数字温湿度传感器DHT11。DHT11是一款带有校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有4个引脚，具体引脚功能分别为VDD为电源端，范围为3.3-5.5V；DQ为单线制串行接口数据总线；NC为空管脚，表示未连接；GND为接地端。DHT11与单片机的接口电路电路如图4所示，其中图中电阻R1为上拉电阻。2.4照明灯亮度监测电路设计。火焰传感器由高温固体颗粒组成，如燃烧产物、中间体、高温气体、烃类物质和无机物。火焰的热辐射具有离散的气体辐射谱和连续的固体辐射谱。不同燃烧材料的火焰辐射强度和波长分布不同，但一般来说，火焰温度的近红外波长和紫外区域具有很大的辐射强度。根据这种特性，可以制作火焰传感器。照明灯亮度监测电路如图5所示。2.5可燃气体监测电路设计。系统可燃气体监测模块采用的是MQ-2型烟雾传感器，其属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子型N型半导体。当环境的可燃气体浓度变化时，MQ-2型烟雾传感器的输出端电压也会随之发生变化，可燃气体浓度越高，输出电压就越大，系统可燃气体监测电路如图6所示。MQ-2型烟雾传感器的4引脚输出是随可燃气体浓度变化的直流电压，被加到电压比较器LM393的6引脚；电位器R16构成电压比较器的阈值电压，接到电压比较器的5引脚。当可燃气体浓度使MQ2输出电压高于阈值电压时，电压比较器7引脚输出为低电平，此时LED1亮，进行报警；当浓度降低使MQ2传感器的输出电压低于阈值电压时，比较器输出为高电平，LED1熄灭。调节电位器R16可以调节比较器的阈值电压，从而调节报警输出的灵敏度。电阻R5串入MQ2传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。

3软件设计

环境监测系统设计软件流程是在系统上电启动之后，首先要对系统各个模块进行初始化处理，然后进入显示界面，单片机读取传感器监测到的数据，判断检测到的数据是否超标，如果超标，报警灯开启，报警器进行报警，否则显示数据，将数据通过以太网模块上传至上位机，如果有按键按下进行参数调节，否则判断上位机是否接收到数据，如果接收到数据与预期指令进行对比判断是否一致，如果一致单片机执行指令，否则重新读取数据。

4结论

本文介绍一个基于以太网的环境监测控制系统的设计及软件设计流程。本环境监测系统拥有可靠的环境信息采集和分析能力，系统的可扩展性比较灵活，有利于降低环境监测成本，能够对环境的信息进行实时监测，并反馈给用户做出相应的调整。

参考文献：

[1]蒋峰.W5100在远程温度采集系统中的应用[J].化工自动化及仪表,2011,38(2):214-217.

[2]韩丹翱,王菲.DHT11数字式温湿度传感器的应用性研究[J].电子设计工程,2013,21(13):83-85+88.

作者:方舟