基于STC12C5A60S2的多功能测量系统设计

摘要：本文介绍了基于STC12C5A60S2单片机的多功能测量系统，系统实现对空气温湿度、CO2浓度以及室内光照强度的检测，同时具有万年历时钟显示功能。阐述了系统硬件和软件的整体设计方案、器件选型、单元电路设计及整体电路连接。通过理论分析及实验证明能有效测出温湿度、CO2含量及室内光照强度，测量准确，参数调节方便，使用效果良好。
关键词：单片机；传感器；信号采集；信号调理

0 引言
    随着电子技术的发展，居民普遍使用电子温度计或万年历自带的温度计来测量室内温度，但是，随着环境污染的日趋严重及人们对生活质量要求的提高，人们对室内湿度、二氧化碳浓度及光照强度的检测也逐渐关注。然而，目前为止适用于家居型检测湿度、光照强度及CO2浓度还没有一种合适且适用的仪器。小型仓库中传统的方法是采用湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大、随机性大。因此我们需要一种性价比较高的温湿度测量仪。
    本文设计研制一种新颖、方便、实用、结构简单的多功能测量仪，适用于家庭、仓库以及温室等需要环境检测的地方。设计通过LCD显示所监测的结果，用户可以根据监测结果有效调节相关设备，从而达到理想的环境状态。

1 系统设计
1．1 设计任务
    本文实现基于STC单片机的多功能测量系统，可以实现湿度检测、温度检测、CO2浓度检测、室内光照强度检测、时间日期显示的功能。其中湿度的测量范围为20～90％RH；温度的检测范围为-55～+125℃；CO2浓度测量范围为350～10000ppmCO2；室内光照强度的测量范围为0～2500lux；系统显示当前时间和日期，并可以通过按键进行修改当前时间日期。
1．2 设计方案及工作原理
    多功能检测系统包括：电源模块、控制器、温度检测模块、湿度检测模块、照度检测模块，CO2浓度检测模块、时钟模块、键盘输入模块、LCD显示模块。如图1所示。

    本控制系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心，该单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点，并且自带8路10位精度AD转换；温湿度检测由数字式的温度检测传感器DS18B20和湿度检测传感器DTH11实现，由于数字式传感器输出为数字量，因此在数据处理方面比较简单，且这两款传感器的性价比较高；时钟模块则是应用了比较常用的DS1302时钟芯片，通过控制器与时钟芯片的通讯实现得到比较准确的时间值，另外，通过按键操作实现对时钟的校准；而对于照度和CO2浓度的检测则比较复杂，由于硅光电池和CO2检测传感器输出信号是微弱的模拟信号，因此需要对得到的小信号进行调理，调理后的信号信息送入单片机的AD口，从而得到单片机可以处理的数字量；所有检测结果及日期时间的显示都是由LCD实现；由于信号调理电路中放大器采用双电源供电，因此电源模块选用了交流220V转±5V的电源模块。

2 硬件电路设计
2．1 控制电路
    系统的控制电路是以STC12C5A60S2单片机为控制核心构成的最小系统。另外，为方便程序下载，设计了基于CH340的程序下载接口电路，电路图如图2所示。

2．2 检测电路
    根据传感器输出信号的不同，可分为数字式传感器和模拟式传感器两种。信号类型的不同导致了检测电路的不同。
2．2．1 温湿度检测电路
    由于温度传感器DS18B20和湿度传感器DTH11均为数字量输出，因此检测电路十分简单，为了防止不确定信号的出现，需在信号的输出端接4．7k的上拉电阻，如图3所示。

2．2．2 照度及CO2浓度检测电路
    由于光照检测采用硅光电池，信号为小信号的模拟量输出，因此需要对信号进行调理。CO2传感器MG811的输出同样为模拟量电压小信号。其参数如表1所示。

    硅光电池测光强的原理是光生伏特效应，即它是一种直接把光能转化成电能的半导体器件，由硅光电池的特性曲线可知，光伏电池输出电流比输出电压的线性性要好，因此在此检测其电流特性。由实验测试可得室内的光照强度一般为0～2500lux，此时硅光电池的输出电流在0～0．15mA左右，在硅光电池两端并联一个100 Ω电阻，可得此时的输出电压在0～15mV左右。
    为了将小信号调理为可以适合单片机处理的信号，对小信号进行放大滤波处理。首先对小信号进行放大处理，这里采用高输入阻抗的差分放大器。其次，放大器输出的信号经过二阶有源低通滤波器。最后信号进入单片机的AD口。信号调理电路如图4所示。

    (1)差放大电路
    因为电路中R3=R4，R6=R8=R7=R9，故可导出两级差模总增益为：
   
    通常，第一级增益要尽量高，第二级增益一般为1～2倍，这里第一级选择100倍，第二级为1倍。则取R6=R7=R8=R9=10KΩ，要求匹配性好，一般用金属膜精密电阻，阻值可在10KΩ几百KΩ间选择。则
   
    先定R5，通常在1～10kΩ内，这里取R5=1k Ω，则可由上式求得R3=99R1=49．5 kΩ。
    取标称值51kΩ。通常R1和R2不要超过R5／2，这里选R1=R2=510Ω，用于保护运放输入级。
    A1和A2应选用低温飘、高KCMRR的运放，性能一致性要好。
    (2)有源低通滤波电路
    由于滤波电路的输入输出信号为直流信号，因此在计算时选取的截止频率为3Hz。滤波电容C1=C2=1 μF。
   
    由式(3)(4)可得R=53078 Ω，A0=2，所以在此取R10=R11=51k。
    信号经过信号调理电路后实际放大倍数A=200。而对于CO2传感器，根据输入信号的不同，选择合适R3、R4，其信号调理电路的增益为80。
2．2．3 时钟模块
    本设计选用美国Dallas公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片DS1302，芯片采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。

    工作电压宽达2．5～5．5V。采用双电源供电(主电源和备用电源)，可设置备用电源充电方式，提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。电路连接如图5所示。

3 软件设计
3．1 软件系统设计
    该系统软件主要包括两部分：数据采集和数据显示。当系统上电之后，系统首先进行初始化；然后判断标志位确定当前是否进行时钟设置，如果是，则通过按键调节时钟，如果否，则采集所有数据并进行相应处理；最后将采集来的数据通过LCD显示出来。系统程序框图如图6所示。

3．2 部分检测软件设计
    对于光照强度检测和CO2浓度检测，存在模拟量向数字量的转化，因此需要考虑AD转换器的精度，为了得到较准确的检测值，在此使用STC12C5A60S2自带的10位AD转换接口，即其精度为1／(210-1)。
    对于光照强度检测，经信号调理电路后的输出电压为0～3V，相应的光照强度为0～2500lux，假设AD转换后的值为A，则此时对应的光照强度为E，如式(5)。
   
    化简得：E=(12500×A)／3069。因此，通过程序编写可以实现对光照强度的检测。

4 结论
    设计了基于STC12C5A60S2的多功能测量系统，通过理论分析与实际电路焊接以及相关程序的编写，设计出了实物。通过测试实现了温湿度检测、CO2浓度检测、室内照度检测、时钟显示的功能。实验结果良好，测量精度在实际计算误差范围内。