0 引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，居民普遍使用電子溫度計或萬年歷自帶的溫度計來測量室內(nèi)溫度,，但是,，隨著環(huán)境污染的日趨嚴重及人們對生活質(zhì)量要求的提高，人們對室內(nèi)濕度,、二氧化碳濃度及光照強度的檢測也逐漸關(guān)注,。然而，目前為止適用于家居型檢測濕度,、光照強度及CO2濃度還沒有一種合適且適用的儀器,。小型倉庫中傳統(tǒng)的方法是采用濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進行檢測,，對不符合溫度和濕度要求的庫房進行通風,、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時費力,、效率低,，且測試的溫度及濕度誤差大、隨機性大,。因此我們需要一種性價比較高的溫濕度測量儀,。
本文設(shè)計研制一種新穎、方便,、實用,、結(jié)構(gòu)簡單的多功能測量儀，適用于家庭,、倉庫以及溫室等需要環(huán)境檢測的地方,。設(shè)計通過LCD顯示所監(jiān)測的結(jié)果，用戶可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果有效調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)備,，從而達到理想的環(huán)境狀態(tài),。

1 系統(tǒng)設(shè)計
1．1 設(shè)計任務(wù)
本文實現(xiàn)基于STC單片機的多功能測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)濕度檢測,、溫度檢測,、CO2濃度檢測、室內(nèi)光照強度檢測,、時間日期顯示的功能,。其中濕度的測量范圍為20～90％RH；溫度的檢測范圍為-55～+125℃,；CO2濃度測量范圍為350～10000ppmCO2,；室內(nèi)光照強度的測量范圍為0～2500lux；系統(tǒng)顯示當前時間和日期,，并可以通過按鍵進行修改當前時間日期,。
1．2 設(shè)計方案及工作原理
多功能檢測系統(tǒng)包括：電源模塊、控制器,、溫度檢測模塊,、濕度檢測模塊、照度檢測模塊,，CO2濃度檢測模塊,、時鐘模塊、鍵盤輸入模塊,、LCD顯示模塊,。如圖1所示,。

本控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為控制核心，該單片機具有高速,、低功耗,、超強抗干擾的特點，并且自帶8路10位精度AD轉(zhuǎn)換,；溫濕度檢測由數(shù)字式的溫度檢測傳感器DS18B20和濕度檢測傳感器DTH11實現(xiàn)，由于數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量,，因此在數(shù)據(jù)處理方面比較簡單,，且這兩款傳感器的性價比較高；時鐘模塊則是應(yīng)用了比較常用的DS1302時鐘芯片,，通過控制器與時鐘芯片的通訊實現(xiàn)得到比較準確的時間值,，另外，通過按鍵操作實現(xiàn)對時鐘的校準,；而對于照度和CO2濃度的檢測則比較復雜,，由于硅光電池和CO2檢測傳感器輸出信號是微弱的模擬信號，因此需要對得到的小信號進行調(diào)理,，調(diào)理后的信號信息送入單片機的AD口,，從而得到單片機可以處理的數(shù)字量；所有檢測結(jié)果及日期時間的顯示都是由LCD實現(xiàn),；由于信號調(diào)理電路中放大器采用雙電源供電,，因此電源模塊選用了交流220V轉(zhuǎn)±5V的電源模塊。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 控制電路
系統(tǒng)的控制電路是以STC12C5A60S2單片機為控制核心構(gòu)成的最小系統(tǒng),。另外,，為方便程序下載，設(shè)計了基于CH340的程序下載接口電路,，電路圖如圖2所示,。

2．2 檢測電路
根據(jù)傳感器輸出信號的不同，可分為數(shù)字式傳感器和模擬式傳感器兩種,。信號類型的不同導致了檢測電路的不同,。
2．2．1 溫濕度檢測電路
由于溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器DTH11均為數(shù)字量輸出，因此檢測電路十分簡單,，為了防止不確定信號的出現(xiàn),，需在信號的輸出端接4．7k的上拉電阻，如圖3所示,。

2．2．2 照度及CO2濃度檢測電路
由于光照檢測采用硅光電池,，信號為小信號的模擬量輸出，因此需要對信號進行調(diào)理,。CO2傳感器MG811的輸出同樣為模擬量電壓小信號,。其參數(shù)如表1所示,。

硅光電池測光強的原理是光生伏特效應(yīng)，即它是一種直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的半導體器件,，由硅光電池的特性曲線可知,，光伏電池輸出電流比輸出電壓的線性性要好，因此在此檢測其電流特性,。由實驗測試可得室內(nèi)的光照強度一般為0～2500lux,，此時硅光電池的輸出電流在0～0．15mA左右，在硅光電池兩端并聯(lián)一個100 Ω電阻,，可得此時的輸出電壓在0～15mV左右,。
為了將小信號調(diào)理為可以適合單片機處理的信號，對小信號進行放大濾波處理,。首先對小信號進行放大處理,，這里采用高輸入阻抗的差分放大器。其次,，放大器輸出的信號經(jīng)過二階有源低通濾波器,。最后信號進入單片機的AD口。信號調(diào)理電路如圖4所示,。

(1)差放大電路
因為電路中R3=R4,，R6=R8=R7=R9，故可導出兩級差?？傇鲆鏋椋?br />
通常,，第一級增益要盡量高，第二級增益一般為1～2倍,，這里第一級選擇100倍,，第二級為1倍。則取R6=R7=R8=R9=10KΩ,，要求匹配性好,，一般用金屬膜精密電阻，阻值可在10KΩ幾百KΩ間選擇,。則

先定R5,，通常在1～10kΩ內(nèi)，這里取R5=1k Ω,，則可由上式求得R3=99R1=49．5 kΩ,。
取標稱值51kΩ。通常R1和R2不要超過R5／2,，這里選R1=R2=510Ω,，用于保護運放輸入級。
A1和A2應(yīng)選用低溫飄,、高KCMRR的運放,，性能一致性要好,。
(2)有源低通濾波電路
由于濾波電路的輸入輸出信號為直流信號，因此在計算時選取的截止頻率為3Hz,。濾波電容C1=C2=1 μF,。

由式(3)(4)可得R=53078 Ω，A0=2,，所以在此取R10=R11=51k,。
信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后實際放大倍數(shù)A=200。而對于CO2傳感器,，根據(jù)輸入信號的不同,，選擇合適R3、R4,，其信號調(diào)理電路的增益為80。
2．2．3 時鐘模塊
本設(shè)計選用美國Dallas公司推出的一種高性能,、低功耗的實時時鐘芯片DS1302,，芯片采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù),。實時時鐘可提供秒,、分、時,、日,、星期、月和年,，一個月小與31天時可以自動調(diào)整,，且具有閏年補償功能。

工作電壓寬達2．5～5．5V,。采用雙電源供電(主電源和備用電源),，可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力,。電路連接如圖5所示,。

3 軟件設(shè)計
3．1 軟件系統(tǒng)設(shè)計
該系統(tǒng)軟件主要包括兩部分：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示。當系統(tǒng)上電之后,，系統(tǒng)首先進行初始化,；然后判斷標志位確定當前是否進行時鐘設(shè)置，如果是,，則通過按鍵調(diào)節(jié)時鐘,，如果否，則采集所有數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)處理,；最后將采集來的數(shù)據(jù)通過LCD顯示出來,。系統(tǒng)程序框圖如圖6所示,。

3．2 部分檢測軟件設(shè)計
對于光照強度檢測和CO2濃度檢測，存在模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化,，因此需要考慮AD轉(zhuǎn)換器的精度,，為了得到較準確的檢測值，在此使用STC12C5A60S2自帶的10位AD轉(zhuǎn)換接口,，即其精度為1／(210-1),。
對于光照強度檢測，經(jīng)信號調(diào)理電路后的輸出電壓為0～3V,，相應(yīng)的光照強度為0～2500lux,，假設(shè)AD轉(zhuǎn)換后的值為A，則此時對應(yīng)的光照強度為E,，如式(5),。

化簡得：E=(12500×A)／3069。因此,，通過程序編寫可以實現(xiàn)對光照強度的檢測,。

4 結(jié)論
設(shè)計了基于STC12C5A60S2的多功能測量系統(tǒng)，通過理論分析與實際電路焊接以及相關(guān)程序的編寫,，設(shè)計出了實物,。通過測試實現(xiàn)了溫濕度檢測、CO2濃度檢測,、室內(nèi)照度檢測,、時鐘顯示的功能。實驗結(jié)果良好,，測量精度在實際計算誤差范圍內(nèi),。