基于51单片机环境监测设计 光照 PM2.5粉尘 温湿度 2.4G无线通信

1 系统功能介绍

本设计是一套 基于51单片机的环境监测系统，能够实时采集环境光照、PM2.5、温湿度等参数，并通过 2.4G无线模块 NRF24L01 实现数据传输。系统具备本地显示与报警功能，可通过按键设置各类阈值和时间，方便用户进行环境管理与监控。系统综合应用了传感器技术、无线通信技术和液晶显示技术，适用于家庭、办公室以及小型公共场所的环境监控。

系统主要功能包括：

1. 温湿度监测功能：通过 DHT11 传感器采集环境温度和湿度值，并在 LCD12864 上显示。
2. 粉尘浓度检测功能：利用 GP2Y1050AU0F PM2.5 传感器实时采集空气粉尘浓度，显示在液晶屏上，同时支持超标报警。
3. 光照强度监测功能：采用 BH1750FVI 光强传感器获取环境光照强度，并直观显示在 LCD12864 上。
4. 无线通信功能：系统通过 NRF24L01 模块实现与远端主控系统的数据通信，可上传实时监测数据，便于远程管理。
5. 阈值报警功能：通过按键设置温湿度上下限和 PM2.5 上限，当测量值超出设定范围时，蜂鸣器报警并 LED 指示灯点亮提示。
6. 时间与日期设置功能：用户可通过按键调整系统时间和日期，确保数据记录准确。
7. 人机交互功能：采用 LCD12864 显示中文信息，清晰显示各项监测数据，并配合按键实现参数设置，操作直观方便。

该系统将传感器数据采集、无线通信、数据显示和报警控制结合在一起，实现了环境监测的智能化和远程管理能力。

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2 系统电路设计

本系统由多个功能模块组成，各模块相互协作，完成数据采集、处理、显示、报警和无线通信。以下对每个模块进行详细介绍。

2.1 单片机最小系统

• 核心芯片：STC89C52 单片机，基于 8051 内核，具有丰富的 I/O 口和定时器资源。

• 功能：

  • 接收来自各类传感器的数据信号；
  • 执行阈值判断、报警逻辑以及无线数据发送；
  • 驱动 LCD12864 显示监测数据和设置界面；
  • 控制蜂鸣器和 LED 指示灯。

• 设计要点：

  • 外接晶振电路，保证单片机稳定运行；
  • 上电复位电路确保系统可靠启动。

2.2 LCD12864 液晶显示模块

• 功能：以中文形式显示环境监测数据，包括温度、湿度、PM2.5、光照强度、时间及日期等信息。

• 显示设计：

  • 第一屏显示温湿度及其上下限；
  • 第二屏显示 PM2.5 浓度及光照强度；
  • 可动态切换显示设置界面。

• 电路特性：

  • 采用 8 位并口与单片机通信；
  • 外接电位器调节对比度。

2.3 温湿度传感器 DHT11

• 功能：采集环境温度和湿度。

• 接口：单线接口，单片机通过定时读取数据。

• 设计注意：

  • 添加上拉电阻保证数据传输稳定；
  • 采集周期根据应用需求设置，一般 2 秒更新一次。

2.4 PM2.5 粉尘传感器 GP2Y1050AU0F

• 功能：采集空气中粉尘浓度，并输出模拟电压。

• 电路设计：

  • 通过单片机的 ADC 输入读取电压值；
  • 采用稳压电源和滤波电路提高信号精度。

• 注意事项：在使用过程中需要定时清理传感器入口，确保数据准确。

2.5 光照传感器 BH1750FVI

• 功能：检测环境光照强度（单位 lux）。

• 接口：I2C 总线与单片机通信，节省 I/O 资源。

• 电路设计：

  • SDA 和 SCL 通过上拉电阻接 VCC；
  • 稳定电源供电，避免光照值测量波动。

2.6 按键模块

• 功能：用于设置温湿度上下限、PM2.5 上限、日期时间等参数。

• 设计方式：

  • 多按键组合实现加、减、确认、切换功能；
  • 单片机内部上拉电阻，按键按下输入低电平；
  • 软件防抖处理确保稳定操作。

2.7 蜂鸣器与 LED 报警模块

• 蜂鸣器功能：超标报警提示。

• LED 功能：超标时点亮，提供直观指示。

• 电路设计：

  • 蜂鸣器为有源类型，由单片机 I/O 口驱动；
  • LED 通过限流电阻连接，保证安全工作电流。

2.8 NRF24L01 无线模块

• 功能：实现 2.4G 无线数据传输，发送环境数据到远端接收端。

• 接口：SPI 总线，与单片机通信。

• 设计要点：

  • 电源要求稳定 3.3V，防止模块重启；
  • 天线方向对准远端接收器，保证通信距离与稳定性；
  • 需要对通信地址和频道进行配置，避免干扰。

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3 程序设计

系统程序采用模块化设计，主要包括初始化、数据采集、显示、按键处理、阈值判断、报警控制和无线通信等模块。

3.1 系统初始化

#include <reg52.h>
#include "lcd12864.h"
#include "dht11.h"
#include "bh1750.h"
#include "pm25.h"
#include "nrf24l01.h"unsigned int temp, hum; 
unsigned int pm25_value;
unsigned int lux;
unsigned int temp_upper=30, temp_lower=20;
unsigned int hum_upper=70, hum_lower=40;
unsigned int pm25_upper=150;void System_Init(void){LCD12864_Init();DHT11_Init();BH1750_Init();PM25_Init();NRF24L01_Init();LCD12864_ShowString(0,0,"Env Monitor Init...");
}

3.2 温湿度采集模块

void Read_TempHum(void){DHT11_Read(&temp,&hum);
}

3.3 PM2.5 采集模块

void Read_PM25(void){pm25_value = PM25_Read();
}

3.4 光照采集模块

void Read_Light(void){lux = BH1750_Read();
}

3.5 LCD 显示模块

void Display_Data(void){LCD12864_Clear();LCD12864_ShowString(0,0,"Temp:");LCD12864_ShowNum(6,0,temp,2);LCD12864_ShowString(10,0,"C");LCD12864_ShowString(0,1,"Hum:");LCD12864_ShowNum(4,1,hum,2);LCD12864_ShowString(8,1,"%");LCD12864_ShowString(0,2,"PM2.5:");LCD12864_ShowNum(6,2,pm25_value,3);LCD12864_ShowString(0,3,"Light:");LCD12864_ShowNum(6,3,lux,4);
}

3.6 按键设置模块

void Key_Scan(void){if(KEY_SET == 0){// 进入设置模式}if(KEY_ADD == 0){// 增加当前参数}if(KEY_SUB == 0){// 减少当前参数}
}

3.7 阈值判断与报警模块

sbit BEEP = P2^0;
sbit LED = P2^1;void Alarm_Control(void){if(temp>temp_upper || temp<temp_lower || hum>hum_upper || hum<hum_lower || pm25_value>pm25_upper){BEEP=0; // 报警LED=0;} else {BEEP=1;LED=1;}
}

3.8 NRF24L01 数据传输模块

void Wireless_Upload(void){char buf[32];sprintf(buf,"T:%d,H:%d,PM:%d,L:%d",temp,hum,pm25_value,lux);NRF24L01_Send(buf);
}

3.9 主