空氣質(zhì)量檢測儀的設(shè)計與制作

呂佳鳴

摘 要： 本文以單片機為主控芯片，通過控制一些傳感器，實現(xiàn)了對所測環(huán)境的溫濕度、CO和PM2.5濃度的監(jiān)測，而且當(dāng)CO和PM2.5濃度超標(biāo)時，可以實現(xiàn)報警和數(shù)據(jù)存儲的功能。由于本系統(tǒng)采用了51單片機的升級芯片IAP15F2K61S2，速度更快，功耗更低，測量結(jié)果精確，偏差小。同時應(yīng)用了ENC28J60模塊，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，與飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)時代相適應(yīng)，具有巨大的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： PM2.5濃度；CO濃度；溫度；濕度；檢測

中圖分類號：X85 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號1672-3791（2016）02（c）-0000-00

近幾年，我國大部分地區(qū)出現(xiàn)了霧霾天氣，有的地方霧霾非常嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了我們的日常生活。尤其在北方的農(nóng)村，人們?yōu)榱巳∨?，大部分家庭還是用傳統(tǒng)的煤爐，家中CO數(shù)值經(jīng)常超標(biāo)，因煤氣中毒的事件時有發(fā)生?？墒牵协h(huán)境監(jiān)測中心只在個別區(qū)域設(shè)有環(huán)境監(jiān)測點，人們只能參考附近監(jiān)測點的PM2.5的數(shù)據(jù)，來估測自己所處環(huán)境的情況，并且CO及溫濕度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)還需要不同的測量儀器來測量。人們迫切需要一款測量準(zhǔn)確、價格低廉、便攜方便的測量儀，使人們能隨時隨地監(jiān)測自己所處環(huán)境的PM2.5、CO及溫濕度等多項空氣質(zhì)量檢測指標(biāo)。

1.空氣質(zhì)量檢測儀的調(diào)查與設(shè)計

1.1調(diào)查問卷及結(jié)果分析

新產(chǎn)品的推出需要有市場，同樣我們的研究產(chǎn)品如果要投放市場，是否有銷路呢？我們利用休息時間走訪市場，隨時也采訪了一些群眾。根據(jù)群眾的反映，我們制定了調(diào)查問卷，調(diào)查人們對了解環(huán)境指標(biāo)的需求狀況。我們共發(fā)放調(diào)查問卷223份，收回的有效問卷205份。我們對收回的問卷進行了數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，分析的結(jié)果如下：

（1）人們意識到環(huán)境的優(yōu)劣與生活和健康息息相關(guān)。PM2.5、CO、溫濕度的數(shù)值高低對生活的影響普遍認(rèn)可。

（2）人們雖然意識到環(huán)境的重要性，但是不會主動去了解居住地PM2.5、CO、溫濕度的具體數(shù)值。

（3）人們雖然意識到環(huán)境的重要性，但是苦于家中沒有檢測儀器，不能直接了解居住地的PM2.5、CO的數(shù)值，所以人們主要是通過新聞報道和天氣預(yù)報來大致估測自己居住地的環(huán)境性能指標(biāo)。

（4）人們意識到環(huán)境優(yōu)劣對人們的健康有很大影響。人們也希望隨時能檢測居住地的PM2.5、CO、溫濕度的數(shù)值，如果有這樣的檢測儀器，人們還是希望擁有的。

1.2網(wǎng)上調(diào)查產(chǎn)品

我們在網(wǎng)上調(diào)查該類產(chǎn)品的信息，發(fā)現(xiàn)該類產(chǎn)品的不足有：

（1）有些公司制作了能監(jiān)測溫濕度，CO和PM2.5濃度的檢測儀，但一般用單片機STC89C52，檢測速度較慢，功耗較高。測量不夠精確。

（2）價格太高，且使用壽命短。

（3）產(chǎn)品使用220V交流電源，只要使用必須插入交流電，如果停電就無法使用。

1.3產(chǎn)品設(shè)想和創(chuàng)新

（1）本產(chǎn)品采用51單片機的升級芯片IAP15F2K61S2，結(jié)合相對應(yīng)的傳感器模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度，CO和PM2.5濃度的監(jiān)測。速度更快，功耗更低。測量更精確，偏差小。

（2）應(yīng)用AT24C02存儲芯片，能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r發(fā)生時的數(shù)據(jù)進行保存。

（3）應(yīng)用了ENC28J60模塊，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，與飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)時代相適應(yīng)。

（4）整個系統(tǒng)軟件上，采用了菜單式的程序結(jié)構(gòu)和模塊化的編程方式，通過按鍵控制12864液晶模塊來顯示各種信息。

（5）力爭能降低成本，價格使普通消費者都能接受。

（6）本產(chǎn)品設(shè)計成兩用插座，即可以使用220V交流電源，也可以使用移動電源，休息、工作時間都可使用。

1.4成本預(yù)算

一個51單片機的升級芯片IAP15F2K61S2大約30元，12864液晶顯示器30元左右，再加上其它傳感器及配件，空氣質(zhì)量檢測儀的成本價在160元左右。也屬于大眾消費，人們比較容易接受。

1.5空氣質(zhì)量檢測儀的設(shè)計框圖

隨著社會水平的不斷提高，人們的環(huán)保意識日益增強，越來越注重周圍環(huán)境的質(zhì)量與安全。因此，一個安全與舒適的生活工作環(huán)境可以使人們更加健康和快樂的享受生活?？諝赓|(zhì)量檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。

IAP15F2K61S2單片機為主控芯片，通過控制CO氣體傳感器，PM2.5傳感器，DHT11溫濕度傳感器，DS1302時鐘芯片，測量環(huán)境的溫濕度，CO和PM2.5濃度和時間，由12864液晶模塊進行顯示數(shù)據(jù)，AT24C02存儲芯片把測量數(shù)據(jù)進行存儲，以便數(shù)據(jù)的比較和分析。

2.設(shè)計與制作

2.1設(shè)計方案

根據(jù)檢測系統(tǒng)的需要，對系統(tǒng)的電路原理圖、系統(tǒng)的程序圖進行了詳細(xì)的設(shè)計，設(shè)計圖如圖2-1、2-2所示。

2.2制作過程

（1）準(zhǔn)備好單片機、傳感器、面包板、杜邦線、烙鐵、焊錫、萬用表等器件。

（2）根據(jù)設(shè)計圖及電路原理圖，在面包板上進行接線、測量數(shù)據(jù)及系統(tǒng)調(diào)試。

（3）用畫圖軟件Altium Designer畫出電路的原理圖，用激光打印機把PCB圖打印出來，用熱轉(zhuǎn)印機把打印好的PCB圖轉(zhuǎn)印在覆銅板上，用一定量的三氯化鐵腐蝕液腐蝕出圖形，用臺鉆手工鉆孔，并用砂紙將PCB板的細(xì)節(jié)處打磨好。

（4）按照圖紙在PCB板上插裝元件并焊接，焊接機械強度要足夠，焊點表面要光滑。焊接好后，進行最后的系統(tǒng)調(diào)試。經(jīng)調(diào)試，測量數(shù)據(jù)正確，如圖2-3所示。

3.應(yīng)用設(shè)計進行的相關(guān)實驗

看著自己做好的作品，感覺到了一種成就感。我?guī)е髌返绞覂?nèi)和路口分別進行檢測。

3.1路口檢測

用作品在路口檢測的結(jié)果如表3-1所示。

3.2室內(nèi)檢測

用作品在室內(nèi)檢測的結(jié)果如表3-2所示。

3.3檢測分析

（1）從表3-1和表3-2兩個檢測數(shù)據(jù)對比可以看出，路口的車流和人流都比較多，PM2.5值與室內(nèi)相比，較高。但是由于室內(nèi)通風(fēng)不夠通暢，CO的值室內(nèi)比室外高。溫度室內(nèi)比室外高，濕度室內(nèi)比室外低。數(shù)據(jù)結(jié)果都比較符合實際情況。

（2）在現(xiàn)場檢測時，自帶手表、溫度計和智能手機。溫度計上的溫度數(shù)值與作品的數(shù)值一致，手表的時間和作品的實測時間也一致。我用智能手機搜索網(wǎng)站上當(dāng)?shù)氐腜M2.5的數(shù)值、CO的數(shù)值，與作品所測數(shù)值稍微有些差值。我認(rèn)為，網(wǎng)上的公布值是用檢測地的數(shù)值大約代表一個城市的檢測情況。而作品能實時實地的檢測準(zhǔn)確位置的性能指標(biāo)。

3.4市民評價

11月7日，我去居民小區(qū)，向人們介紹我的作品，居民們爭先恐后的用我的儀器進行測量，還有熱心的群眾從家中拿來溫度計進行比對數(shù)值。他們一致反映，我的作品，小巧、實用、檢測精確度高，便于在家中放置。

4.結(jié)論與分析

4.1系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)是基于IAP15F2K61S2單片機制作的空氣質(zhì)量檢測儀，實現(xiàn)了溫濕度，CO濃度和PM2.5濃度的監(jiān)測。而且當(dāng)CO濃度和PM2.5濃度超標(biāo)時，可以實現(xiàn)報警和數(shù)據(jù)存儲的功能。

4.2使用說明

（1）上電開機。

（2）初始化，系統(tǒng)開始運行，實時監(jiān)測各種數(shù)據(jù)。

（3）按鍵選擇分別進入不同的功能頁面。

頁面1：時間和溫濕度的測量數(shù)據(jù)；

頁面2：PM2.5濃度和CO濃度的測量數(shù)據(jù)；

頁面3：溫度和濕度用優(yōu)、良、差分等級表示；

頁面4：PM2.5濃度和CO濃度用優(yōu)、良、差分等級表示。

4.3作品的實用性

（1）能夠?qū)崟r檢測溫濕度，CO濃度和PM2.5濃度的數(shù)據(jù)。

（2）可視化程度高，可以在12864液晶屏幕上顯示所有信息。

（3）采用了51單片機的升級芯片IAP15F2K61S2，速度更快，功耗更低。

（4） 能夠?qū)Νh(huán)境狀況進行精確的測量，偏差小。

4.5作品的創(chuàng)新性

（1）應(yīng)用了AT24C02存儲芯片，能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r發(fā)生時的數(shù)據(jù)進行保存。

（2）應(yīng)用了ENC28J60模塊，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，與飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)時代相適應(yīng)。

（3）整個系統(tǒng)軟件上，采用了菜單式的程序結(jié)構(gòu)和模塊化的編程方式，通過按鍵控制12864液晶模塊來顯示各種信息，操作方便，精確度高。

（4）硬件上使用的都是集成模塊，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單。整個系統(tǒng)具有非常重要的實用價值，可應(yīng)用在家庭，企業(yè)，機關(guān)，實驗室，公共場合等各種環(huán)境下。

主要參考文獻：

[1] 李升.單片機原理與接口技術(shù)，北京：北京大學(xué)出版社， 2011.7

[2] 郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.8

[3] 王化祥.自動檢測技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2009.8

[4] 譚浩強.C程序設(shè)計（第四版）.北京：清華大學(xué)出版社， 2010.7