空氣粉塵濃度檢測器電路設(shè)計(jì)與軟件編程

李冉　朱思清　王翊　錢國明

【摘 要】本設(shè)計(jì)以ATmega382p單片機(jī)為控制中心，由GP2Y1010AU0F光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器測量空氣粉塵濃度，通過單片機(jī)內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，得到粉塵濃度值，并由LCD1602顯示屏顯示出來。同時(shí)，設(shè)置濃度預(yù)警值并同測量值一起顯示在顯示屏上。當(dāng)測量濃度超過預(yù)警值時(shí)，儀器就會報(bào)警。

【關(guān)鍵詞】粉塵；單片機(jī)；傳感器；A/D轉(zhuǎn)換

【Abstract】Adopts ATmega382p microcomputer as the control center of the design， uses GP2Y1010AU0F optical air quality sensor measuring air dust concentration， then through the 10 bit A/D conversion built in the microcomputer converting the analog voltage signal into digital signal， so that dust concentration can gained and finally showed out by the LCD1602. At the same time， set the warning value of the concentration and showed together with the measured value. When the measured concentration exceeds the warning value， the instrument will alarm.

【Key words】Dust； Microcomputer； Sensor； A/D Conversion

0 引言

隨著人類工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。除廢氣、廢水外，顆粒狀粉塵、煙塵向大氣排放所造成的污染已成為一個(gè)十分突出的問題。PM2.5，PM10，PM0.1及其吸附的重金屬粒子是霧霾的重要組成部分[1]。2012年2月，《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》新增了對PM2.5的檢測指標(biāo)，PM2.5成為空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之一。數(shù)據(jù)表明，我國空氣質(zhì)量超標(biāo)的城市中68%都存在可吸入顆粒物的問題[2]。由此可以看出粉塵對人類健康和生產(chǎn)的危害十分嚴(yán)重。所以，粉塵濃度的檢測和控制具有重要的意義。

本文介紹一種簡易粉塵濃度檢測器的設(shè)計(jì)，能夠?qū)諝夥蹓m進(jìn)行采樣分析，可以測量出空氣中的粉塵濃度，測量數(shù)據(jù)直觀易懂，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

1 系統(tǒng)工作原理

單片機(jī)選用ATmega328p，粉塵濃度傳感器選用夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，按鍵部分通過電阻與按鍵串聯(lián)將信號輸入模擬口，通過讀取模擬值的不同判斷按鍵值，顯示部分采用LCD1602并用采取I2C總線的8位遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展口芯片PCF8574進(jìn)行引腳簡化。

將粉塵檢測器電源開關(guān)打開，當(dāng)傳感器得到一個(gè)由粉塵濃度轉(zhuǎn)換得來的0～5V的電壓信號時(shí)，進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)通過I/O口在顯示屏上顯示出精確數(shù)值。數(shù)值量隨輸入電壓的擾動而變化。同時(shí)鍵盤設(shè)定預(yù)警值送入單片機(jī)，與測量值一同顯示出來。當(dāng)采集的當(dāng)前粉塵濃度大于預(yù)警值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 電路總體設(shè)計(jì)

以ATmega328p單片機(jī)為核心，主要包括單片機(jī)處理模塊，信號采集模塊，獨(dú)立按鍵模塊，顯示模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊。系統(tǒng)通過信號采集模塊采集空氣中的粉塵，得到0～5V的電壓信號后，由單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到粉塵濃度，與此同時(shí)，通過獨(dú)立按鍵模塊設(shè)定濃度預(yù)警值，通過液晶顯示模塊將粉塵濃度和預(yù)警值同時(shí)顯示在顯示屏上。當(dāng)檢測值大于預(yù)警值時(shí)就會自動通過蜂鳴器報(bào)警模塊報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖所示：

2.2 單片機(jī)處理模塊

設(shè)計(jì)選用ATmega328p單片機(jī)，該單片機(jī)配合Arduino uno使用，可以更加方便的用外接模塊進(jìn)行拓展，如wifi模塊、SD卡接口模塊、基于w5100芯片的Ethernet模塊等，并且其內(nèi)部自帶10位六通道ADC可以用來轉(zhuǎn)換傳感器輸出的信號，從而得到粉塵濃度。

2.3 信號采集模塊

GP2Y1010AUOF是一款由日本夏普公司開發(fā)的光學(xué)濃度檢測傳感器。此傳感器內(nèi)部成對角線分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管，利用光敏原理來工作，依靠輸出脈沖的高度來判斷顆粒物濃度。同時(shí)，傳感器內(nèi)部有信號放大電路，可以對光電信號進(jìn)行放大。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

傳感器內(nèi)，紅外發(fā)光二極管和光電晶體管按對角位置布置，利用發(fā)光二極管發(fā)射光線，利用晶體管接受二極管發(fā)射的光，從而引起電壓的變化，這時(shí)傳感器里的空氣傳導(dǎo)設(shè)備就會產(chǎn)生一定的作用使空氣流通。此設(shè)計(jì)能夠檢測到小的微粒，甚至非常小的煙草顆粒，測量結(jié)果比較準(zhǔn)確。

由于GP2Y1010AUOF對驅(qū)動的LED的脈沖要求較高，輸入信號采樣周期為10ms±1ms；輸入高脈沖的寬度為0.32ms±0.02ms。所以對于采樣信號，需要等待輸入信號出現(xiàn)高脈沖以后再計(jì)時(shí)0.28ms進(jìn)行采樣[3]。

2.4 獨(dú)立按鍵模塊

按鍵部分是通過電阻與按鍵串聯(lián)將信號輸入模擬口，通過讀取模擬值的不同判斷按鍵值。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換是將模擬的0～5V電壓轉(zhuǎn)換成八個(gè)二進(jìn)制位，八個(gè)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的范圍為0～255，所以只需設(shè)置三個(gè)獨(dú)立按鍵分別獨(dú)立輸入預(yù)警值的百位，十位，個(gè)位。鍵盤每按下一次則相應(yīng)位上數(shù)據(jù)增加1，當(dāng)數(shù)據(jù)設(shè)定完成后通過I/O口輸入單片機(jī)，通過單片機(jī)的處理轉(zhuǎn)換為三位十進(jìn)制的濃度預(yù)警值，然后顯示在顯示屏上。

2.5 顯示模塊

顯示模塊采用LCD1602并用采取I2C總線的8位遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展口芯片PCF8574進(jìn)行引腳簡化。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，可同時(shí)顯示16×2即2行，每行顯示16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。因?yàn)橐瑫r(shí)顯示粉塵濃度的檢測值和預(yù)警值，所以LCD1602的兩行顯示功能已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)。

2.6 蜂鳴器報(bào)警模塊

當(dāng)采集到的環(huán)境中的粉塵濃度大于預(yù)警值時(shí)，單片機(jī)就會驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警，然后采取相應(yīng)措施降低粉塵濃度或者使人員撤離工作現(xiàn)場。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的I/O口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動。我們采用三極管來放大電流。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化模塊、驅(qū)動傳感器模塊，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，粉塵濃度計(jì)算和顯示等模塊，單片機(jī)通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)對硬件設(shè)備的控制，測量并顯示粉塵濃度。軟件部分設(shè)計(jì)需要利用單片機(jī)所產(chǎn)生的周期為10ms的脈沖波形驅(qū)動傳感器內(nèi)部的LED發(fā)光，并對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)進(jìn)行LCD1602的顯示和定時(shí)器定時(shí)。單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖波形加在GP2Y1010AU0F上，傳感器將輸出一個(gè)0～5V電壓，可通過A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的粉塵濃度值，最后通過LCD1602顯示出來，如果空氣粉塵濃度超過了預(yù)警值，系統(tǒng)將會報(bào)警。

4 總結(jié)

本文主要介紹了簡易粉塵檢測器的設(shè)計(jì)，在單片機(jī)的控制下，完成數(shù)據(jù)的采集、顯示、預(yù)警值設(shè)置及蜂鳴器預(yù)警等系統(tǒng)分模塊的程序設(shè)計(jì)，然后結(jié)合各模塊的硬件電路來實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的功能，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。結(jié)果表明，該粉塵檢測儀測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬爽.恒溫恒濕培養(yǎng)箱智能控制系統(tǒng)的研制[D].廣州：南方醫(yī)科大學(xué)，2010.

[2]GB3095-2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]蘭冰芯，諶海云，陳東，吉寧.基于單片機(jī)的PM2.5測試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014（11）：32-34.

[責(zé)任編輯：湯靜]