基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀

趙旭東

摘要：針對(duì)空氣污染的問題，設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)控制的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀。設(shè)計(jì)是通過粉塵傳感器GP2Y1010AU0F來測(cè)量當(dāng)前空氣中的PM2.5濃度，再將采集到的信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后在液晶顯示屏上顯示出數(shù)值，從而用來監(jiān)測(cè)PM2.5的含量。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)能夠精確的顯示出當(dāng)前空氣中PM2.5的含量，具有測(cè)量精度高，智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：PM2.5；傳感器；52單片機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）20-0243-02

隨著人民生活水平的提高，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，空氣污染變得越來越嚴(yán)重，極大影響了人們的健康安全。據(jù)一項(xiàng)人類生存研究報(bào)告指出，由于空氣污染導(dǎo)致的過早死亡人數(shù)，平均約為每天1000人，也就意味著每年有35至40萬的人由于污染而死亡。當(dāng)今社會(huì)，人們正面臨著“煤煙污染”、“光化學(xué)煙霧污染”和“室內(nèi)空氣污染”等一系列空氣污染問題，尤其在近幾年，全國越來越多的地方遭受了霧霾的影響，也就是PM2.5的危害，人們的身體健康受到了嚴(yán)重的損害。根據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)布的消息，世界人口均遭到顆粒物的影響，一些污染嚴(yán)重的城市死亡率更是嚴(yán)重。不少無法被人體擋在體外的顆粒物進(jìn)入人體后影響人們的呼吸系統(tǒng)，病從口入，隨即經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間對(duì)有害氣體的吸收，人體免疫力也會(huì)日益下降，這就給各種疾病創(chuàng)造了好的生存環(huán)境。

一連串空氣質(zhì)量問題的發(fā)生，讓人們對(duì)空氣污染問題的嚴(yán)重性愈來愈擔(dān)憂，并且對(duì)創(chuàng)建綠色健康生活環(huán)境的呼聲也愈來愈高漲。城市環(huán)境空氣顆粒污染物呈現(xiàn)多類型的態(tài)勢(shì)。近年來，中國的一些城市更是頻頻地遭遇霧霾，讓人們?cè)阝Р患胺赖那闆r下也對(duì)空氣質(zhì)量問題多了幾分關(guān)切。霧霾中含有的污染物和有害物質(zhì)一旦被人體吸入，我們的呼吸道就會(huì)受到影響，表面黏膜被破壞，抵抗能力越來越差，極易引起各種呼吸道疾病。同時(shí)，空氣中的病毒，細(xì)菌等有害物質(zhì)隨著霧霾進(jìn)入人體肺部，也易引起一些疾病。我們需要這樣設(shè)計(jì)一種設(shè)備來對(duì)惡劣空氣質(zhì)量可能帶來的危害進(jìn)行一些必要的防護(hù)措施。

針對(duì)目前普遍存在的空氣質(zhì)量的污染問題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是用來監(jiān)控PM2.5的濃度，旨在實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的預(yù)警監(jiān)測(cè)，有利于進(jìn)行全方位的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)提出了“PM2.5檢測(cè)”方案最基本的實(shí)現(xiàn)方法。由AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)核心系統(tǒng)、GP2Y1010AU0F粉塵監(jiān)測(cè)傳感器作為采集系統(tǒng)、LCD1602液晶顯示模塊作為顯示系統(tǒng)、再有蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了本次設(shè)計(jì)的鍵盤輸入、顯示濃度、系統(tǒng)復(fù)位等附加功能。

系統(tǒng)在檢測(cè)PM2.5濃度的時(shí)候，設(shè)置了濃度報(bào)警系統(tǒng)，并且設(shè)置紅，黃，綠三種顏色的顯示燈，在不同的濃度范圍內(nèi)閃爍不同的顏色，用來表示當(dāng)前的空氣質(zhì)量，濃度大于0.3mg/m?時(shí)，表示空氣重度污染，紅燈亮；濃度在0.1-0.3mg/m?之間時(shí)，表示空氣輕度污染，黃燈亮；濃度小于0.1mg/m?時(shí)，表示空氣質(zhì)量良好，綠燈亮?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖1所示：

1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)

AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路主要由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入/ 輸出設(shè)備等幾部分模塊構(gòu)成。晶振選擇頻率范圍為1.2 ～12MHz，或者更高，本次設(shè)計(jì)選擇頻率為11.0592MHz的石英晶振電路，電容較大，方便串口通信。

空氣質(zhì)量檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）能精確的在LCD液晶屏上顯示空氣中PM2.5濃度；

（2）可以設(shè)置濃度報(bào)警數(shù)值；

（3）可以顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量狀況；

（4）可以實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警。

2系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1信息采集模塊

使用的GP2Y1010AU0F粉塵傳感器，具有體積小，靈敏度高的特點(diǎn)，在采集時(shí)，內(nèi)置的氣流發(fā)生器發(fā)生作用，從而檢測(cè)出氣體中的PM2.5濃度含量，但是這種信號(hào)是模擬電壓信號(hào)，具體濃度與電壓成正比例關(guān)系，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由核心處理器件單片機(jī)接收。

2.2主控電路

采用AT89S52單片機(jī)作為主控電路的核心單元，另外主要通過6個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基本功能，分別是粉塵傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示模塊、按鍵電路、報(bào)警電路、污染級(jí)別提醒電路。

AT89S52單片機(jī)是CMOS8位微控制器，能與51單片機(jī)兼容的特點(diǎn)使得它的應(yīng)用非常廣泛，內(nèi)部具有8K字節(jié)在線編程Flash存儲(chǔ)器閃存，支持全靜態(tài)操作，三級(jí)加密程序，也使其安全性得到保障。三個(gè)16位定時(shí)器，八個(gè)中斷源，全雙工串行通道，低功耗高性能，外部有32個(gè)可編程的I/O口。同時(shí)具有看門狗定時(shí)器，雙數(shù)據(jù)指針，掉電標(biāo)識(shí)符，掉電后中斷可自動(dòng)喚醒。

當(dāng)粉塵傳感器采集到信號(hào)后，將采集到的PM2.5濃度最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，再通過單片機(jī)將處理后的結(jié)果輸送到LCD；單片機(jī)的P0的0端口至7端口與液晶屏LCD相連接，P1的所有端口用來傳輸數(shù)據(jù)與地址，而P2的0端口至2端口是檢測(cè)液晶屏上濃度情況；單片機(jī)P3的5端口至7端口與鍵盤相連接，鍵盤是用來調(diào)節(jié)蜂鳴器報(bào)警初始值的設(shè)定，單片機(jī)作為系統(tǒng)的最小系統(tǒng)，在整個(gè)系統(tǒng)工作中發(fā)揮著重要的作用。

2.3液晶顯示電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的顯示模塊選用的是LCD1602液晶顯示器，其表面為16x02的藍(lán)色點(diǎn)陣，使得它可以顯示本次設(shè)計(jì)的所有檢測(cè)結(jié)果，這種16x02藍(lán)色點(diǎn)陣液晶顯示器帶有中文字庫，因此可以顯示中文漢字，清楚的表示出本次設(shè)計(jì)的各個(gè)顯示內(nèi)容。該液晶顯示屏可以直接與CPU相連接，本身具備了與單片機(jī)處理器連接的功能，分為8位并行和串行兩種方式。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的P0口分別與液晶屏的DB0-DB7數(shù)據(jù)管腳相連接；而液晶屏的RS管腳連接在單片機(jī)的P1的0端口上來進(jìn)行信號(hào)的指令與數(shù)據(jù)傳輸；液晶屏的R/W管腳連接在單片機(jī)的P1的1端口上來進(jìn)行信號(hào)的讀寫，其中1為高電平、0為低電平。

2.4蜂鳴器報(bào)警電路

設(shè)計(jì)的報(bào)警電路與單片機(jī)P1的4口相接，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們?cè)趫?bào)警電路中也加入了一項(xiàng)非常實(shí)用的功能，就是在系統(tǒng)通電瞬間和按鍵重置瞬間，蜂鳴器做出回應(yīng)，提醒人們?cè)撓到y(tǒng)已經(jīng)正常通電工作。

2.5 PM2.5污染提醒電路

設(shè)計(jì)通過采集到的不同濃度范圍，設(shè)置當(dāng)前污染級(jí)別提醒系統(tǒng)，使用紅，黃，綠三種不同顏色的LED燈，分別連接單片機(jī)的P2.0，P2.1，P2.2接口，根據(jù)不同的亮燈顯示不同的濃度范圍，從而實(shí)現(xiàn)提醒功能。

該模塊實(shí)現(xiàn)的功能為：

濃度大于0.3mg/m?時(shí)，表示空氣重度污染，紅燈亮；

濃度在0.1-0.3mg/m?之間時(shí)，表示空氣輕度污染，黃燈亮；

濃度小于0.1mg/m?時(shí)，表示空氣質(zhì)量良好，綠燈亮。

2.6 A/D轉(zhuǎn)換模塊

ADC0832是一種雙通道的8位分辨率轉(zhuǎn)換芯片，體積小，性能好。有一個(gè)低電平使能端，兩個(gè)模擬通道，一個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入，一個(gè)信號(hào)輸出端，最高分辨為256級(jí)。使用ADC0832A/D轉(zhuǎn)換模塊一方面需要對(duì)數(shù)據(jù)采集以調(diào)節(jié)合適的輸出電壓和電流，另一方面也可以進(jìn)行完整的電壓電流輸出，供單片機(jī)接收。

3系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì)

主程序的軟件設(shè)計(jì)采用了傳統(tǒng)的前后臺(tái)的方式。整個(gè)控制模塊主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、GP2Y1010AU粉塵傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD液晶屏顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊以及串口驅(qū)動(dòng)組成。最小系統(tǒng)是該設(shè)計(jì)的中央處理器，GP2Y1010AU粉塵傳感器是測(cè)量PM2.5濃度模塊，A/D轉(zhuǎn)換、蜂鳴器是該設(shè)計(jì)的擴(kuò)展模塊，使用這兩個(gè)擴(kuò)展模塊使得該設(shè)計(jì)更具有使用價(jià)值，而LCD1602液晶顯示器是該設(shè)計(jì)的最終顯示模塊。在該設(shè)計(jì)中所有的信號(hào)最終都在AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)中進(jìn)行綜合處理，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理之后再將處理結(jié)果傳送到指定的模塊進(jìn)行顯示，而LCD液晶顯示屏主要顯示PM2.5濃度以及所設(shè)置的報(bào)警數(shù)值。

系統(tǒng)通電后，開始執(zhí)行的是對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)部分初始化，其中包括傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD液晶屏顯示模塊、蜂鳴器模塊以及串口的初始化。主監(jiān)控流程圖如圖2所示：

4 設(shè)計(jì)檢測(cè)分析

在設(shè)計(jì)結(jié)束后，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)選擇不同時(shí)間不同地點(diǎn)進(jìn)行功能驗(yàn)證，采集了不同的數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表1所示：

從表1可以看出在植物生長(zhǎng)比較好的地方和車流量少的地方，空氣中PM2.5的濃度相對(duì)較低，一天內(nèi)早晨和晚上的PM2.5濃度相對(duì)穩(wěn)定，中午的濃度較高，這可能是因?yàn)槿藗兊幕顒?dòng)和空氣溫度所引起的。從表中我們可以得出植物可以凈化我們身邊的環(huán)境，汽車尾氣的排放、工業(yè)地區(qū)廢氣的排放卻直接導(dǎo)致空氣中PM2.5含量的增多，工業(yè)區(qū)因?yàn)橛泻怏w的排放，在早、中、晚檢測(cè)到的PM2.5濃度相對(duì)穩(wěn)定，相對(duì)其他地方數(shù)值也較大。這就提醒了人們應(yīng)該盡量減少出入這些空氣環(huán)境差的地方。

5 結(jié)論

單片機(jī)作為核心處理系統(tǒng)發(fā)揮著必要的作用，各模塊與單片機(jī)的連接也有嚴(yán)格的要求，程序的編寫不能擺脫具體的設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)可較為準(zhǔn)確的檢測(cè)空氣中的PM2.5含量，并且在不同的環(huán)境可以顯示不同的濃度，設(shè)計(jì)本身用于顯示空氣質(zhì)量狀況的LED燈直觀的表示出當(dāng)前的空氣質(zhì)量問題。另外我們?cè)O(shè)置了濃度報(bào)警值，在超過我們?cè)O(shè)置的這一值后，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警，提醒人們隨時(shí)注意保護(hù)措施。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了PM2.5的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有測(cè)量精度高，智能化程度高等特點(diǎn)，同時(shí)我也相信本次設(shè)計(jì)能夠?yàn)榭諝赓|(zhì)量檢測(cè)做出貢獻(xiàn)，利于空氣質(zhì)量問題的全方位監(jiān)控。

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