基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝瑩 劉丹丹 趙顯豪 沈陽(yáng)城市學(xué)院

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的雙重發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，人們也開始慢慢地關(guān)注健康問(wèn)題。在這樣的背景下，本文對(duì)基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，介紹了單片機(jī)、粉塵傳感器、LCD液晶顯示屏等模塊的特點(diǎn)和工作原理。

1. 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)由單片機(jī)構(gòu)成主控部分，進(jìn)行信息處理。外圍電路有粉塵傳感器模塊、LCD顯示模塊、LED報(bào)警模塊。

1.1 模塊介紹

(1）粉塵傳感器模塊可以將粉塵的濃度值轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)接收后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將接收到的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

(2）LCD顯示器可顯示當(dāng)前粉塵濃度及空氣質(zhì)量等級(jí)。

(3）LED報(bào)警器當(dāng)粉塵濃度超出閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。

1.2 粉塵傳感器

粉塵傳感器的選擇和使用直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度。本設(shè)計(jì)采用夏普公司GP2Y1010AU0F粉塵濃度傳感器，其引腳連接圖如圖1所示。電源接通后，紅外線二極管開始發(fā)出紅外線，在沒(méi)有粉塵的情況下，光電晶體管是接收不到發(fā)出的紅外線的；當(dāng)有粉塵的時(shí)候，粉塵會(huì)反射紅外線使得光電晶體管能夠探測(cè)到空氣中塵埃反射的紅外線。粉塵越多，則接收到的反射光越強(qiáng)，光電晶體管兩端的電壓就越大，粉塵濃度就越大。

1.3 系統(tǒng)電源供電及程序下載電路

為了使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其供電電路是十分重要的。在本設(shè)計(jì)中采用了5V電源和干電池兩種方案為系統(tǒng)供電。在電源接口的引腳4和引腳1分別接上電源正負(fù)極，電源接口的2腳和3腳分別接到單片機(jī)的TX和RX兩端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳輸，完成程序的下載。

2. 軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件需要完成的任務(wù)包括：

（1）實(shí)時(shí)讀取粉塵傳感器的電壓數(shù)據(jù)；

（2）利用AD轉(zhuǎn)換將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示器上；

（3）實(shí)時(shí)檢測(cè)并通過(guò)LED報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警顯示。

設(shè)計(jì)程序分主要包括粉塵傳感器的數(shù)據(jù)采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、定時(shí)器初始化程序、LCD1602液晶顯示程序等。

上電后系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入模塊控制系統(tǒng)。LCD顯示屏上顯示空氣中粉塵濃度的實(shí)時(shí)值和平均值，溫濕度作為附屬檢測(cè)值。LED燈會(huì)根據(jù)粉塵濃度平均值的變化來(lái)進(jìn)行閃爍變化，并確定空氣質(zhì)量的等級(jí)。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后開始系統(tǒng)初始化,完成對(duì)系統(tǒng)中所用到的資源控制寄存器等賦初值。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，開始載入24C02存儲(chǔ)器中的報(bào)警值。隨后打開粉塵傳感器內(nèi)部光源LED，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每采集一個(gè)模擬信號(hào)會(huì)立即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集完成后，關(guān)閉傳感器內(nèi)部光源，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后將返回值轉(zhuǎn)化成電壓值。根據(jù)電壓與粉塵濃度的線性關(guān)系，利用公式計(jì)算出固體懸浮顆粒濃度。在程序中設(shè)定閾值，超過(guò)限定值時(shí)，指示燈進(jìn)行顯示。

（1）數(shù)據(jù)采集與處理

粉塵傳感器的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它主要根據(jù)測(cè)定光束通過(guò)被測(cè)介質(zhì)前后的光強(qiáng)比來(lái)定量粉塵濃度。然后將采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后顯示在LCD屏上。

（2）24C02存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀寫

24C02 存儲(chǔ)器的主要功能是數(shù)據(jù)掉電不丟失，將設(shè)定的閾值存入EEPROM存儲(chǔ)器電路中，即使關(guān)閉電源后，下次開機(jī)仍然可以從中讀出上次設(shè)置的閾值。

3. 系統(tǒng)調(diào)試

首先繪制電路原理圖，如圖2所示。然后在確定原理圖正確后進(jìn)行實(shí)物的焊接。焊接好的電路板在上電之前需要經(jīng)過(guò)調(diào)試，以免發(fā)生短路燒毀元器件或因?yàn)閿嗦穼?dǎo)致元器件無(wú)法工作等情況。

(1）粉塵傳感器的電路調(diào)試

將粉塵傳感器的5引腳連接示波器，并且供給引腳一個(gè)周期為10ms，低電平為0.32ms的脈沖方波，發(fā)現(xiàn)示波器中檢測(cè)到的模擬信號(hào)有鋸齒狀，分析是受到了外界干擾，后來(lái)經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)在1引腳的220uF電容處虛焊，再次焊接后，波形顯示正常。

(2）液晶顯示模塊電路的調(diào)試

上電后，液晶屏幕亮起，但是發(fā)現(xiàn)無(wú)顯示字符，檢查發(fā)現(xiàn)電位器旋鈕位于最左端，說(shuō)明此時(shí)灰度值最低，將其向右旋轉(zhuǎn)后，屏幕可以清晰地顯示出字符。

(3）單片機(jī)電路調(diào)試

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。在最初的調(diào)試中出現(xiàn)液晶顯示屏幕顯示字符不完整的情況。這是由于單片機(jī)的36、37引腳與顯示電路接口脫焊導(dǎo)致的，重新焊接后故障消除。

圖2 系統(tǒng)原理圖

4. 結(jié)論

本設(shè)計(jì)將粉塵傳感器所得的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后將粉塵濃度顯示在LCD顯示屏上，通過(guò)設(shè)定的閾值，通過(guò)LED燈進(jìn)行報(bào)警顯示。程序中的中斷可以根據(jù)邏輯優(yōu)先級(jí)響應(yīng)各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)各個(gè)端口的開啟和關(guān)閉。本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)要求完成數(shù)據(jù)的采集、顯示、參數(shù)設(shè)置及報(bào)警等系統(tǒng)各模塊的程序設(shè)計(jì)，然后結(jié)合各部分的硬件電路完成各模塊的功能，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，測(cè)量精準(zhǔn)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣環(huán)境質(zhì)量以及工礦企業(yè)等環(huán)境的粉塵濃度，具有廣闊的應(yīng)用前景。