基于單片機(jī)的PM2.5檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

姚展

摘要：中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，大氣污染對(duì)人們的身體引發(fā)一系列病癥。對(duì)于PM2.5檢測(cè)儀研究，具有一定的社會(huì)價(jià)值。本設(shè)計(jì)以GP2Y1010AU0F傳感器來采集環(huán)境中的PM2.5的濃度數(shù)值，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)傳送給單片機(jī)，對(duì)其進(jìn)行處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)可以有效的檢測(cè)出有害氣體成份，當(dāng)濃度超出預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，并打開排氣扇降低有毒氣體濃度。本設(shè)計(jì)可以較廣泛地應(yīng)用在家庭、工作場(chǎng)所作為報(bào)警設(shè)備，具有一定的市場(chǎng)前景。

Abstract： With the rapid development of China's economy and the acceleration of urbanization， air pollution has caused a series of diseases to people's health. For the research of PM2.5 detector， it has certain social value. In this design， GP2Y1010AU0F sensor is used to collect PM2.5 concentration value in the environment， and the signal is transmitted to MCU through analog-to-digital converter for processing. Experiments show that the design can effectively detect the harmful gas components. When the concentration exceeds the preset value， the system will automatically alarm， and open the exhaust fan to reduce the concentration of harmful gas. This design can be widely used in families and workplaces as alarm equipment， and has a certain market prospects.

關(guān)鍵詞：單片機(jī);PM2.5檢測(cè)儀;灰塵傳感器

Key words： single chip microcomputer;PM2.5 detector;dust sensors

中圖分類號(hào)：TP317 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）07-0154-03

0 ?引言

改革開放以來，中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，但隨之而來的大氣污染問題也日益突出。 2013年，互聯(lián)網(wǎng)上一組關(guān)于西安大雁塔霧霾之前與霧霾之后對(duì)比的圖片引起了人們的熱議[1]，網(wǎng)友們紛紛發(fā)來“賀電”——祝賀“大雁塔成功發(fā)射”。同樣，2016年，一張“灰鍋蓋”籠罩南京的圖片在互聯(lián)網(wǎng)上廣為傳播。近年來，互聯(lián)網(wǎng)上諸如此類的消息屢見不鮮，這種種現(xiàn)象都向我們昭示了大氣污染問題迫在眉睫。作為影響灰霾天氣形成的重要部分，PM2.5也被人們投入了更多的關(guān)注。PM2.5，也稱可吸入性細(xì)顆粒物，是指顆粒直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，人類生產(chǎn)活動(dòng)是它主要的排放源。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的調(diào)查研究表明，在全球，由于空氣污染所造成的人身健康危害而導(dǎo)致的早亡事例，已超過年平均兩百萬。美國國家環(huán)境保護(hù)局進(jìn)行了細(xì)顆粒物對(duì)于健康效應(yīng)所造成的影響的分析，此次分析表明了由于空氣污染所造成的早亡而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了所有損失的百分之八十九之多。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)于PM2.5的了解越來越深入，對(duì)其所產(chǎn)生的危害也更加警惕。各個(gè)國家對(duì)于大氣顆粒物的研究逐漸轉(zhuǎn)向了細(xì)顆粒物，嚴(yán)格的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也開始逐漸被制定執(zhí)行。PM2.5開始正式作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)是在1997年，美國最早將其納入空氣質(zhì)量檢測(cè)的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)其中之一，隨之其后，PM2.5逐漸開始被各個(gè)發(fā)達(dá)國家列入監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。隨著人們對(duì)PM2.5的日漸重視，國外的一系列研究人員進(jìn)行著各種與其相關(guān)的研究。

1 ?系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)的PM2.5檢測(cè)儀需要實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前PM2.5濃度值，且具有報(bào)警提示功能。本設(shè)計(jì)要求能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)環(huán)境細(xì)顆粒物濃度進(jìn)行采集，并且能明了準(zhǔn)確的對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，而且當(dāng)所檢測(cè)到的數(shù)值濃度在不同區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)能夠進(jìn)行予以區(qū)分的報(bào)警提醒，還有，當(dāng)需要時(shí)系統(tǒng)還能夠進(jìn)行復(fù)位和設(shè)置。根據(jù)要求，此系統(tǒng)需要具備主控制器，PM2.5數(shù)據(jù)采集模塊，顯示模塊，報(bào)警模塊，輸入設(shè)備等。PM2.5數(shù)據(jù)采集部分檢測(cè)灰塵濃度，其輸出數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳給主控制器，主控制器反應(yīng)后通過顯示模塊顯示出來，濃度數(shù)值處于不同區(qū)間時(shí)給予不同的報(bào)警反應(yīng)，并且通過輸入設(shè)備，可以完成對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置及復(fù)位功能。

2 ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括核心控制器、輸入模塊和輸出模塊。本設(shè)計(jì)選擇使用單片機(jī)作為核心處理器，對(duì)輸入模塊所傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理，并且提供相應(yīng)的信息給輸出模塊。輸入設(shè)備采用灰塵傳感器作為PM2.5檢測(cè)器件，使用按鍵電路來完成設(shè)置與復(fù)位功能。輸出設(shè)備分為顯示部分和報(bào)警部分，顯示模塊需要能清晰明確的完成數(shù)據(jù)顯示功能，報(bào)警模塊需要有三級(jí)污染程度顯示，可以進(jìn)行聲音報(bào)警提示。

2.1 PM2.5數(shù)據(jù)采集電路

本設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置采用GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，其能夠?qū)崟r(shí)采集環(huán)境中的細(xì)顆粒物濃度。此傳感器輸出量為電壓模擬量，而STC89C51RC單片機(jī)沒有內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置且其能接受處理的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，則需要一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠處理的數(shù)字量?；覊m傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器的CH0口相接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的■口接單片機(jī)的P1.3口，CLK口接P1.0口，DO、DI接其P1.1口。

2.2 報(bào)警電路

污染級(jí)別提醒電路的目的是提醒人們當(dāng)前環(huán)境PM2.5濃度大致的污染程度，也屬于報(bào)警模塊的一部分。此提醒電路采用紅、黃、綠三種顏色的LED燈作為三種不同程度污染的提醒器件，當(dāng)PM2.5濃度在人們可接受范圍之內(nèi)時(shí)綠燈亮，當(dāng)PM2.5濃度超出設(shè)定值的一半時(shí)黃燈亮起，代表此時(shí)環(huán)境中的細(xì)顆粒物濃度已經(jīng)超出安全范圍會(huì)對(duì)人們產(chǎn)生一定危害，提醒人們要注意做好防范措施，而當(dāng)紅燈亮起時(shí)則代表此時(shí)的PM2.5濃度超出設(shè)定值，已經(jīng)達(dá)到嚴(yán)重危害人們健康的程度，警示人們此種情況盡量不要出門并做好防范措施。

2.2 顯示電路

本設(shè)計(jì)采用1602液晶顯示屏作為顯示器件，其作用是顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)檢測(cè)到的細(xì)顆粒物濃度及所設(shè)定的PM2.5限定濃度值。其D0至D7引腳與單片機(jī)P0口依次相接，此時(shí)P0口需要在外面連接電阻才可以使得輸出產(chǎn)生高電平。液晶顯示屏的寄存器選擇端RS、使能端E分別接P2.7、P2.6接口，當(dāng)使能端為低電平時(shí)，液晶顯示屏開始工作。

2.3 系統(tǒng)硬件電路

系統(tǒng)硬件總體電路主要包括控制器部分，輸入部分和輸出部分。輸入部分由PM2.5數(shù)據(jù)采集電路和按鍵輸入電路組成;控制器部分由單片機(jī)，晶振電路及單復(fù)位電路組成;輸出部分由液晶顯示電路、聲報(bào)警電路和光報(bào)警電路組成。硬件總電路如圖2所示。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包含PM2.5數(shù)據(jù)采集部分、液晶顯示部分和報(bào)警部分。程序運(yùn)行開始，先分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括有液晶屏、傳感器等的初始化，告知傳感器使得傳感器檢測(cè)傳輸有關(guān)PM2.5的數(shù)據(jù)信號(hào)，液晶屏進(jìn)行當(dāng)前PM2.5濃度數(shù)值及限定值的顯示工作。然后判斷按鍵是否按下，當(dāng)設(shè)置鍵按下，系統(tǒng)執(zhí)行限定值修改功能，此時(shí)若對(duì)增減值鍵進(jìn)行操作可對(duì)限定值進(jìn)行修改;設(shè)置鍵未按下時(shí)，按下其與的兩個(gè)鍵不起作用。接下來判斷當(dāng)前濃度值是否超過設(shè)定值或者其二分之一，如果超過則進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警提示工作，如果沒有超過，則進(jìn)行下一輪的數(shù)據(jù)采集工作，重復(fù)以上步驟。

3.1 顯示函數(shù)

顯示程序的作用是驅(qū)動(dòng)顯示屏對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，針對(duì)LCD1602的程序編寫首先需要對(duì)其包括RS、RW和E等管腳進(jìn)行定義，接下來需要完成對(duì)液晶顯示屏初始化的編寫，之后開始延時(shí)程序的執(zhí)行工作，等待單片機(jī)輸出經(jīng)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息。以上完成之后，開始完成顯示地址的設(shè)置，也就是完成寫顯示字符位置的工作，然后對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，液晶顯示屏?xí)x取寫入的地址并完成顯示，最后返回。

3.1.1 LCD1602初始化

對(duì)LCD1602的使用，需要先行對(duì)其完成初始化程序編寫。當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，LCD1602需要先開始初始化，完成之后顯示所設(shè)置好的初始狀態(tài)，并且為接下來的PM2.5濃度數(shù)值顯示進(jìn)行準(zhǔn)備工作。

3.1.2 設(shè)置地址

LCD1602為16×2位的液晶顯示屏，設(shè)計(jì)需要將PM2.5濃度數(shù)值及設(shè)置的限定值顯示在屏幕上，為了達(dá)到清晰明了的效果，需要對(duì)顯示字符進(jìn)行布局，例如如需將字符居中顯示，則需設(shè)置其從某一行的某個(gè)字符開始顯示。液晶屏完成初始化之后，屏幕上顯示初始狀態(tài)，經(jīng)過一段延時(shí)時(shí)間后，開始顯示當(dāng)前測(cè)量的濃度數(shù)值。當(dāng)進(jìn)入設(shè)置功能時(shí)，可以對(duì)顯示屏的某些位進(jìn)行修改。

3.2 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換

在設(shè)計(jì)程序的過程中需要完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的程序編寫，首先要做的是對(duì)ADC0832引腳的定義工作，然后進(jìn)行初始化編程，結(jié)束之后對(duì)進(jìn)行轉(zhuǎn)的換通道予以選擇，之后，接收讀取由傳感器傳輸?shù)男畔?，完成比較式數(shù)據(jù)讀取，以上步驟成功后釋放傳送給單片機(jī)。單片機(jī)需要反復(fù)讀取50次由轉(zhuǎn)換器所輸送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后送達(dá)顯示。關(guān)鍵程序如下：

DA=adc0832（0）

DA=DA*（float）（DA/5）

3.3 報(bào)警函數(shù)

本設(shè)計(jì)報(bào)警功能分為聲報(bào)警和光報(bào)警，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的時(shí)候需要分別對(duì)兩功能進(jìn)行編程。報(bào)警函數(shù)的執(zhí)行過程如下：當(dāng)顯示屏讀取并予以顯示當(dāng)前粉塵濃度數(shù)值后，報(bào)警函數(shù)開始進(jìn)行濃度值與限定值的判斷，當(dāng)分別低于限定值的一半、高于限定值或者處于兩者之間時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警提醒，當(dāng)濃度超過限定值時(shí)啟動(dòng)聲報(bào)警。主要程序如下所示：

if（DA>=WARNING）

if（DA=WARNING/2）

4 ?仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

此次設(shè)計(jì)所選用傳感器在Protues元器件庫中不包含，因此仿真過程中選用代替器件用以模擬PM2.5濃度檢測(cè)過程，此灰塵傳感器輸出量為電壓模擬量，因此選擇電位器模擬其輸出。

PM2.5限定濃度值為500ug/m3，調(diào)節(jié)電位器，當(dāng)輸入電壓處在不同的范圍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的報(bào)警提示，有如下三種情況。

情況一：調(diào)節(jié)使得當(dāng)前濃度顯示為414ug/m3，此濃度小于限定值但大于其一半，此時(shí)黃色燈亮起，表示重度污染情況。仿真效果如圖4所示。

情況二：顯示濃度值為884ug/m3，此時(shí)仿真PM2.5濃度值大于限定值的情況，此時(shí)紅色燈亮起，并且啟動(dòng)聲報(bào)警功能進(jìn)行發(fā)聲提醒，表示當(dāng)前已處于重度污染環(huán)境。仿真效果如圖5所示。

5 ?結(jié)論

隨著大氣污染的日益嚴(yán)重，有關(guān)PM2.5的話題也逐漸引起了人們的熱議。隨著人們對(duì)其危害的了解的深入，迫切需要掌握身邊環(huán)境狀況的心里也隨之出現(xiàn)，一款經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、簡單方便的PM2.5檢測(cè)儀也就有一定地應(yīng)用價(jià)值。

本設(shè)計(jì)以GP2Y1010AU0F傳感器來采集環(huán)境中的PM2.5的濃度數(shù)值，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)傳送給單片機(jī)，對(duì)其進(jìn)行處理后，進(jìn)行顯示。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)可以有效的檢測(cè)出有害氣體成份，當(dāng)濃度超出預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，并打開排氣扇降低有毒氣體濃度。本設(shè)計(jì)可以較廣泛地應(yīng)用在家庭、工作場(chǎng)所作為報(bào)警設(shè)備，具有一定的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]鳳凰資訊.西安大雁塔霧霾市民：被“發(fā)射”[EB/OL].http：//news.ifeng.com/society/2/detail_2013_12/20/32292168_0.shtml，2013

-12-20.

[2]覃輝艷.大氣污染顆粒物 PM2.5誘導(dǎo)人支氣管上皮細(xì)胞凋亡及其機(jī)制探討[J].廣西：廣西醫(yī)科大學(xué)，2012.

[3]常旭紅，張鈺，吳建茹.大氣顆粒物暴露與人體心血管疾病急性效應(yīng)關(guān)系研究的系統(tǒng)評(píng)價(jià)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2012，31（1）：1-8.

[4]孟曉艷，魏楨，王瑞斌等.灰霾試點(diǎn)城市PM_（2.5）濃度特征及其影響因素分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013（09）：82-86.

[5]楊新興，馮麗華，尉鵬.大氣顆粒物PM2.5及其危害[J].前沿科學(xué)，2012（01）：24-33.