基于技能大賽的多功能通用型空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

李玉丹，王禎禎，余彥瓊

（鄭州理工職業(yè)學(xué)院，河南鄭州，451150 ）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)環(huán)境問題日益嚴(yán)重。全國(guó)多個(gè)城市空氣污染嚴(yán)重，城市空氣首要污染物可吸入顆粒物超標(biāo)情況嚴(yán)重[2]。嚴(yán)重危害人類的健康，因此人們所在封閉空間空氣質(zhì)量檢測(cè)儀及凈化裝置的配備是必要的。本文的設(shè)計(jì)是基于鄭州市地方高校技能大賽中的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng)，綜合考慮了設(shè)計(jì)的實(shí)用性、多功能性和學(xué)生的可操作性。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、電源模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、PM2.5檢測(cè)模塊、LCD液晶顯示模塊、按鍵模塊和聲光報(bào)警模塊、藍(lán)牙模塊、凈化裝置模塊九大模塊組成。溫濕度檢測(cè)模塊和PM2.5檢測(cè)模塊采集到空氣的溫度、濕度和PM2.5三個(gè)參數(shù)值通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上，通過按鍵模塊設(shè)定各參數(shù)的界限值，任一參數(shù)達(dá)到界限值時(shí)聲光報(bào)警模塊分別發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)凈化裝置。本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有藍(lán)牙模塊，通過藍(lán)牙模塊和單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的核心器件單片機(jī)采用STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)。此款單片機(jī)是51系列單片機(jī)，51系列單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。另外STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，適合學(xué)生用于學(xué)習(xí)和參加技能競(jìng)賽。其余的九個(gè)模塊作用如下：

（1）PM2.5采集模塊：此模塊選用夏普GP2Yl051AUOF灰塵傳感器，用來(lái)采集空氣中的PM2.5值。GP2Yl010AUOF 是一種利用光電原理來(lái)測(cè)定空氣質(zhì)量的一種傳感器，它利用發(fā)光二極管發(fā)射光線，利用晶體管接收二極管發(fā)射的光引起電壓的變化，此設(shè)備檢測(cè)范圍廣靈敏度高，既能能夠檢測(cè)到小的連續(xù)的煙草微粒，也能檢測(cè)到大的離散的粉塵顆粒，并且重量輕，另外傳感器與單片機(jī)的連接電路只需把此傳感器的5號(hào)引腳與STC89C52單片機(jī)的串行輸入引腳P3.0連接，簡(jiǎn)單易于學(xué)生操作。

（2）聲光報(bào)警模塊：包括LED光顯報(bào)警電路和蜂鳴器聲音報(bào)警電路。聲光報(bào)警電路采用蜂鳴器和LED二極管發(fā)光報(bào)警，蜂鳴器報(bào)警電路采用三極管8550驅(qū)動(dòng)，和單片機(jī)的P2.0相連接。LED二極管發(fā)光電路與P1.3和P1.4相連接，分別為PM2.5和溫濕度報(bào)警。單片機(jī)的引腳均為低電平有效，當(dāng)P2.0口為高電平時(shí)，蜂鳴器不報(bào)警，LED二極管不發(fā)光，當(dāng)P2.0口為低電平時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，LED二極管發(fā)光。

（3）電源模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)整體系統(tǒng)的供電。采用USB電源模塊供電，Switch 是電源開關(guān)，pow是電源輸入端，供電電壓為DC5v。電路圖如圖2。為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)用穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電，室外可用移動(dòng)電源如充電寶等給系統(tǒng)供電，設(shè)計(jì)了備用電源模塊，該電源模塊由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供 +5V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡(jiǎn)單，都采用三端穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)。

（4）液晶顯示模塊：采用LCD1602液晶顯示器，用于顯示溫度、濕度和PM2.5的值。單片機(jī)從PM2.5采集模塊和溫濕度傳感器模塊中讀取并處理數(shù)據(jù)后，在液晶屏模塊上顯示出來(lái)。本設(shè)計(jì)中采用LCD1602液晶顯示器的理由是：1、LCD1602液晶顯示器是字符型液晶，顯示字母和數(shù)字比較方便。2、LCD1602液晶顯示器控制簡(jiǎn)單，便于初學(xué)單片機(jī)的學(xué)生掌握使用。3、LCD1602液晶顯示器能夠滿足本設(shè)計(jì)顯示要求而且成本較低。

（5）按鍵電路：用于完成報(bào)警值參數(shù)調(diào)整的功能。按鍵電路使用三個(gè)按鍵K1、K2、K3，按鍵按下后產(chǎn)生一階躍信號(hào)傳送給STC89C52單片機(jī)，通過按鍵設(shè)置溫濕度和PM2.5的界限值，以及設(shè)定三個(gè)參數(shù)界限值的增加和減少，其中按鍵K1連接單片機(jī)的P1.0口，可以用來(lái)選擇模式，也就是可以選擇要設(shè)定的參數(shù)；K2連接單片機(jī)的P1.1口，按下按鍵可以增加參數(shù)的界限值；K3連接單片機(jī)的P1.2口，按下按鍵可以減小參數(shù)的設(shè)定值。

（6）藍(lán)牙模塊：藍(lán)牙模塊采用ATK-HC05，HC05模塊是一款高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊，知道串口怎么編程就可以使用，實(shí)現(xiàn)了透明傳輸。對(duì)于初學(xué)者的學(xué)生來(lái)說無(wú)需知道太多藍(lán)牙相關(guān)知識(shí)就可以很快的上手，是個(gè)很好的選擇。它可以與PDA、手機(jī)、電腦等具有藍(lán)牙功能的設(shè)備實(shí)現(xiàn)配對(duì)，該模塊所支持的波特率范圍非常大，為4800～1382400，而且該模塊和3.3V或5V的單片機(jī)系統(tǒng)相兼容，極其方便、靈活。采用ATK-HC05的5號(hào)引腳與單片機(jī)的P3.1相連，ATK-HC05的電源端口2號(hào)引腳和3號(hào)引腳分別接單片機(jī)的VCC和GND端，可以把溫度值、濕度值和PM2.5值傳輸給手機(jī)端，用戶安裝對(duì)應(yīng)的APP,可以通過手機(jī)隨時(shí)隨地查看數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（7）溫濕度采集模塊：采用DHT11溫濕度傳感器采集空氣中的溫度和濕度，并通過單片機(jī)顯示到液晶顯示屏上。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。另外，它體積小、功耗低，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，因此DHT11溫濕度傳感器成為較為普遍的選擇。它為4針單排引腳封裝，單線制串行接口，連接方便。單片機(jī)的P3.5口用來(lái)發(fā)收串行數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)口，連接的DHT11的2號(hào)引腳。在DHT11的2號(hào)引腳與電源之間需連接一個(gè)10K上拉電阻，而傳感器的電源端口1號(hào)引腳和4號(hào)引腳分別接單片機(jī)的VCC和GND端，傳感器的第三腳懸浮放置。

（8）凈化裝置模塊：本設(shè)計(jì)的凈化裝置采用的是簡(jiǎn)易凈化裝置，主要是靠啟動(dòng)風(fēng)扇凈化空氣。在聲光報(bào)警電路中串接一個(gè)8550三極管。三極管的放大電路即為風(fēng)扇電路。當(dāng)聲光報(bào)警電路接通報(bào)警時(shí)，三極管的基極有了控制電流使放大電路接通，風(fēng)扇電路接通，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，起到凈化空氣的作用。為了檢驗(yàn)此設(shè)備凈化空氣的效果，我們把此設(shè)計(jì)儀置于一個(gè)封閉空間中，我們用透明的塑料給此儀器制作了一個(gè)外殼，可以清晰地觀察演示效果。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)思路

程序設(shè)計(jì)部分主要包括主程序、系統(tǒng)初始化程序，按鍵檢測(cè)函數(shù)、LCD顯示函數(shù)、報(bào)警子函數(shù)、藍(lán)牙串口通信的設(shè)計(jì)等。進(jìn)入程序，首先對(duì)DHT11初始化、藍(lán)牙串口初始化、PM2.5串口初始化、LCD1602初始化，使單片機(jī)接收處理傳感器的數(shù)據(jù)，建立起與手機(jī)之間的聯(lián)系，然后通過LCD顯示函數(shù)的設(shè)計(jì)顯示當(dāng)前溫濕度和PM2.5的值并將值傳送給手機(jī)顯示檢測(cè)。利用按鍵檢測(cè)函數(shù)對(duì)顯示模式和設(shè)置模式進(jìn)行判斷，設(shè)置溫濕度的上下限值和PM2.5的濃度值上限對(duì)各部分流程圖進(jìn)行設(shè)置，超過設(shè)定值后調(diào)用報(bào)警子程序進(jìn)行報(bào)警并開啟凈化裝置。

3.2 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

為了檢驗(yàn)此設(shè)計(jì)的可使用性和可靠性，我們進(jìn)行了全方位的功能測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了完善。

4 測(cè)試方案

4.1 硬件測(cè)試

用萬(wàn)用表檢測(cè)各連接點(diǎn)之間的導(dǎo)通情況，通過對(duì)焊接作品的逐個(gè)元件檢查觀察焊點(diǎn)有無(wú)虛焊、焊點(diǎn)間有無(wú)短路。在確定硬件焊接無(wú)誤后，接通電源，用萬(wàn)用表檢測(cè)各電路參數(shù)值是否在理論值范圍內(nèi)。經(jīng)檢測(cè)，把電路中出現(xiàn)的問題總結(jié)如下：(1）LCD1602顯示亮度不夠。在15引腳上串接一可調(diào)電阻到電源上，背光亮度得到調(diào)節(jié)。(2）P0口上拉電阻由于連接錯(cuò)誤，導(dǎo)致單片機(jī)不運(yùn)行，后更換上拉電阻恢復(fù)正常。(3）由于焊接失誤導(dǎo)致三極管8550引腳e、c接錯(cuò)，導(dǎo)致風(fēng)扇不工作，正確接入后正常工作。

4.2 軟件件測(cè)試

通過AltiumDesigner的線路檢測(cè)功能對(duì)整個(gè)原理圖進(jìn)行檢查，檢查每個(gè)串口是否連接正確，每個(gè)引腳是否連接正確，確認(rèn)整個(gè)原理圖的走線及接口設(shè)定，檢測(cè)并修改確定無(wú)誤。用keil軟件根據(jù)原理圖編寫程序，編寫后運(yùn)行檢測(cè)，并修改出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

4.3 硬件軟件聯(lián)調(diào)

將調(diào)試成功后的程序，使用燒錄軟件下載到單片機(jī)中，將單片機(jī)放入焊接好的電路板上的單片機(jī)插座中，通電實(shí)驗(yàn)。按照電路原理圖設(shè)計(jì)的按鍵功能按下按鍵，觀察是否實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。當(dāng)所有的上下限值設(shè)定之后，用透明罩罩住整個(gè)設(shè)備，向罩內(nèi)釋放煙塵和水氣，使其達(dá)到極限值，測(cè)試報(bào)警模塊和凈化模塊。在經(jīng)過多次調(diào)試，對(duì)照電路原理圖，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)成功。

4.4 測(cè)試條件與儀器

測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表、模擬示波器、數(shù)字示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、指針式萬(wàn)用表。

5 測(cè)試結(jié)果及分析

5.1 調(diào)試結(jié)果

LCD顯示屏顯示當(dāng)前值：PM2.5：55μg/m3；溫度24℃；濕度 41%。設(shè)置值：PM2.5最高為 100μg/m3；溫度最高40℃，最低10℃；濕度最高60%，濕度最低20%。

經(jīng)測(cè)試當(dāng)PM2.5達(dá)到100μg/m3的值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，同時(shí)PM2.5LED凈化裝置工作指示燈亮，同時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)凈化空氣，當(dāng)溫濕度超過最低或最高值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，溫濕度相應(yīng)LED指示燈亮，用手機(jī)連接藍(lán)牙，觀察手機(jī)顯示的數(shù)據(jù)與LCD顯示屏顯示的當(dāng)前值一樣。如果按下手動(dòng)控制開關(guān)，可以直接控制通/斷電。

5.2 測(cè)試分析與結(jié)論

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，空氣溫濕度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)無(wú)誤，實(shí)現(xiàn)了以下功能。

基本功能:(1)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境中空氣PM2.5的濃度和溫度、濕度。(2)實(shí)現(xiàn)LCD1602實(shí)時(shí)顯示溫度、濕度和PM2.5濃度。(3)實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫濕度超過上限或者下限，蜂鳴器會(huì)進(jìn)行報(bào)警。(4)實(shí)現(xiàn)當(dāng)PM2.5濃度大于設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器會(huì)進(jìn)行報(bào)警。

發(fā)揮部分功能:(1)實(shí)現(xiàn)通過藍(lán)牙把當(dāng)前的溫濕度和PM2.5的濃度發(fā)送到手機(jī)端顯示監(jiān)測(cè)。(2)實(shí)現(xiàn)當(dāng)PM2.5濃度大于設(shè)定值時(shí)，凈化裝置工作指示燈亮，并啟動(dòng)凈化裝置工作，開始凈化空氣。(3)實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫濕度超過上限或者下限，對(duì)應(yīng)的LED會(huì)亮。(4)實(shí)現(xiàn)當(dāng)PM2.5濃度大于設(shè)定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED會(huì)亮。(5)電源模塊的設(shè)計(jì)靈活方便，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)用穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電，室外或無(wú)電網(wǎng)電源的環(huán)境可使用充電寶給系統(tǒng)供電。

通過多次的調(diào)試和改進(jìn)，本設(shè)計(jì)可以很好的實(shí)現(xiàn)以上的基本功能和發(fā)揮功能。本設(shè)計(jì)的功能齊全，體積小價(jià)格低，凈化裝置的電路也容易修改，可以根據(jù)空間環(huán)境的不同要求更換不同功率的風(fēng)扇，通用性強(qiáng)。電源模塊的設(shè)計(jì)使得該檢測(cè)儀供電靈活，可靠。另外通過手機(jī)藍(lán)牙接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)控，這樣即使檢測(cè)的環(huán)境比較惡劣，人也可以不需處在在檢測(cè)環(huán)境中就可以清晰看到檢測(cè)環(huán)境的情況，大大提高了安全性。