薛瑞麒 張新建 李痛快 韓堅(jiān)潔

PM2.5 粒徑比較小，但卻含有大量對(duì)人體有害的物質(zhì)，人類長(zhǎng)期處在這種環(huán)境中會(huì)嚴(yán)重危害人體健康。對(duì)于環(huán)境中可吸入粉塵的檢測(cè)，對(duì)于防治PM2.5 的污染具有很重要的作用。

設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單，容易上手的大眾版粉塵顆粒檢測(cè)儀。它由AT89C52 單片機(jī)和GP2Y1010AU0F 光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器組成，將當(dāng)前空氣中粉塵濃度顯示在液晶顯示器上，作為空氣中可吸入粉塵顆粒物的檢測(cè)設(shè)備使用。

2013 年，全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)將PM2.5命名為細(xì)顆粒物。

PM2.5 是指大氣中含有的直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，也被稱為可入肺顆粒物。其直徑非常小，以至于還不到人的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20。盡管PM2.5 只是地球大氣中含量很少的部分，但它對(duì)空氣質(zhì)量的危害和環(huán)境能見度的影響卻不可忽視。與其他大氣顆粒物相比較，PM2.5 的直徑相對(duì)更小，含有對(duì)人體有危害的物質(zhì)相對(duì)更多，并且在大氣中的停留時(shí)間也比其他顆粒物更長(zhǎng)、傳播距離更遠(yuǎn)，造成大范圍的大氣污染。PM2.5 通過呼吸道進(jìn)入肺泡，損害人體健康，引發(fā)很多疾病，對(duì)人體的危害不容小視。PM2.5 的影響對(duì)環(huán)境和對(duì)人體健康的危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他空氣粉塵。PM2.5 的這個(gè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)最早是由美國人提出來的，主要是為了檢驗(yàn)工業(yè)而提出這個(gè)數(shù)值的，而現(xiàn)在PM2.5 指數(shù)已經(jīng)是空氣污染一個(gè)重要的參數(shù)了，現(xiàn)在PM2.5 寫入”國標(biāo)”，納入各省市強(qiáng)制監(jiān)測(cè)范疇，要求隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

隨著社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)化水平的提高，科技為人類生活和工作帶來了很多便利。然而人們?cè)谙矸奖闵詈凸ぷ鞯耐瑫r(shí)，不得不面對(duì)我們對(duì)自然的不合理開發(fā)，對(duì)自然環(huán)境造成的嚴(yán)重污染，使生存環(huán)境越來越差的現(xiàn)實(shí)。所以人類必須采取相應(yīng)措施，合理利用開發(fā)自然資源，與大自然和睦相處，才能繼續(xù)更好的生活。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，環(huán)境問題就越來越嚴(yán)重，而這與人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高形成了矛盾，因此關(guān)注和重視環(huán)境的保護(hù)問題已經(jīng)慢慢步入了所有人的關(guān)注范疇。人類要治理好環(huán)境問題，必須要對(duì)造成環(huán)境問題的原因有深刻的了解，并對(duì)癥下藥，才能達(dá)到出其不意的結(jié)果。所以市面上出現(xiàn)了各種各樣的空氣質(zhì)量測(cè)試儀。

總體設(shè)計(jì)

PM2.5 粉塵顆粒檢測(cè)儀總體設(shè)計(jì)

粉塵檢測(cè)儀的處理部分選用AT89C52 單片機(jī)，周圍環(huán)境空氣檢測(cè)系統(tǒng)選用GP2Y1010AU0F 光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，GP2Y1010AU0F 光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器根據(jù)當(dāng)前環(huán)境中PM2.5 含量的比例輸出模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)AT89C52 進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、轉(zhuǎn)換，并顯示在液晶屏上。機(jī)器運(yùn)行前設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)周圍環(huán)境中的PM2.5 的含量濃度超過人為設(shè)定的報(bào)警閾值是，發(fā)出聲光報(bào)警；對(duì)周圍環(huán)境中的餓可吸入肺顆粒物濃度進(jìn)行快速的檢測(cè)。

軟件設(shè)計(jì)

PM2.5 粉塵顆粒檢測(cè)儀的軟件部分包括：系統(tǒng)初始化部分、數(shù)據(jù)采集分析部分和顯示程序。初始化程序包括對(duì)單片機(jī)AT89C52 的初始化和GP2Y1010AU0F光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器的初始化。對(duì)當(dāng)前環(huán)境中的可吸入肺顆粒物的濃度進(jìn)行采集、分析，并將其數(shù)據(jù)作為結(jié)果，之后與開始時(shí)手動(dòng)輸入的報(bào)警閾值進(jìn)行比較。通過顯示程序?qū)⒔Y(jié)果轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，輸送到顯示屏，最終在液晶顯示器上顯示出當(dāng)前環(huán)境的PM2.5 濃度。程序流程如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 程序主流程圖

硬件設(shè)計(jì)

傳感器

GP2Y1010AU0F 是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，設(shè)計(jì)用來感應(yīng)空氣中的塵埃粒子，由紅外發(fā)光二極管和廣電晶體管及放大電路組成。側(cè)面安裝型。它通過光學(xué)的反射原理可以檢測(cè)到空氣中的塵埃，特別是它能有效的檢測(cè)非常微細(xì)的顆粒，如香煙煙霧。此外，它可以區(qū)分屋內(nèi)煙塵。適用于空氣凈化器，空調(diào)，空氣監(jiān)測(cè)等。輸出脈沖模式的電壓信號(hào)。

A/D 轉(zhuǎn)換器

由于測(cè)量的粉塵并不要求高速，所以選擇低速，高精度的A/D 轉(zhuǎn)換器。對(duì)采集到的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成處理單元能夠識(shí)別處理的數(shù)字量。

單片機(jī)

采用AT89C52 單片機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和處理當(dāng)前濃度數(shù)據(jù)結(jié)果。當(dāng)環(huán)境中的PM2.5 的濃度超過報(bào)警閾值時(shí)，報(bào)警器產(chǎn)生聲光報(bào)警，在顯示屏上顯示當(dāng)前PM2.5 濃度值。

操作鍵

設(shè)備一共有三個(gè)操作鍵（加，減，復(fù)原），進(jìn)行檢測(cè)PM2.5 濃度的報(bào)警界限的設(shè)置。

報(bào)警器

聲光報(bào)警單元由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成。當(dāng)測(cè)量氣體達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，二極管發(fā)亮，蜂鳴器鳴響。

結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的PM2.5 粉塵顆粒檢測(cè)儀主要適用于家庭，辦公室等小場(chǎng)合的室內(nèi)環(huán)境中粉塵含量的測(cè)定。此檢測(cè)儀價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單明了，數(shù)據(jù)顯示一目了然，并可自主設(shè)定報(bào)警閾值。