趙旭東

摘要：針對空氣污染的問題，設計了一種基于51單片機控制的空氣質(zhì)量檢測儀。設計是通過粉塵傳感器GP2Y1010AU0F來測量當前空氣中的PM2.5濃度，再將采集到的信號通過A/D轉換為單片機可識別的信號，經(jīng)單片機處理后在液晶顯示屏上顯示出數(shù)值，從而用來監(jiān)測PM2.5的含量。經(jīng)測試驗證，該設計能夠精確的顯示出當前空氣中PM2.5的含量，具有測量精度高，智能化程度高等優(yōu)點。

關鍵詞：PM2.5；傳感器；52單片機；A/D轉換

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）20-0243-02

隨著人民生活水平的提高，經(jīng)濟的快速發(fā)展，空氣污染變得越來越嚴重，極大影響了人們的健康安全。據(jù)一項人類生存研究報告指出，由于空氣污染導致的過早死亡人數(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。當今社會，人們正面臨著“煤煙污染”、“光化學煙霧污染”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，一些污染嚴重的城市死亡率更是嚴重。不少無法被人體擋在體外的顆粒物進入人體后影響人們的呼吸系統(tǒng)，病從口入，隨即經(jīng)過長時間對有害氣體的吸收，人體免疫力也會日益下降，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，讓人們對空氣污染問題的嚴重性愈來愈擔憂，并且對創(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。近年來，中國的一些城市更是頻頻地遭遇霧霾，讓人們在猝不及防的情況下也對空氣質(zhì)量問題多了幾分關切。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，空氣中的病毒，細菌等有害物質(zhì)隨著霧霾進入人體肺部，也易引起一些疾病。我們需要這樣設計一種設備來對惡劣空氣質(zhì)量可能帶來的危害進行一些必要的防護措施。

針對目前普遍存在的空氣質(zhì)量的污染問題，設計了一種基于單片機的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是用來監(jiān)控PM2.5的濃度，旨在實現(xiàn)空氣質(zhì)量的預警監(jiān)測，有利于進行全方位的空氣質(zhì)量評價。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1.1系統(tǒng)總體設計思路

設計提出了“PM2.5檢測”方案最基本的實現(xiàn)方法。由AT89S52單片機作為系統(tǒng)核心系統(tǒng)、GP2Y1010AU0F粉塵監(jiān)測傳感器作為采集系統(tǒng)、LCD1602液晶顯示模塊作為顯示系統(tǒng)、再有蜂鳴器報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了本次設計的鍵盤輸入、顯示濃度、系統(tǒng)復位等附加功能。

系統(tǒng)在檢測PM2.5濃度的時候，設置了濃度報警系統(tǒng)，并且設置紅，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，用來表示當前的空氣質(zhì)量，濃度大于0.3mg/m?時，表示空氣重度污染，紅燈亮；濃度在0.1-0.3mg/m?之間時，表示空氣輕度污染，黃燈亮；濃度小于0.1mg/m?時，表示空氣質(zhì)量良好，綠燈亮?？傮w設計方案如圖1所示：

1.2單片機最小系統(tǒng)

AT89S52單片機最小系統(tǒng)電路主要由單片機、時鐘電路、復位電路、輸入/ 輸出設備等幾部分模塊構成。晶振選擇頻率范圍為1.2 ～12MHz，或者更高，本次設計選擇頻率為11.0592MHz的石英晶振電路，電容較大，方便串口通信。

空氣質(zhì)量檢測實現(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）可以設置濃度報警數(shù)值；

（3）可以顯示當前空氣質(zhì)量狀況；

（4）可以實現(xiàn)蜂鳴器報警。

2系統(tǒng)硬件電路的設計

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，在采集時，內(nèi)置的氣流發(fā)生器發(fā)生作用，從而檢測出氣體中的PM2.5濃度含量，但是這種信號是模擬電壓信號，具體濃度與電壓成正比例關系，經(jīng)A/D轉換后由核心處理器件單片機接收。

2.2主控電路

采用AT89S52單片機作為主控電路的核心單元，另外主要通過6個模塊的電路設計實現(xiàn)基本功能，分別是粉塵傳感器、A/D轉換、LCD顯示模塊、按鍵電路、報警電路、污染級別提醒電路。

AT89S52單片機是CMOS8位微控制器，能與51單片機兼容的特點使得它的應用非常廣泛，內(nèi)部具有8K字節(jié)在線編程Flash存儲器閃存，支持全靜態(tài)操作，三級加密程序，也使其安全性得到保障。三個16位定時器，八個中斷源，全雙工串行通道，低功耗高性能，外部有32個可編程的I/O口。同時具有看門狗定時器，雙數(shù)據(jù)指針，掉電標識符，掉電后中斷可自動喚醒。

當粉塵傳感器采集到信號后，將采集到的PM2.5濃度最終轉換為數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱C，再通過單片機將處理后的結果輸送到LCD；單片機的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端口是檢測液晶屏上濃度情況；單片機P3的5端口至7端口與鍵盤相連接，鍵盤是用來調(diào)節(jié)蜂鳴器報警初始值的設定，單片機作為系統(tǒng)的最小系統(tǒng)，在整個系統(tǒng)工作中發(fā)揮著重要的作用。

2.3液晶顯示電路

系統(tǒng)設計中的顯示模塊選用的是LCD1602液晶顯示器，其表面為16x02的藍色點陣，使得它可以顯示本次設計的所有檢測結果，這種16x02藍色點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計的各個顯示內(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)設計中，單片機的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管腳連接在單片機的P1的0端口上來進行信號的指令與數(shù)據(jù)傳輸；液晶屏的R/W管腳連接在單片機的P1的1端口上來進行信號的讀寫，其中1為高電平、0為低電平。

2.4蜂鳴器報警電路

設計的報警電路與單片機P1的4口相接，在系統(tǒng)設計時，我們在報警電路中也加入了一項非常實用的功能，就是在系統(tǒng)通電瞬間和按鍵重置瞬間，蜂鳴器做出回應，提醒人們該系統(tǒng)已經(jīng)正常通電工作。

2.5 PM2.5污染提醒電路

設計通過采集到的不同濃度范圍，設置當前污染級別提醒系統(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，從而實現(xiàn)提醒功能。

該模塊實現(xiàn)的功能為：

濃度大于0.3mg/m?時，表示空氣重度污染，紅燈亮；

濃度在0.1-0.3mg/m?之間時，表示空氣輕度污染，黃燈亮；

濃度小于0.1mg/m?時，表示空氣質(zhì)量良好，綠燈亮。

2.6 A/D轉換模塊

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

3系統(tǒng)軟件電路設計

主程序的軟件設計采用了傳統(tǒng)的前后臺的方式。整個控制模塊主要由單片機最小系統(tǒng)模塊、GP2Y1010AU粉塵傳感器模塊、A/D轉換模塊、LCD液晶屏顯示模塊、蜂鳴器報警模塊以及串口驅(qū)動組成。最小系統(tǒng)是該設計的中央處理器，GP2Y1010AU粉塵傳感器是測量PM2.5濃度模塊，A/D轉換、蜂鳴器是該設計的擴展模塊，使用這兩個擴展模塊使得該設計更具有使用價值，而LCD1602液晶顯示器是該設計的最終顯示模塊。在該設計中所有的信號最終都在AT89S52單片機最小系統(tǒng)中進行綜合處理，經(jīng)A/D轉換模塊處理之后再將處理結果傳送到指定的模塊進行顯示，而LCD液晶顯示屏主要顯示PM2.5濃度以及所設置的報警數(shù)值。

系統(tǒng)通電后，開始執(zhí)行的是對設計系統(tǒng)的各個部分初始化，其中包括傳感器模塊、A/D轉換模塊、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 設計檢測分析

在設計結束后，進行了一系列的實驗，該實驗選擇不同時間不同地點進行功能驗證，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比較好的地方和車流量少的地方，空氣中PM2.5的濃度相對較低，一天內(nèi)早晨和晚上的PM2.5濃度相對穩(wěn)定，中午的濃度較高，這可能是因為人們的活動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致空氣中PM2.5含量的增多，工業(yè)區(qū)因為有害氣體的排放，在早、中、晚檢測到的PM2.5濃度相對穩(wěn)定，相對其他地方數(shù)值也較大。這就提醒了人們應該盡量減少出入這些空氣環(huán)境差的地方。

5 結論

單片機作為核心處理系統(tǒng)發(fā)揮著必要的作用，各模塊與單片機的連接也有嚴格的要求，程序的編寫不能擺脫具體的設計。經(jīng)實驗，本設計可較為準確的檢測空氣中的PM2.5含量，并且在不同的環(huán)境可以顯示不同的濃度，設計本身用于顯示空氣質(zhì)量狀況的LED燈直觀的表示出當前的空氣質(zhì)量問題。另外我們設置了濃度報警值，在超過我們設置的這一值后，蜂鳴器就會報警，提醒人們隨時注意保護措施。

設計實現(xiàn)了PM2.5的實時監(jiān)測，具有測量精度高，智能化程度高等特點，同時我也相信本次設計能夠為空氣質(zhì)量檢測做出貢獻，利于空氣質(zhì)量問題的全方位監(jiān)控。

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