基于單片機(jī)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

摘要：由粉塵傳感器測(cè)量空氣粉塵濃度，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送單片機(jī)，單片機(jī)分析處理轉(zhuǎn)換成濃度值再與設(shè)定濃度值比較;顯示器顯示空氣中粉塵測(cè)量濃度和設(shè)定濃度;當(dāng)粉塵濃度超限時(shí)，聲光報(bào)警;

0 引言

空氣污染是城市面臨的共同問(wèn)題。從倫敦、洛杉磯煙霧事件到近年我國(guó)霧霾。PM2.5是大氣污染關(guān)鍵污染物，污染物濃度是衡量空氣污染程度的重要指標(biāo)。大氣灰霾已成為重大民生問(wèn)題。PM2.5逐漸進(jìn)入環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

顆粒物大?。捍笥?0微米的顆粒物可以被鼻子和咽喉截住，而不會(huì)進(jìn)入肺部。5到10微米的顆粒物可以在咽喉通過(guò)物理機(jī)制去除。小于5微米的顆粒物會(huì)到達(dá)支氣管。直徑小于2.5微米的顆粒物會(huì)通過(guò)呼吸進(jìn)入肺部最深處。所以從人類健康講是最受關(guān)注的顆粒物種類。PM是指英文顆粒物，25是指大氣中直徑小于等于 2.5微米的顆粒物。也稱可入肺顆粒物。它是導(dǎo)致空氣質(zhì)量差、能見(jiàn)度低的罪魁禍?zhǔn)住Ｒ虼?，檢測(cè)PM2.5對(duì)于觀測(cè)、防治大氣污染有重要意義。本文采用粉塵傳感器檢測(cè)PM2.5的濃度，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理顯示PM2.5的濃度，有超限報(bào)警功能。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、GP2Y1010AU粉塵傳感器、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊、LCD1602液晶模塊、電源模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊和按鍵模塊組成。

系統(tǒng)原理圖如下：

1.1 粉塵傳感器和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

PM2.5的測(cè)量方法

根據(jù)PM2.5檢測(cè)網(wǎng)的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)，24小時(shí)平均值標(biāo)準(zhǔn)值分布如下：

夏普公司灰塵傳感器GP2Y1010AU(如圖3粉塵傳感器內(nèi)部構(gòu)造)，靈敏度高，可以用來(lái)測(cè)量0.8微米以上的微小粒子，可用于室內(nèi)環(huán)境中煙氣、粉塵、花粉等濃度的檢測(cè)。以檢測(cè)出單位體積粒子的絕對(duì)個(gè)數(shù)，而且內(nèi)置氣流發(fā)生器，可以自行吸入外部空氣。其內(nèi)部對(duì)角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使得其能夠探測(cè)到空氣中塵埃反射光，即使非常細(xì)小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測(cè)到，該傳感器具有非常低的電流消耗(最大20mA，典型值11mA)，可使用高達(dá) 7VDC。該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃成正比。

主要參數(shù)：

靈敏度：0.5V/(0.1mg/m3)

輸出電壓：0.9V(TYP)

消耗電流：11mA

工作溫度：-10～65口

存儲(chǔ)溫度：-20～80口

顯示數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)值+12分鐘均值

粉塵傳感器GP2Y1010AU通過(guò)對(duì)空氣粉塵顆粒濃度的檢測(cè)輸出模擬電壓值與粉塵濃度成正比。故在仿真原理圖中，我們用可變電阻設(shè)計(jì)的局部限壓電路代替?zhèn)鞲衅鰽DC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)序說(shuō)明如圖6所示：

當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用。

當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平，并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)，DI端1位高電平啟始信號(hào)，2、3位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì)CH0進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。3位后數(shù)據(jù)輸出 DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。4、11位(8、19)數(shù)據(jù)輸出完成，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。單片機(jī)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2 單片機(jī)和LCD顯示模塊

采用STC89S52單片機(jī)為控制核心，采用1602LCD顯示粉塵測(cè)量濃度和設(shè)定濃度：

單片機(jī)處理算法如下：

關(guān)于煙的檢出、判定值相當(dāng)于香煙的煙那樣的檢出物，按如下表示。

可以檢出的范圍(輸出電壓可變范圍(V))=輸出電壓范圍：VOH(V)-無(wú)塵

時(shí)輸出電壓：Voc(V)。

將此換算成粉塵濃度：

檢出粉塵濃度范圍(mg/m3)=檢出可能范圍(輸出電壓可變范圍(V))÷檢出感度：K(V/(0.1 mg/m3)。

煙檢出的情況下，其判定值如下：

判定值=檢出濃度(mg/m3)+10xK(V/(0.1mg/m3)+無(wú)塵時(shí)輸出電壓(V))

[例]

檢出濃度：0.2(mg/m3)來(lái)判定時(shí)

1)K：TYP0.5(V/(0.1mg/m3)

2)無(wú)塵時(shí)輸出電壓：0.9(V)的情況下

判定值=(0.2x 10)x0.5+0.9=1.9V

[灰塵的檢出]

顯示器顯示粉塵濃度測(cè)量值和設(shè)定值。

1. 3 報(bào)警和污染級(jí)別提醒電路模塊

當(dāng)測(cè)量濃度值超過(guò)設(shè)置值時(shí)，聲光報(bào)警;

等級(jí)指示燈狀態(tài)：

綠燈：空氣質(zhì)量?jī)?yōu) (數(shù)值0—35)

黃燈：空氣質(zhì)量良 (數(shù)值35—75)

紅燈：輕度污染 (數(shù)值75—115)

1.4 按鍵模塊

功能：濃度報(bào)警值設(shè)置;

檢測(cè)P3.3、P3.4、P3.5，都是高電平表示無(wú)按鍵按下;當(dāng)檢測(cè)到低電平時(shí)，表示有按鍵按下;

按下設(shè)置鍵一次，LCD上濃度閃爍;表示進(jìn)入濃度設(shè)置狀態(tài)，此時(shí)每按加鍵一次，報(bào)警值增加0.01mg;每按減鍵一次，減0.01mg，二次按下設(shè)置鍵，設(shè)置結(jié)束。

2 軟件主程序框圖如圖8所示：

3 結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)TPROTEUS仿真;據(jù)此制作的產(chǎn)品能夠檢測(cè)PM2.5。因?yàn)樵靸r(jià)低能夠?qū)崿F(xiàn)家庭普及配置;對(duì)于提高全民空氣質(zhì)量意識(shí)有積極作用。