基于單片機(jī)的PM2.5測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，空氣質(zhì)量不斷惡化，陰霾天氣現(xiàn) 象逐漸增多，危害情況不斷加劇。PM2.5、PM10、PM0.1及 其吸附的重金屬(如Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等)粒子 為霧霾的重要組成部分。顆粒物的類別是由其直徑大小決 定的，直徑小于2.5 um的顆粒物屬于可入肺顆粒物，簡(jiǎn)稱 PM2.5 (Particulate Matter 2.5)，其直徑相當(dāng)于人類一根頭發(fā) 粗細(xì)的1/20。2012年2月，《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》新增了對(duì) PM2.5的檢測(cè)指標(biāo)，PM2.5成為空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)項(xiàng)目之一。

本次設(shè)計(jì)的目的是制作一個(gè)簡(jiǎn)易的PM2.5檢測(cè)裝置，讓 我們?cè)谄綍r(shí)的生活中也可隨時(shí)檢測(cè)，提醒大家要關(guān)注環(huán)境問題。

1 PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本次設(shè)計(jì)的PM2.5測(cè)試儀的硬件組成是由單片機(jī) MSP430F149、光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器GP2Y1010AU0F、顯示模 塊、A/D模塊、報(bào)警模塊等5部分組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示, 其系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖1 PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本框圖

光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器根據(jù)其所實(shí)時(shí)檢測(cè)的空氣中PM2.5 的含量比例輸出模擬電壓信號(hào)，該模擬電壓信號(hào)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理后，由 LCD1602顯示屏對(duì)所檢測(cè)的PM2.5數(shù)值進(jìn)行顯示，當(dāng)檢測(cè)出 來的濃度超過設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。根據(jù)PM2.5檢測(cè)網(wǎng)空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)，24小時(shí)平均值標(biāo)準(zhǔn)值分布如表1所示。

1.1微處理器單片機(jī)的組成

單片機(jī)采用了美國(guó)德州儀器(TI)公司推出的一類具有 16位總線的帶FLASH的單片機(jī)MSP430作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核 心模塊，其編址尋址范圍可達(dá)64K，可外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，具有 統(tǒng)一的中斷管理，片內(nèi)資源及I/O接口豐富。這款單片機(jī)能 夠滿足本設(shè)計(jì)小型化、低功耗、抗干擾的需求。

單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、 輸入/輸出設(shè)備等。

報(bào)警電路

報(bào)警系統(tǒng)由兩部分組成，一是LED燈光報(bào)警，二是蜂鳴 器的聲音報(bào)警。

LED (Light Emitting Diode)為發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱，其接 線方法是采取了電源接到二極管正極再經(jīng)過560 Q電阻接到 單片機(jī)I/O 口，即灌電流方式。

蜂鳴器是一種一體化構(gòu)造的電子訊響器。由于單片機(jī)驅(qū) 動(dòng)不足，所以本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器采取S9013 (PNP)三極管增 加單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力的方法。

1.3顯示電路

LCD1602是工業(yè)字符型液晶，可同時(shí)顯示16X2即2行、 每行顯示16個(gè)字符液晶模塊(顯示字符和數(shù)字)，是一種專用 于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。本設(shè)計(jì)顯示模塊使用 LCD1602，其基本操作時(shí)序如表 2 所列 ：

1.4夏普GP2Y1010AU0F光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器

GP2Y1010AU0F是一款光學(xué)濃度檢測(cè)傳感器由日本夏普 公司開發(fā)。此傳感器內(nèi)部成對(duì)腳分布的紅外發(fā)光管和光電晶體 管，利用光敏原理來工作。用于檢測(cè)特別細(xì)微的顆粒，依靠 輸出脈沖的高度來判斷顆粒濃度。

GP2Y1010AU0F 內(nèi)部那

GP2Y1010AU0F內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，其結(jié)構(gòu)為紅外發(fā) 光二極管和光敏三極管是對(duì)角布置的裝置，檢測(cè)空氣中的塵 埃所反射的光。

GP2Y1010AU0F 外部電路

(1) GP2Y1010AU0F 驅(qū)動(dòng)條件

GP2Y1010AU0F傳感器對(duì)驅(qū)動(dòng)其LED的脈沖要求比較 高，輸入信號(hào)采樣周期為10 ms±1 ms ；輸入高脈沖的寬度為 0.32 ms±0.02 ms。對(duì)于采樣信號(hào)，需要等待輸入信號(hào)出現(xiàn)高 脈沖以后計(jì)時(shí)0.28 ms進(jìn)行采樣。圖4為驅(qū)動(dòng)LED的脈沖。

(2)外部電路連接圖說明

GP2Y1010AU0F外部接線圖如圖5所示。電阻起限流 作用。晶體管Q可以增加傳感器3號(hào)腳的驅(qū)動(dòng)能力,R6選擇 10 kQ 電阻，Q1使用 8050 (NPN 管)。MSP430F149 的 P1.2 作 為脈沖信號(hào)的輸入腳為傳感器提供輸入信號(hào)。電阻R3和電容C4分別為150。和220 uF的電解電容。P6.5為MSP430F149 內(nèi)部ADC的5號(hào)模擬輸入引腳，傳感器輸出的模擬信號(hào)通過 單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。R4和R5起分壓作用，電阻都為10 kQ,因 為對(duì)于MSP430F149單片機(jī)來說，驅(qū)動(dòng)電壓為3.3 V,而對(duì)于 傳感器而言，需要提供5 V的電壓，輸出電壓有可能會(huì)超過 3.3V。

2軟件設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)需利用單片機(jī)所產(chǎn)生的周期為10 ms的 PWM脈沖波形驅(qū)動(dòng)傳感器內(nèi)部的LED發(fā)光，并在0.32 ms 對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，同時(shí)進(jìn)行LCD1602的顯示和定時(shí)器的 定時(shí)。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波形加在夏普GP2Y1010AU0F上, 傳感器將輸出一個(gè)電壓模擬量，模擬電壓可通過A/D進(jìn)行相 應(yīng)的轉(zhuǎn)化,然后得出相應(yīng)的數(shù)值，最后通過LCD1602顯示出來。 如果空氣濃度超過300 ug/m3時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警。

本次設(shè)計(jì)軟件部分可大致分為PWM模塊程序、ADC模 塊程序、LCD1602顯示模塊程序、定時(shí)器模塊程序、主程序 模塊程序等。

PWM模塊

PWM是一個(gè)周期為10 ms占空比固定的脈沖，故無需調(diào) 整占空比的設(shè)置。PWM由內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生中斷獲得，這樣的 設(shè)計(jì)大大減小了 CPU的使用率。流程圖如圖6所示。

ADC模塊

因?yàn)锳DC模塊主要是將傳感器傳輸上來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào)，然后通過單片機(jī)進(jìn)行處理。AD模塊程序流程 圖如圖7所示，整體程序流程圖如圖8所示。

2.3 IAR Embedded Workbench 軟件

本設(shè)計(jì)主要利用 IAR Embedded Workbench 軟件的工程管理、程序編輯、代碼下載、調(diào)試等功能實(shí)現(xiàn)軟件編程。

3 結(jié) 語(yǔ)

PM2.5 是最近幾年新出的話題，本設(shè)計(jì)的 PM2.5 測(cè)試儀在室外正?？諝猸h(huán)境中測(cè)試結(jié)果與當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào) PM2.5 的數(shù)值相差在 ±2.0 誤差范圍內(nèi)。與市面上的 PM2.5 的檢測(cè)裝置相比，本設(shè)計(jì)的基于單片機(jī) PM2.5 測(cè)試儀具有價(jià)格便宜，便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

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