基于單片機空氣質量檢測系統(tǒng)

摘要：由粉塵傳感器測量空氣粉塵濃度，轉換成數(shù)字量送單片機，單片機分析處理轉換成濃度值再與設定濃度值比較;顯示器顯示空氣中粉塵測量濃度和設定濃度;當粉塵濃度超限時，聲光報警;

0 引言

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

顆粒物大?。捍笥?0微米的顆粒物可以被鼻子和咽喉截住，而不會進入肺部。5到10微米的顆粒物可以在咽喉通過物理機制去除。小于5微米的顆粒物會到達支氣管。直徑小于2.5微米的顆粒物會通過呼吸進入肺部最深處。所以從人類健康講是最受關注的顆粒物種類。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。它是導致空氣質量差、能見度低的罪魁禍首。因此，檢測PM2.5對于觀測、防治大氣污染有重要意義。本文采用粉塵傳感器檢測PM2.5的濃度，經(jīng)過單片機處理顯示PM2.5的濃度，有超限報警功能。

1 硬件電路設計

如圖1所示，空氣質量檢測系統(tǒng)由STC89C52單片機最小系統(tǒng)、GP2Y1010AU粉塵傳感器、ADC0832模數(shù)轉換器模塊、LCD1602液晶模塊、電源模塊、蜂鳴器報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)轉換電路

PM2.5的測量方法

根據(jù)PM2.5檢測網(wǎng)的空氣質量新標準，24小時平均值標準值分布如下：

夏普公司灰塵傳感器GP2Y1010AU(如圖3粉塵傳感器內(nèi)部構造)，靈敏度高，可以用來測量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。以檢測出單位體積粒子的絕對個數(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，使得其能夠探測到空氣中塵埃反射光，即使非常細小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到，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 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

存儲溫度：-20～80口

顯示數(shù)據(jù)實時值+12分鐘均值

粉塵傳感器GP2Y1010AU通過對空氣粉塵顆粒濃度的檢測輸出模擬電壓值與粉塵濃度成正比。故在仿真原理圖中，我們用可變電阻設計的局部限壓電路代替?zhèn)鞲衅鰽DC0832模數(shù)轉換時序說明如圖6所示：

當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用。

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

1.2 單片機和LCD顯示模塊

采用STC89S52單片機為控制核心，采用1602LCD顯示粉塵測量濃度和設定濃度：

單片機處理算法如下：

關于煙的檢出、判定值相當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)-無塵

時輸出電壓：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)+無塵時輸出電壓(V))

[例]

檢出濃度：0.2(mg/m3)來判定時

1)K：TYP0.5(V/(0.1mg/m3)

2)無塵時輸出電壓：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量值和設定值。

1. 3 報警和污染級別提醒電路模塊

當測量濃度值超過設置值時，聲光報警;

等級指示燈狀態(tài)：

綠燈：空氣質量優(yōu) (數(shù)值0—35)

黃燈：空氣質量良 (數(shù)值35—75)

紅燈：輕度污染 (數(shù)值75—115)

1.4 按鍵模塊

功能：濃度報警值設置;

檢測P3.3、P3.4、P3.5，都是高電平表示無按鍵按下;當檢測到低電平時，表示有按鍵按下;

按下設置鍵一次，LCD上濃度閃爍;表示進入濃度設置狀態(tài)，此時每按加鍵一次，報警值增加0.01mg;每按減鍵一次，減0.01mg，二次按下設置鍵，設置結束。

2 軟件主程序框圖如圖8所示：

3 結束語

基于單片機空氣質量檢測系統(tǒng)實現(xiàn)TPROTEUS仿真;據(jù)此制作的產(chǎn)品能夠檢測PM2.5。因為造價低能夠實現(xiàn)家庭普及配置;對于提高全民空氣質量意識有積極作用。