PM2.5環境質量檢測器設計

楊燕

（南京工業職業技術學院 江蘇 南京 210023）

由于時代的進步和工業水平的進步，人民的生活水平得到極大的提高，對于生活環境的質量的要求日益提高，PM2.5這一指標愈來愈受到大眾的關注。如果環境質量的數據可以以一種便捷的方式2獲取，人們便可根據所顯示的數據調節所處環境的質量，以達到最佳的居住環境；生產中也可通過該系統獲得的數據來控制得到安全的生產環境，這無疑是未來的發展方向，本文主要介紹一種便捷地測試環境中PM2.5含量的檢測器設計。

1 總體設計

本設計思路：信息采集→信息處理→信息顯示/報警[1]。其主要模塊為單片機、溫濕度采集、粉塵傳感器、蜂鳴器報警、電源等模塊。單片機與溫濕度傳感器DHT11和粉塵傳感器DSM501構成數字量采集系統，將采集到送入單片機處理，并將處理后的數據用液晶顯示器LCD1602呈現出來。它可實現如下功能：隨時設定報警的閾值；實時、快速檢測空氣中溫濕度及粉塵濃度（即PM2.5濃度）；當濃度超出報警閾值時發出聲、光報警。系統硬件連接關系如圖1所示。

2 硬件設計

1）單片機電路

該系統采用STC12系列的單片機，用它作為該系統的控制芯片[2]。

圖1 系統硬件連接關系Fig.1 Connection of system hardware

2）電源電路

利用AC-DC線性電源給整個系統供電[3]。AC-DC電源將220 V的的市電轉換為5 V/1 A的直流穩壓電，該電源調整速度快、紋波小、干擾小。

3）溫濕度傳感器電路

數字溫濕度傳感器DHT11是一款含有已校準熟悉信號輸出溫濕度復合傳感器，它應用專用的溫濕度傳感技術和數字模塊采集技術，確保產品具有卓越的長期穩定性和極高的可靠性。傳感器包括一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件，并與一個性能高的8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11傳感器都在即為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測型號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為給類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。產品為4針單排引腳封裝，連接方便。

圖2 單片機電路Fig.2 Singlechip circuit

圖3 AC-DC電源電路Fig.3 AC-DC power supply circuit

4）粉塵傳感器電路

灰塵傳感器DSM501可以感知煙草產生的煙氣和花粉，房屋粉塵等，加熱自動進氣裝置，可調電阻設置檢測灰塵的大小[4]。采用與粒子計算器相同原理為基礎，檢測出單位體積粒子的絕對個數。可測量1微米以上的微小粒子；體積小，重量輕，便于安裝；5 V的輸入電路，便于信號處理；內藏氣流發生器，可以自行吸引外部大氣；保養簡單，可以長期保持傳感器的特性。

5）顯示電路

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊[5]。它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用。具有80個字節的RAM，標準版社，1997.的接口特性，適配M6800系列MPU的操作時序。模塊結構緊湊、輕巧、裝配容易，像素尺寸小，分辨率高。

圖4 傳感器應用電路Fig.4 Application of sensor circuit

圖5 DSM501典型應用電路Fig.5 DSM501 typical application circuit

使用時，可將P0與LCD的數據線相連，P2口與LCD的控制線相連，其中，LCD1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳RW為讀寫信號線，第6腳E為使能端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。因此在編寫軟件時需要做處理，使讀取正確。

6）報警電路

本系統中用聲音報警的方式，當環境的溫濕度和粉塵含量超過預設值時，則會發出報警聲音。

圖6 LCD1602顯示電路Fig.6 LCD1602 Display circuit

圖7 報警電路Fig.7 Alarm circuit

7）震蕩和復位電路的設計

圖8中 S1、C1、R4、R5構成復位電路。 單片機在上電后可以從初始狀態工作，同時若在工作過程中出現問題則可以通過按鈕手動復位。

圖8 復位電路Fig.8 Reset circuit

圖9中C2、G1、C3構成單片機的震蕩電路。本系統中由于單片機的內部帶有震蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可。C2、C3兩個電容的目的是防止單片機自激。

3 軟件設計

計算機在完成一項工作時，必須按順序執行各種操作。這些操作是程序設計人員用計算機所能夠接受的語言把解決問題的步驟事先描述好的，也就是事先編制好計算機程序，再由計算機去執行。另外，一個有效率的控制系統還需要完善的算法，由算法繪制出相應的流程圖，這樣根據流程圖編制軟件程序。

根據該檢測系統功能，系統軟件流程圖如圖10所示[6]。

圖9 振蕩電路Fig.9 Oscillating circuit

圖10 系統軟件的工作流程Fig.10 System software work flow

本次設計主要是能夠實時顯示出當前確切的溫濕度及粉塵含量。接通電源后將有一定緩沖時間，隨后向模塊發送命令，并接受模塊所發送數據，經檢查校驗后，通過LCD1602顯示，點陣顯示溫濕度及粉塵濃度，如果沒有特殊情況，LCD會實時顯示當前檢測的環境數據。

4 結束語

本設計綜合利用單片機技術、傳感器技術、數字電子技術和LCD顯示等知識，完成了單片機控制的溫度、濕度和顯示裝置的設計。比較系統地介紹了軟硬件設計方法。利用單片機C語言完成了系統軟件的設計。

1）把傳感器技術應用到單片機控制系統中，實現了對環境溫度和濕度的數據采集和讀取。

2）利用LCD液晶的顯示技術完成了環境溫度、濕度及顯示電路的設計。

3）外接了蜂鳴器報警模塊，在超過設定溫濕度上下限時自動報警。

由于單片機經濟實用、開發簡便，因而在工業控制、農業自動化、家電智能化等領域占據了廣泛的市場。本文介紹的系統設計有一定的實用性，但該系統還需要在智能化方面加以改進。特別是在提高穩定度和節省功耗等方面。

[1]何小艇.電子系統設計[M].浙江：浙江大學出版社，2003.

[2]沙占友，王彥朋，孟志永.單片機外圍電路設計[M].北京:電子工業出版社，2003.

[3]李毅.直流穩壓電源的設計和制作 [J].中國教育技術裝備，2009（9）:91-92.

[4]張先富，蘇麗秋，趙明富.智能光電傳感器的原理與應用[J].磁性材料及器件，2009（2）:54-56.

[5]李維鍦，郭強編著.液晶顯示應用技術[M].北京：電子工業出版社，2000.

[6]王士元.C語言高級實用程序設計[M].北京:清華大學出版社，1997.