基于STC89C52的空氣霧霾檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

摘 要：該款設(shè)計(jì)將空氣中的霧霾氣體在空氣中的含量（濃度）轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)處理，并通過(guò)數(shù)碼管顯示出大氣中的霧霾氣體濃度值，然后通過(guò)單片機(jī)與設(shè)定的濃度上限值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)該濃度上限值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警器裝置以提醒工作人員或居民采取緊急措施，同時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)裝置以使室內(nèi)的空氣中的霧霾氣體濃度得到及時(shí)的調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；霧霾檢測(cè)；仿真

近些年來(lái)伴隨經(jīng)濟(jì)的提升造成的空氣污染日益嚴(yán)重，造成的陰霾天氣現(xiàn)象不斷，對(duì)人類健康有著非常大的危害。不少地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象并入濃霧現(xiàn)象一起作為災(zāi)害性的天氣預(yù)警預(yù)報(bào)。統(tǒng)稱為“霧霾天氣”。霧霾主要是由粒徑小，富含大量有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)的PM2.5、PM10、及重金鎳屬鉻砷鉛等顆粒組成。因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重影響。

本設(shè)計(jì)的整體思路是：運(yùn)用STC89C52單片機(jī)控制氣體濃度傳感器系統(tǒng)對(duì)空氣中的霧霾氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，該設(shè)計(jì)同時(shí)具有通風(fēng)報(bào)警功能。該設(shè)計(jì)主要電路由氣體檢測(cè)傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、顯示電路、報(bào)警電路、通風(fēng)電路組成。空氣中的霧霾氣體傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，他將空氣中的霧霾氣體在空氣中的含量（濃度）轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)處理。數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出空氣中的霧霾氣體濃度值，通過(guò)控制電路與設(shè)定的濃度上限值進(jìn)行比較，當(dāng)霧霾濃度值超過(guò)測(cè)量上限值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警器裝置以提醒工作人員或居民采取緊急措施，同時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)裝置以便室內(nèi)的空氣中的霧霾氣體濃度得到及時(shí)的調(diào)節(jié)。

以STC89C52單片機(jī)作為控制電路主要部件，外加一部分輔助電路來(lái)完成設(shè)計(jì)的預(yù)期任務(wù)，即檢測(cè)并顯示出空氣中的霧霾氣體濃度，并能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)報(bào)警。通過(guò)空氣中的霧霾氣體濃度傳感器TGS-813檢測(cè)空氣中的霧霾氣體濃度值的變化，當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)檢測(cè)出氣體濃度變化時(shí)濃度傳感器的電導(dǎo)率將發(fā)生變化，從而使得輸出電壓發(fā)生變化，低功耗雙運(yùn)算放大器LM358將該微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器件，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算，單片機(jī)根據(jù)計(jì)算的結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管進(jìn)行顯示。如果檢測(cè)到空氣中的霧霾的濃度超標(biāo)，會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)也會(huì)開(kāi)啟通風(fēng)電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)處理。當(dāng)空氣中的霧霾的濃度降低了的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止報(bào)警，關(guān)閉通風(fēng)電機(jī)。系統(tǒng)的空氣中的霧霾的報(bào)警值是可以通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)定的，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）單片機(jī)模塊

本次設(shè)計(jì)的空氣中的霧霾濃度測(cè)試儀，使用ATMEL公司的STC89C52單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)LED數(shù)碼管進(jìn)行控制顯示氣體的濃度，單片機(jī)控制的對(duì)象主要包括傳感器檢測(cè)模塊，A/D轉(zhuǎn)換單元電路、按鍵控制電路、通風(fēng)和報(bào)警電路、報(bào)警電路等組成。

（二）氣體檢測(cè)及前置放大模塊

氣體傳感器輸出的信號(hào)是微弱信號(hào)，在送入A/D轉(zhuǎn)換器之前要進(jìn)行放大處理，并進(jìn)行濾波處理，圖2所示本次設(shè)計(jì)中使用LM358放大器進(jìn)行微弱信號(hào)的放大。

（三）A/D轉(zhuǎn)換模塊

在本設(shè)計(jì)中需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后，進(jìn)行比較和判斷。經(jīng)放大處理后產(chǎn)生的模擬信號(hào)將送入A/D芯片的AIN端，再利用P2.6作為A/D芯片的片選端，P2.5作為A/D芯片的數(shù)據(jù)輸出端，P2.7作為A/D芯片的時(shí)鐘端。用A/D串行輸出設(shè)計(jì)有效的提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，且具有強(qiáng)抗干擾性。

（四）通風(fēng)模塊

圖4所示的設(shè)計(jì)中通風(fēng)設(shè)備由控制電路的單片機(jī)控制發(fā)光二極管。當(dāng)通風(fēng)設(shè)備工作時(shí)，由STC89C52控制的發(fā)光二極管閃爍，顯然當(dāng)通風(fēng)設(shè)備工作不正常時(shí)，該發(fā)光二極管停止閃爍，這樣可以直觀的觀察到通風(fēng)設(shè)備的工作情況。

（五）聲光報(bào)警模塊

本設(shè)計(jì)中的聲光報(bào)警器由STC89C52單片機(jī)的P2.4和P3.0控制，通過(guò) P2.4口輸出的高、低電平控制三極管Q1導(dǎo)通與關(guān)斷，以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的開(kāi)啟與關(guān)閉。當(dāng)檢測(cè)到得濃度值高于設(shè)值的濃度值，P2.4口輸出的高電平，三極管Q1導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴響；當(dāng)檢測(cè)到得濃度值低于設(shè)值的濃度值，P2.4口都會(huì)輸出的低電平，三極管Q1關(guān)斷，蜂鳴器停止鳴響，其電路圖如圖5所示。

（六）鍵盤(pán)輸入模塊

由STC89C52的P1.4-P1.6構(gòu)成的設(shè)置空氣中的霧霾氣體濃度值增加鍵SW1、設(shè)置空氣中的霧霾氣體濃度值減小鍵SW2、和一個(gè)設(shè)置按鍵SW。如圖6所示。

（七）顯示模塊

使用了一只四位一體共陽(yáng)極數(shù)碼管用于對(duì)空氣中的霧霾濃度值的顯示。單片機(jī)的P2口連接數(shù)碼管的a～g和dp筆畫(huà)段，P0.0，P0.2，P0.4，P0.6分別連接數(shù)碼管的4個(gè)位選端。以第一位數(shù)碼管點(diǎn)亮為例說(shuō)明，當(dāng)P0.0為低電平時(shí)，三極管Q1的EC兩極導(dǎo)通，所以數(shù)碼管第一位的公共端就被置到了高電平，此時(shí)第一位數(shù)據(jù)段陰極為低電平的字段被點(diǎn)亮，依次類推。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先對(duì)單片機(jī)及其外圍器件進(jìn)行初始化操作，TGS-813型氣體傳感器由于在不通電狀態(tài)下存放一段時(shí)間后再接通電源，引起傳感器并不能立即投入正常工作，需要一定的時(shí)間進(jìn)行預(yù)熱處理，因此電路采用延時(shí)程序?qū)鞲衅黝A(yù)熱。預(yù)熱結(jié)束后，則進(jìn)入鍵盤(pán)掃描子函數(shù)，掃描鍵盤(pán)是否有按鍵按下，若有則執(zhí)行鍵盤(pán)子函數(shù)，否則進(jìn)入氣體濃度監(jiān)測(cè)子程序，由氣體傳感器測(cè)試出當(dāng)前氣體濃度值，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換濾波后送給LED顯示出來(lái)，同時(shí)該測(cè)量值與用戶氣體濃值進(jìn)行比較，當(dāng)其超過(guò)設(shè)定通風(fēng)報(bào)警值時(shí)則執(zhí)行聲光報(bào)警程序程及通風(fēng)子程序，依次循環(huán)。

主程序初始化流程圖如圖7所示，進(jìn)入主程序的第一步就是要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，這部分實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)各種I/O口輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器初始化等。首先設(shè)定對(duì)氣體濃度的采樣，接下來(lái)關(guān)閉蜂鳴器和通風(fēng)裝置及其對(duì)應(yīng)的LED發(fā)光二極管，并對(duì)顯示器件LED進(jìn)行初始化，同時(shí)設(shè)定氣體濃度通風(fēng)報(bào)警的濃度值。

控制電路傳感器輸出為模擬信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將其變成數(shù)字信號(hào)才能被電路識(shí)別與處理。TLC549為串行A/D轉(zhuǎn)換芯片，需將串行比特流轉(zhuǎn)換成8位數(shù)據(jù)，一個(gè)轉(zhuǎn)換完成需要17us，因此設(shè)定延時(shí)20us等待A/D轉(zhuǎn)換完成并傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理，如圖8所示。

本設(shè)計(jì)在仿真軟件proteus中的模擬仿真：

1）在仿真中用一只可調(diào)電阻RV1模擬空氣中的霧霾濃度傳感器，開(kāi)始仿真時(shí)數(shù)碼管顯示空氣中的霧霾濃度含量程度，當(dāng)增大可調(diào)電阻的阻值時(shí)，空氣中的霧霾濃度增加，否則減小。

2）通過(guò)三個(gè)按鍵S1，S2，S3，可以設(shè)置空氣中的霧霾濃度報(bào)警閥值，當(dāng)按下S1按鍵后，數(shù)碼管顯示默認(rèn)的空氣中的霧霾濃度報(bào)警閥值550，按下S2按鍵后對(duì)此值進(jìn)行減調(diào)整，每按一次減小15，當(dāng)按下S3按鍵時(shí)對(duì)此值進(jìn)行加調(diào)整，每按一次增加15，再次按下S1按鍵退出報(bào)警值調(diào)整狀態(tài)。

3）當(dāng)空氣中的霧霾濃度含量達(dá)到報(bào)警閥值時(shí)，繼電器RL1吸合，此時(shí)發(fā)光二極管D8亮，表示啟動(dòng)了外部通風(fēng)裝置，同時(shí)發(fā)光二極管D1閃爍，蜂鳴器LS2滴滴響，進(jìn)行聲光報(bào)警。

本設(shè)計(jì)由硬、軟件兩部分組成，是基于單片機(jī)的霧霾檢測(cè)系統(tǒng)。任務(wù)的核心是開(kāi)發(fā)以單片機(jī)STC89C52為中心的霧霾檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件主要針對(duì)電路的使用性要簡(jiǎn)單的特點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)化電路，最優(yōu)化的電路板設(shè)計(jì)，節(jié)省電路板空間。

利用仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)方案的可行性達(dá)到最初設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求，從而完成設(shè)計(jì)要求，通過(guò)LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示相關(guān)的信息。符合最初技術(shù)指標(biāo)要求，功能性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)濃度等信息的顯示，具有一定的實(shí)踐意義。

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作者簡(jiǎn)介：

李俊，男，江西應(yīng)用科技學(xué)院信息工程分院講師，研究方向：電子信息工程。