基于單片機(jī)霧霾監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鞠啟+胡長(zhǎng)增+史博+楊鑫

【摘要】 為了快速準(zhǔn)確地查看所處環(huán)境的PM2.5濃度，以降低粉塵對(duì)人體的危害，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的霧霾監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)，它采用基于Arduino系統(tǒng)對(duì)PM2.5濃度進(jìn)行檢測(cè)并報(bào)警，同時(shí)具有自動(dòng)啟動(dòng)空氣凈化器系統(tǒng)功能。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的電子平臺(tái)，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，極易掌握，不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)便能進(jìn)行使用，且Arduino價(jià)格便宜，為該系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 Arduino PM2.5濃度檢測(cè)儀 霧霾 空氣凈化器

引言

目前，市場(chǎng)上空氣質(zhì)量量化檢測(cè)通常采用PM2.5 指標(biāo)衡量，通過(guò)系列檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示、記錄。特別是一些專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備體積普遍偏大、功能繁雜、價(jià)格昂貴，不同廠家的檢測(cè)設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)偏差較大，不適合廣大市民購(gòu)買(mǎi)使用。我們需要一種體積小，實(shí)時(shí)檢測(cè)，多功能集成，價(jià)格較低的檢測(cè)儀滿(mǎn)足這一需求。

本次設(shè)計(jì)的目的是制作一個(gè)簡(jiǎn)易的基于單片機(jī)的霧霾監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)即具有自動(dòng)啟動(dòng)空氣凈化器的PM2.5 檢測(cè)與凈化一體裝置，讓我們?cè)谄綍r(shí)的生活中也可隨時(shí)檢測(cè)，并且同時(shí)凈化屋內(nèi)空氣，保持一個(gè)良好的生活環(huán)境。

一、總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的整套系統(tǒng)總共有3個(gè)模塊：霧霾PM2.5檢測(cè)模塊、報(bào)警系統(tǒng)模塊、空氣凈化器自啟動(dòng)模塊，系統(tǒng)組成如圖1所示。

1、霧霾PM2.5檢測(cè)模塊為核心模塊，控制和啟動(dòng)其他兩個(gè)模塊。

2、報(bào)警系統(tǒng)模塊與空氣凈化器自啟動(dòng)模塊相互連接，通過(guò)開(kāi)關(guān)三極管和繼電器實(shí)現(xiàn)自開(kāi)自關(guān)。

3、空氣凈化器自啟動(dòng)模塊中的凈化器所用的原理為靜電除塵原理。利用直流高壓電使空氣電離吸附細(xì)小灰塵。

二、霧霾PM2.5檢測(cè)模塊

2.1 Arduino 開(kāi)發(fā)板

Arduino 開(kāi)發(fā)板作為檢測(cè)模塊的核心，負(fù)責(zé)控制傳感器及數(shù)據(jù)處理，根據(jù)需求可選擇USB 供電或外接電池供電（本文所選開(kāi)發(fā)板為DFRduino UNO R3，所需電壓為5V），在灰塵傳感器從周?chē)h(huán)境中采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)后，交由Arduino中已編譯的程序進(jìn)行整合處理。

Arduino系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)送指令給顯示模塊，最終的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)由LCD 顯示屏輸出顯示。

2.2 粉塵傳感器

檢測(cè)所用的傳感器為夏普GP2Y1010AU0F_粉塵傳感器，夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，用來(lái)感應(yīng)空氣中的塵埃粒子。該傳感器具有非常低的電流消耗（最大20mA，典型值11mA），該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。 可測(cè)量0.8微米以上的微小粒子，感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉、室內(nèi)粉塵等。并且該傳感器價(jià)格低廉，體積小巧，適用于本實(shí)驗(yàn)使用。當(dāng)傳感器輸入一個(gè)值時(shí)，LCD顯示屏上就會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的PM2.5的值。

霧霾PM2.5檢測(cè)模塊的連接示意圖如圖3所示。

2.3 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)包括定義、初始化、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)模轉(zhuǎn)換等。所有功能模塊的程序都是在Arduino IDE 平臺(tái)中完成的。軟件流程圖如圖2所示。

三、報(bào)警系統(tǒng)模塊及空氣凈化器自啟模塊

報(bào)警模塊（本實(shí)驗(yàn)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)為一燈泡）的啟動(dòng)電壓是由PM2.5檢測(cè)模塊輸出的模擬電壓來(lái)提供。開(kāi)關(guān)三極管具有完成斷路和接通的作用，因此將其用于電路的切斷和導(dǎo)通。

報(bào)警系統(tǒng)模塊與空氣凈化器自啟系統(tǒng)模塊緊密相連，利用繼電器的工作原理實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電除塵空氣凈化器系統(tǒng)的啟動(dòng)，并控制報(bào)警系統(tǒng)的接通與斷開(kāi)。

報(bào)警模塊及空氣凈化器自啟模塊電路連接圖如圖4所示。

四、簡(jiǎn)易空氣凈化器

我們所制作的空氣凈化器原理為靜電除塵。靜電除塵是一種氣體在靜電場(chǎng)中電離，電離后的電子與塵粒相遇，使其帶電被吸附于集塵板的除塵方式，其收集過(guò)程如圖5所示。

除塵過(guò)程包括：① 氣體電離；② 粉塵荷電；③ 粉塵沉降。靜電防塵紗窗是將靜電發(fā)生器固定在窗框上，靜電發(fā)生器的輸入端接低壓直流電，輸出端的一根線(xiàn)接地，另一根線(xiàn)接到金屬網(wǎng)上，然后把金屬網(wǎng)覆蓋到玻璃纖維紗窗上，玻璃纖維紗窗就會(huì)帶上靜電，這樣空氣中的灰塵通過(guò)紗窗時(shí)就會(huì)被靜電吸附。

定期清理窗紗上的灰塵就可以達(dá)到持續(xù)性的凈化室內(nèi)空氣的目的。

五、結(jié)語(yǔ)

將我們制作的霧霾PM2.5檢測(cè)儀所測(cè)的值與市場(chǎng)上銷(xiāo)售的PM2.5檢測(cè)儀相比較，其數(shù)值與市場(chǎng)所銷(xiāo)售的PM2.5檢測(cè)儀的值基本相同，并設(shè)定當(dāng)PM2.5的值高于150時(shí)，能自啟空氣凈化器。

此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于：造價(jià)便宜，方便人們能夠快速的了解當(dāng)前環(huán)境下的PM2.5濃度，并能自動(dòng)減少屋內(nèi)的粉塵濃度，改善人們居住環(huán)境。設(shè)計(jì)中的空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊不僅可以用于檢測(cè)空氣中PM2.5的含量，還可以用于其他需要進(jìn)行空氣濃度檢測(cè)的環(huán)境。

同時(shí)我們所設(shè)計(jì)的靜電除塵空氣凈化裝置，是將該裝置放置在紗窗前方，通過(guò)設(shè)定PM2.5檢測(cè)儀的上下限的控制數(shù)值使空氣凈化器自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)的投入或停止運(yùn)行，這樣該裝置就可在重霧霾天快速啟動(dòng)，在空氣質(zhì)量良好的天氣自動(dòng)關(guān)閉，節(jié)省電能。重點(diǎn)解決了普通紗窗無(wú)法在霧霾天氣下有效地過(guò)濾對(duì)人體有害的可吸入顆粒物的問(wèn)題。因此，其市場(chǎng)前景廣闊、推廣價(jià)值高。

參 考 文 獻(xiàn)

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