基于單片機的PM2.5檢測儀設計

摘 要：我國不少地區把陰霾天氣現象并入霧，統稱為“霧霾天氣”作為災害性天氣預警預報。霧霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金屬鎳砷鉻鉛等顆粒組成。本設計以STC89C51單片機為控制中心，由GP2Y1010AU0F灰塵傳感器測量空氣粉塵濃度，LCD1602顯示屏顯示當前空氣粉塵濃度，并會根據設置好的報警值報警提示，對應顏色指示燈點亮。該系統電路簡單、調試方便，測試精度高，具有一定的實用價值。

關鍵詞：PM2.5；單片機；粉塵濃度；GP2Y1010AU0F

一、 設計背景

世界衛生組織發布的報告顯示，無論是發達國家還是發展中國家，目前大多數城市和農村人口都遭受到顆粒物對健康的影響。粒徑10微米以上的顆粒物會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5微米～10微米之間的顆粒物，能夠進入人的上呼吸道；人體的生理結構決定了對PM2.5沒有任何過濾、阻攔能力。PM2.5被人體吸入后直接進入支氣管，引發咳嗽、呼吸困難、哮喘、慢性支氣管炎等呼吸系統疾病，并導致一些心血管方面的疾病。氣象專家和醫學專家認為，由細顆粒物造成的灰霾天氣對人體健康的危害甚至大于沙塵暴。因此，對PM2.5的監測與治理便顯得越來越重要。

二、 硬件設計

本電路是以STC89C51單片機為控制核心，由6個模塊電路構成，分別是復位電路、粉塵傳感器模塊、A/D轉換模塊、LCD顯示模塊、蜂鳴器電路模塊、LED指示電路模塊。GP2Y1010AU0F粉塵傳感器采集空氣中PM2.5的濃度值，經過STC89C51單片機處理后，在LCD1602液晶上顯示濃度，濃度超出設定值指示燈亮并且蜂鳴器報警。系統的結構框圖如圖1所示：

復位電路模塊：復位操作有兩種形式：開關復位和上電自動復位。當沒有按下復位按鍵時，通電后，電路可實現上電復位；在芯片正常工作后，按下并聯在電容的兩端復位按鍵使RST管腳出現高電平，電路復位，達到手動復位。

粉塵傳感器模塊：灰塵傳感器GP2Y1010AUOF，靈敏度較高，體積小，穩定性好。可以測量0.8微米以上的微小粒子，可檢測煙氣、粉塵等的濃度。內部對角放置紅外線發光二極管和光電晶體管，能夠探測到空氣中塵埃反射光；內置氣流發生器，可自行吸入外部空氣，通常應用在空氣凈化系統中。通過對空氣粉塵顆粒濃度的檢測輸出模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比，該電壓值送入到A/D轉換器轉換成數字信號送人單片機中。

A/D轉換模塊：采用ADC0832芯片，它是8位分辨率A/D轉換芯片，其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間，轉換速度快且穩定性能強。

LCD顯示模塊：系統中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統的LED數碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊的優點是體積小、功耗低、顯示內容豐富等，而且不需要外加驅動電路。液晶顯示模塊電路圖如圖2所示：

蜂鳴器電路模塊：該設計有報警電路，當濃度超過設置的報警上限時，單片機控制蜂鳴器鳴響提醒超限，控制引腳接在P3.7引腳上，用三極管做開關電路可以保護單片機，還可以起到放大電流的作用，當三極管基極為高電平時，發射極截止，為低電平時，發射極導通，蜂鳴器報警。

LED指示電路模塊：紅黃綠指示燈與單片機的P2.0口P2.1口和P3.1口連接。LED的正極都接電源，當單片機IO口輸出低電平時，對應的LED就會點亮。LED的電路原理圖如圖3所示：

三、 軟件設計

在主程序中先將各模塊程序初始化，開始讀取AD數值，將每一次讀出的數值與上一次讀出數值相加，讀50次取平均值保證數據準確性。將得到的數值顯示在液晶上。如果讀出來的值達到預設報警值的一半時，黃燈亮、超過預設報警值時，紅燈亮并且蜂鳴器開始報警。主程序流程如圖4所示：

LCD1602液晶顯示程序用LCD動態掃描顯示方式。先將單片機的P2.6口連接使能端口E。P2.7口連接數據/命令選擇端RS，P0口連接數據端D0～D7，然后將要顯示的數字的值發送給P0口。將P2.6口拉低，P2.7口拉高，寫指令、將P2.6口拉高，P2.7口拉高，寫數據，直到要顯示的數值全部顯示在液晶上。

使用三個按鍵來設置報警值，第一個按鍵按下時進入設置狀態，再次按下時退出設置狀態，第二個按鍵按下時預設值+10，第三個按鍵按下時預設值-10。預設值最大為1000，最小為0。在第一個按鍵沒按下時，第二與第三個按鍵無法響應。從而達到能自由設置PM2.5報警值。

單片機對ADC0832的控制原理：

A/D轉換函數的設計，電路設計時將DO和DI并聯在一根數據線上使用。當ADC0832未工作時，它的CS輸入端應該為高電平，此時芯片狀態為禁用，CLK和DO/DI的電平可以任意。當要進行A/D轉換時，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。

四、 系統調試

設計完成后，對電路進行調試，經調試，該設計可以實時顯示所處環境中的PM2.5濃度，超過設定濃度可以實現相應的報警。該設計簡便易用，性能穩定，對PM2.5的檢測準確度高，有一定的實用價值。

參考文獻：

[1]劉宏斌.我國PM2.5的現狀與防治對策[J].武漢：湖北經濟學院學報，2012.

[2]王幸之，鐘愛琴.AT89系列單片機原理與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

作者簡介：

劉靜靜，江蘇省蘇州市，蘇州高等職業技術學校。