一種無線細(xì)微顆粒物檢測裝置的設(shè)計(jì)

張振濤 王娟

(1.吉林化工學(xué)院,吉林吉林 132022;2.吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林吉林 132013)

當(dāng)今市場上雖然有很多種類的粉塵濃度檢測儀可以對(duì)空氣中的PM2.5含量進(jìn)行檢測,但是這些粉塵濃度檢測儀大多存在生產(chǎn)成本高、體積大不便于攜帶、功耗大等問題。而本設(shè)計(jì)應(yīng)用所學(xué)的知識(shí),制作一個(gè)經(jīng)濟(jì)、簡單、實(shí)用的無線PM2.5濃度檢測儀。

1 測量原理

此次設(shè)計(jì)需使用+5V和+3.3V直流電壓給整個(gè)系統(tǒng)供電。通過GP2Y1010AU0F粉塵傳感器將采集到的細(xì)顆粒物濃度經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換傳入STC89C52單片機(jī),并由此單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和處理。處理后的數(shù)據(jù)通過nRF905無線模塊傳入接收端的STC89C52單片機(jī)中,并在LCD1602液晶屏上實(shí)時(shí)顯示,當(dāng)空氣中細(xì)顆粒物濃度達(dá)到一定程度時(shí)蜂鳴器會(huì)進(jìn)行報(bào)警[1]。其檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

空氣中的細(xì)顆粒物對(duì)光具有一定的散射作用并且根據(jù)濃度不同散射值也就相應(yīng)的會(huì)有所不同。濃度較高時(shí),對(duì)光的散射作用也會(huì)相應(yīng)的提高。灰塵傳感器GP2Y1010AU0F通過檢測通氣孔中的粉塵。輸出的模擬電壓值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳入單片機(jī)中。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位工作。復(fù)位工作由RC電路完成。接通電源,電容充電。當(dāng)電容電壓未滿時(shí),該系統(tǒng)復(fù)位狀態(tài);電容電壓為門限電壓后,該系統(tǒng)處于正常工作的狀態(tài);閉合開關(guān),電容電壓被釋放,該系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)[2]。

2.2 晶振電路設(shè)計(jì)

有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振,而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。單片機(jī)的時(shí)鐘電路一般讓XTAL2引腳和XTAL1引腳外接晶振及電容。本設(shè)計(jì)選用11.0592MHz晶振及兩個(gè)20pF電容可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)。

圖1 檢測系統(tǒng)工作原理圖

圖2 +5V供電電路

圖3 +3.3V供電電路

2.3 供電電路設(shè)計(jì)

為了滿足各個(gè)模塊供電要求,本設(shè)計(jì)采用+5V和+3.3V電壓供電。如圖2和圖3所示是兩個(gè)穩(wěn)壓電路的電路圖。

電路中AMS1117穩(wěn)壓芯片將Vin引腳輸入的+5V直流電壓轉(zhuǎn)換成+3.3V電壓從Vout引腳輸出。AMS1117的輸出引腳與地之間接入電解電容100uF,和0.1uF電容,起到穩(wěn)定電壓的作用,使電路中能夠穩(wěn)定的輸出直流+3.3V電壓。

2.4 無線傳輸電路

nRF905是一種采用VLSI ShockBurst技術(shù)的單片射頻發(fā)射器芯片,可提供高速率的數(shù)據(jù)傳輸。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),給PWR_UP高電平、TRX_CE低電平,將數(shù)據(jù)寫入nRF905射頻發(fā)射器芯片相應(yīng)的寄存器。為了使工作模式轉(zhuǎn)為發(fā)送模式,給PWR_UP、TRX_CE和TX_EN高電平。當(dāng)開啟nRF905寄存器時(shí),數(shù)據(jù)發(fā)送出去。所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,DR處于高電平狀態(tài)。若寄存器AUTO_RETRAN高電平,將重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)。若TRX_CE低電平時(shí),將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在接收數(shù)據(jù)時(shí),若nRF905進(jìn)入待機(jī)模式,接收地址被存儲(chǔ)在射頻配置寄存器,此時(shí)進(jìn)入接收模式。若載波檢測引腳給高電平,此時(shí)將檢測到同頻段載波。若接收地址被匹配,則該引腳為高電平。數(shù)據(jù)被接收檢測后,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備引腳高電平時(shí),nRF905進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。SPI接口以一定的速率接收數(shù)據(jù)后,nRF905給地址匹配引腳和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備引腳低電平[3]。

2.5 MAX232通信

MAX232芯片是美信公司生產(chǎn)的一種新型的電平轉(zhuǎn)換芯片,其內(nèi)部擁有電壓倍增電路和電壓轉(zhuǎn)換電路。它內(nèi)部含有4個(gè)反向器,可完成TTL/CMOS電平到RS-232C電平的轉(zhuǎn)換和RS-232C電平到TTL/CMOS電的轉(zhuǎn)換。由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,RS232的電平需采用±12V,與STC89C52單片機(jī)串行口的TTL電平不一致。因此采用集成電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)通過對(duì)PM2.5濃度采集、A/D轉(zhuǎn)換、無線傳輸、LCD顯示,濃度報(bào)警等模塊的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣中PM2.5濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。具有電路簡單、價(jià)格低廉、測量精度高,可達(dá)1μg/m3、實(shí)用性強(qiáng)、便攜易攜帶等特點(diǎn)。

[1]田偉．室內(nèi)空氣中顆粒物對(duì)人體健康的影響[J].重慶環(huán)境科學(xué),2002,(5):58-60.

[2]張建海.基于PIC單片機(jī)的空氣凈化器控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,(11):113-114.

[3]蘭冰芯,諶海云,陳東,等.基于單片機(jī)的PM2.5測試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2014,5(11):32-34．