基于單片機(jī)的新型環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

徐崟杰 謝真真

摘 要：隨著工業(yè)發(fā)展，人民生活不斷提高，各種新材料、新能源大量使用，不可避免的給人類的居住環(huán)境帶來(lái)了負(fù)面影響，空氣質(zhì)量的惡化成為眼下人們最為關(guān)切的問(wèn)題。空氣惡化使人類引起一系列呼吸道病癥，危害身心健康。尤其是PM2.5，各大中城市也將PM2.5作為天氣預(yù)報(bào)一項(xiàng)重要指標(biāo)，國(guó)家政府出臺(tái)政策，一方面從源頭控制污染源，一方面增加空氣質(zhì)量監(jiān)控。市面上檢測(cè)空氣PM2.5的儀器不少，往往功能比較單一，此環(huán)境檢測(cè)儀旨在能夠方便攜帶外出使用。采集的數(shù)值經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再傳輸給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的計(jì)算后，在液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)的PM2.5數(shù)值。也能夠在日常作為小家電放置在廚房進(jìn)行實(shí)時(shí)一氧化碳濃度的檢測(cè)，在超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)自動(dòng)報(bào)警。還具有溫、濕度與定時(shí)器功能，作為烹飪菜肴時(shí)定時(shí)器使用。在電源上可以選擇直插供電也可以電池供電保證了儀器的可持續(xù)性。

關(guān)鍵詞：環(huán)境檢測(cè)儀 pm2.5數(shù)值 一氧化碳濃度

1 環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及種類

環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀由以前人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析為主 ，向自動(dòng)化、智能化和 網(wǎng)絡(luò)化為主的檢測(cè)方向發(fā)展；由勞動(dòng)密集型 向技術(shù)密集型方向發(fā)展：由較窄領(lǐng)域向全方位領(lǐng)域監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展；由單純的地面環(huán)境監(jiān)測(cè)向與遙感環(huán)境監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方向發(fā)展： 環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器將向高質(zhì)量、多功能、集成化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化和智能化方向發(fā)展而它的檢測(cè)的方向?qū)⑹俏锢怼⒒瘜W(xué)、生物、電子、光學(xué)等技術(shù)綜合應(yīng)用的高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展。目前環(huán)境檢測(cè)開(kāi)始采用單片機(jī)或者 PLC 為系統(tǒng)核心 ，組成多功能檢測(cè)系統(tǒng) ，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境高效、快速、精確、集成化、智能化的檢測(cè)要求，而采用單片機(jī)就環(huán)境狀況的某一個(gè)環(huán)境因子單獨(dú)去測(cè)量研究，具有性能穩(wěn)定可靠，應(yīng)用前景廣泛。

2 國(guó)內(nèi)外檢測(cè)PM2.5主要的設(shè)計(jì)方法

2.1 重量法

重量法通俗來(lái)講指直接將大氣流中的PM2.5顆粒被截留在濾膜上，然后用天平直接稱重。但是仍然會(huì)有一些比較較小的顆粒會(huì)穿過(guò)濾膜，但是這些顆粒較小重量可以忽略對(duì)重量的影響不大。

2.2 微量振蕩天平法

微量震蕩天平法相對(duì)來(lái)說(shuō)就沒(méi)有那么高的檢測(cè)精度，但是它并不像重量法那樣的復(fù)雜，它主要是靠顆粒通過(guò)他的傳感器（錐形管構(gòu)成）改變其震蕩的頻率，也就是說(shuō)空氣中的顆粒被截留在可隨時(shí)更換的濾膜上，導(dǎo)致振蕩頻率發(fā)生變化，這是就可以根據(jù)頻率的變化來(lái)檢測(cè)此時(shí)的顆粒濃度。

2.3 Beta射線法/β射線法

Beta射線法基本上可以跟微量震蕩天平法是一個(gè)性質(zhì)類的，此方法是根據(jù)射線衰減的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，就是當(dāng)射線照射在通過(guò)空氣的顆粒時(shí)，相應(yīng)的接收到的射線就會(huì)相應(yīng)的減少。減少的多少，根據(jù)換算公式就會(huì)計(jì)算出顆粒物的濃度大小。

2.4 光散射法

光散射的原理是指；空氣中的顆粒物對(duì)光具有一定的散射作用并且根據(jù)濃度的不同散射的值也就相應(yīng)的會(huì)有所不同，濃度較高時(shí)，對(duì)光的散射也不會(huì)相應(yīng)的提高，測(cè)定光值以后，通過(guò)相應(yīng)的換算公式也就會(huì)得到其濃度值。

2.5 溫濕度檢測(cè)設(shè)計(jì)方法

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。DHT11的性能也很良好，其供電電壓： 3.3～5.5V 單總線數(shù)字信號(hào)測(cè)量范圍： 濕度20-90%RH，溫度0～50℃；測(cè)量精度：濕度+-5%RH，溫度+-2℃；分辨率：濕度1%RH，溫度1℃ ；互 換 性：可完全互換，長(zhǎng)期穩(wěn)定性： <±1%RH/年。綜合看來(lái)，DHT11傳感器性能良好，體積小巧、接口簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、性價(jià)比高，可以作為理想的濕度傳感器選擇。

3 一氧化碳檢測(cè)設(shè)計(jì)方法

MQ-7氣體傳感器的氣敏材料，是用在清潔空氣中電導(dǎo)率低的二氧化錫 （SnO2）。采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫（1.5V加熱）檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。這種傳感器可檢測(cè)多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、pm2.5檢測(cè)、一氧化碳檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)、時(shí)鐘信號(hào)電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、按鈕輸入、復(fù)位電路、液晶顯示器和報(bào)警電路等部分組成。其中單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)工作的基礎(chǔ)，pm2.5檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)pm2.5的檢測(cè)，溫濕度檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的檢測(cè)，一氧化碳檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)一氧化碳的檢測(cè)，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出模擬量的轉(zhuǎn)換，鍵盤輸入電路完成對(duì)報(bào)警值得整定，液晶顯示電路實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值和報(bào)警值，當(dāng)測(cè)量值高于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警，當(dāng)測(cè)量值低于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路不工作，復(fù)位電路完成對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位。

各模塊功能如下：

1）按鈕輸入：用于完成報(bào)警值參數(shù)調(diào)整的功能。

2）顯示模塊：用于完成對(duì)系統(tǒng)測(cè)量值和報(bào)警值得顯示。

3）復(fù)位電路：完成系統(tǒng)的復(fù)位。

4）報(bào)警電路：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的報(bào)警。

5）傳感器檢測(cè)：實(shí)現(xiàn)對(duì)pm2.5，溫濕度，一氧化碳濃度的檢測(cè)。

6）A/D轉(zhuǎn)換電路：用于完成傳感器輸入模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

1）單片機(jī)

本系統(tǒng)采用的AT89S51屬于一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)片內(nèi)含4kBytes ISP的可以反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采取ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS -51指令系統(tǒng)以及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)綜合集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元。AT89S51具有以下特點(diǎn)：40個(gè)引腳4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。

2）溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。

3）一氧化碳傳感器

MQ—7型一氧化碳傳感器的表面電阻Rs，是對(duì)過(guò)與其它串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號(hào)VRL輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為：RS/RL=（VC-VRL）/VRL，回路測(cè)得在傳感器由潔凈空氣轉(zhuǎn)移至一氧化碳?xì)夥罩袝r(shí)，RL上的信號(hào)輸出變化情況，輸出信號(hào)的測(cè)定是在一個(gè)完整的加熱周期（由高電壓至低電壓2.5分鐘）或在兩個(gè)完整的加熱周期內(nèi)測(cè)得。

MQ—7型氣敏元件的敏感是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的，因此，它具有優(yōu)秀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達(dá)5年。

4）模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0832

ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高 分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要 求。其內(nèi)部電壓輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯 片的模擬電壓輸入在0～5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅 為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以 減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立 的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變 的更加方便。通過(guò)DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。

5） 報(bào)警電路

報(bào)警電路采用蜂鳴器，三極管8550驅(qū)動(dòng)，和單片機(jī)的P13相連接，當(dāng)P13口為高電平，蜂鳴器不報(bào)警，當(dāng)P13口為低電平，蜂鳴器報(bào)警。電路圖如下圖所示。

6）開(kāi)發(fā)環(huán)境

Keil uVision2 是德國(guó) Keil Software 公司開(kāi)發(fā)的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它使用接近于傳統(tǒng) C 語(yǔ)言的語(yǔ)法來(lái)開(kāi)發(fā)程序，與匯編相比，在功能上 、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上 C 語(yǔ)言具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于 C51 己被完全集成到 uVision2 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，使得該集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包含C編譯器、匯編器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、庫(kù)管理器和仿真調(diào)試器等工具而讓在線編程更加容易。

7）中斷程序設(shè)計(jì)

指當(dāng)出現(xiàn)需要時(shí)，CPU暫時(shí)停止當(dāng)前程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而執(zhí)行處理新情況的程序和執(zhí)行過(guò)程。即在程序運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)出現(xiàn)了一個(gè)必須由CPU立即處理的情況，此時(shí)，CPU暫時(shí)中止程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而處理這個(gè)新的情況的過(guò)程就叫做中斷。

4 結(jié) 論

通過(guò)了最后的硬件和軟件的模擬調(diào)試，本課題的研究工作已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的要求，歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：

（1）本課題實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣中各種有害氣體采集，計(jì)算，顯示功能，具有電路簡(jiǎn)單、成本低，測(cè)量精度高，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

（2）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)通過(guò)使用使用的芯片有STC89C51、ADC0832等，以及包括GP2Yl010AUOF傳感器，LCD1602液晶顯示等。

（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括程序初始化、傳感器的驅(qū)動(dòng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換，檢測(cè)量的計(jì)算和顯示等。

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作者簡(jiǎn)介

徐崟杰（1997-），男，漢族，浙江省寧波市，上海工程技術(shù)大學(xué)， 學(xué)生