簡易粉塵濃度監測系統設計

淮南師范學院電子工程學院 王留留 沈曉波

1.緒論

由于環境的變化、氣候的異常，空氣污染問題也隨之而來，空氣中的PM2.5粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質，對人體健康和大氣環境質量的影響很大。設計出來一款小巧的室內粉塵濃度監測系統，對室內空氣粉塵濃度進行實時測量，能夠幫助人們了解周圍環境的具體狀況，并及時進行報警提醒，從而讓人們擁有一個安全健康的居住環境[1]。

2.系統硬件構成

本次計采用AT89S52單片機作為主控芯片，GP2Y1010AU0F作為粉塵傳感器，利用ADC0832模數轉換器模塊、LCD1602液晶顯示器模塊、蜂鳴器報警模塊和按鍵模塊等實現對粉塵濃度的監測。[2]GP2Y1010AU 粉塵傳感器先采集粉塵的濃度，AT89S52單片機實時通過 ADC0832轉換芯片收集粉塵的濃度，經過單片機的數據轉換分析處理后會在液晶屏上顯示當前空氣中PM2.5的濃度，當測得的空間中的粉塵濃度大于預設的粉塵濃度值時，蜂鳴器將會發出聲音報警，小燈也會隨之閃爍進行報警。粉塵的濃度報警值可以通過按鍵進行設置。

本設計還附加了溫濕度傳感模塊，用來顯示當前環境下的溫度和濕度，使室內的空氣質量更加一目了然。另外，還增設了排風扇系統，當空間中粉塵濃度過高時，使空間的粉塵濃度降低，加強空氣交換的流量，使得所測量的粉塵濃度值更加準確。

系統框圖如圖1所示。

圖1 簡易粉塵濃度監測系統框圖

2.1 主控模塊

設計采用AT89S52作為主控芯片，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash 存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、有效的解決方案。[3]

2.2 傳感檢測模塊

本次設計采用粉塵傳感器對粉塵的濃度進行檢測，GP2Yl010AUOF日本夏普公司生產的一款光學空氣質量傳感器。它被設計用來感應空氣中的塵埃粒子，其內部對角安放著紅外線發光二極管和光電晶體管，使得其能夠探測到空氣中塵埃反射光，即使非常細小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到。[4]

GP2Yl010AUOF粉塵傳感器的性能特點：靈敏度高，體積小，重量輕，便于信號處理內藏氣流發生器，可以自行吸引外部大氣保養簡單，輸出電壓為0.9V 。無塵時，從輸出電壓的變化量來做判定。另外，可以根據輸出電平時間上的變化來對檢出對象物的種別進行判別。

2.3 顯示模塊

顯示模塊采用1602字符型LCD液晶顯示模塊，是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，本設計采用16列2行的字符型LCD1602帶背光的液晶顯示屏。具有顯示質量高、數字式接口、體積小、重量輕、功耗低等特點。

2.4 報警模塊

報警模塊主要采取兩種方式，閃光報警和聲音報警，分別由發光二極管和蜂鳴器實現。蜂鳴器的正極接到三極管的集電極上面，蜂鳴器的負極接到GND上，三極管的基級B經過限流電阻后由單片機的引腳控制，當輸出高電平時，三極管截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發聲，發光二極管不發光；當引腳輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，聲光報警停止工作。因此，我們可以通過程序控制單片機引腳的電平來控制報警的啟動與關閉。

蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型，本次設計主要使用電磁式蜂鳴器，接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發聲。

2.5 排風扇模塊

執行模塊采用排風扇[5]，及時進行通風換氣，來實現降塵的功能。空氣中的粉塵濃度被采集后處理后，將處理后的信號傳遞給單片機，單片機根據現場粉塵數據產生處理指令，傳遞給電機驅動模塊產生驅動指令驅動排風扇運轉，及時降低的粉塵濃度。

3.系統軟件設計

啟動后根據首選判斷是否用按鍵設置粉塵濃度報警值，然后將讀取的傳感器數值進行換算，最后判斷濃度是否超出預設值，驅動蜂鳴器報警或者執行下一循環。

程序能夠顯示PM2.5的濃度值，報警函數，實現了基本的監視和測量功能，按鍵函數設置報警溫度值，最后利用循環語句，使檢測系統可以不斷執行下去。

4.實物測試與分析

在室內環境下，點燃一支煙，讓監測系統置于煙霧下，打開實物開關進行檢測，幾秒后，仔細觀察顯示屏，看顯示屏上的粉塵濃度值是否能夠正常顯示，按鍵設置一個粉塵濃度報警值，觀察粉塵濃度到達該值時，系統會不會發出聲光報警，同時判斷按鍵是否能正常使用。其次對排風扇進行檢測，當粉塵濃度達到報警值時，檢驗排風扇是否能夠正常啟動。經測試，本次設計的各個模塊都能正常工作，功能基本完善，達到了預期要求。實物系統如圖2。

圖2 系統測試

圖3 24小時內粉塵濃度測試數據

將系統置于空氣中，從早上五點到次日凌晨四點，每隔一個小時打開系統測量一次粉塵的濃度值，記錄一天24小時內的粉塵濃度變化情況，繪制出粉塵濃度隨著時間變化的折線圖，以時間為橫軸，粉塵濃度為縱軸，如上圖3。從折線圖中可以清楚的看出粉塵濃度在一天的時間內的變化情況，該測量系統能夠清晰的測量出某一時刻的粉塵濃度值，該系統的檢測功能基本實現。

5.總結

隨著工業化社會的快速發展，粉塵污染逐年增多，其中PM2.5粉塵污染尤為嚴重，深入到各種室內環境，影響生活健康，為此設計了一款新型粉塵濃度監測系統，實時探測保障生活安全。該系統由AT89S52主控單元、檢測模塊、模數轉換模塊、顯示模塊、執行模塊組成，通過GP2Y1010AU粉塵傳感器采集室內粉塵的濃度，經A/D轉換傳輸給單片機，單片機處理后在液晶屏上顯示粉塵濃度值，通過按鍵設置粉塵濃度報警閾值，大于預設閾值，蜂鳴器報警，排風扇降塵。經測試系統穩定，能夠滿足實際監測要求。該設計結合不同情形下的粉塵濃度變化情況[6]，可以改善空氣污染問題。

[1]謝心慶,鄭薇.國內外pm2.5研究進展綜述[J].電力科學與環保,2015,31(4):17-20.

[2]黎世靜等.粉塵濃度傳感器在糧食系統中的應用[J].電子世界,2017(4):129.

[3]武慶生,仇梅.單片機原理與應用[M].成都:電子科技大學出版社,1998.

[4]GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器[OL].http://www.docin.com/p-855407734.html.

[5]魏鑫.基于單片機的智能排風扇系統設計[J].探索與觀察,2016(3):79-82.

[6]盧鵬,何杰.PM2.5的時間分布與演變擴散研究[J].西南民族大學報,2014(40):66-71.