基于單片機的PM2.5濃度檢測裝置設計

董 昭，張瑋瑋，王勝琰

（1.安陽工學院，河南 安陽 455000；2.滑縣華潤燃氣有限公司，河南 滑縣 456400）

經濟的迅速發展對環境產生了極大影響，尤其是大氣污染問題，已越來越成為人們關注的焦點。PM2.5為造成大氣污染的主要污染物，為了實時檢測、反饋PM2.5濃度數值，控制空氣污染，本文設計出一種PM2.5濃度檢測裝置。

1 設計思路

該裝置采用單片機技術與傳感器技術結合的方式，以STC89C52單片機為主控制器，以GP2Y1010AUOF塵埃傳感器監測PM2.5，通過ADC0832A/D轉換器和LCD1602顯示屏處理并顯示監測環境污染情況[1]。

單片機是將計算機系統集成在芯片上的設備，雖然它的體積小，但是它幾乎涵蓋了所有計算機的設備：時鐘、通訊、定時器、總線系統、內存、CPU等。

GP2Yl010AUOF設計用來感應空氣中的塵埃粒子,內部配備了紅外發光二極管和光電晶體管，使之能夠檢測空氣中灰塵的反射，即使是非常小的煙霧顆粒也可以檢測到，通常在空氣凈化系統中使用[2]。

工作原理：傳感器對PM2.5進行監測，ADC0832對傳感器監測的信號進行處理，按鍵電路對報警值進行調整，顯示屏顯示監測的值和設置的報警值，當監測的PM2.5值高于報警值時蜂鳴器報警，此時，SIM800L模塊會向手機發送報警短信。系統結構如圖1。

圖1 系統結構框圖

各模塊功能如下：

（1）按鍵電路：對報警值進行設定。

（2）顯示模塊：顯示報警值和監測值。

（3）復位電路：完成系統的復位。

（4）報警電路：實現系統的報警。

（5）空氣質量傳感器：對PM2.5進行監測。

（6）A/D轉換電路：將傳感器監測的信號，處理后送到單片機。

（7）SIM800L模塊：發送報警信息。

2.控制系統設計

2.1 軟件設計

通過軟件設計實現傳感器工作，接收傳感器的輸出信號，經過主控制核心的計算，由液晶顯示屏顯示測量值，在程序上體現為：初始化之后，主控制核心通過傳送的模擬量，計算PM2.5數值。

系統開始工作后，進行程序初始化，然后檢查按鍵是否按下。如果按鍵按下則通過別的按鍵來調整設定的報警值，報警值調整好后進入AD轉換模塊。如果按鍵沒有按下，系統則直接進入AD轉換模塊，然后AD轉換模塊通過傳感器傳來的信息開始計算空氣中PM2.5的數值，LCD液晶顯示模塊顯示PM2.5的數值，系統檢測數值是否超過報警值，如果超過設定的報警值該系統會啟動報警模塊，蜂鳴器報警。如果沒有超過報警值則返回到檢查按鍵是否按下狀態，系統繼續運行。本系統程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

在程序運行過程中，系統出現了一個必須由CPU立即處理的情況，此時CPU暫時中止程序的執行轉而處理這個新的情況的過程就叫做中斷[1]。

在本設計中采用定時器中斷實現灰塵傳感器的驅動，新的中斷啟動都得賦予新的值。當中斷程序開始執行時，首先寄存器重新賦值，計數器加一，判斷是否到達0.28ms，到達0.28ms則驅動傳感器LED低電平，然后判斷是否到達10ms：如果到達10ms則計數器清0，結束中斷程序；如果沒有到達10ms則不對計數器操作直接結束中斷程序。沒有到達0.28ms則驅動傳感器LED高電平，緊接著判斷是否到達0.32ms：如果到達0.32ms則采樣標志位置，結束中斷程序；如果沒有到達0.32ms，則不對采樣標志位操作，直接跳過中斷程序。流程圖如圖3所示。

圖3 中斷程序流程圖

2.2 硬件電路的設計

硬件電路包括單片機最小系統電路、LCD顯示電路、信號采集電路、報警電路、供電電路、GSM手機電路、按鍵電路等。該裝置使用空氣質量傳感器來進行PM2.5的監測，傳感器監測到PM2.5的信號后，通過AD模塊傳輸到單片機中，單片機接收到ADC0832傳輸的信號后，經過計算，輸送給液晶電路，由液晶電路呈現PM2.5的數值，同時當測定的PM2.5數值超過預設的報警值時，GSM手機電路模塊就會向綁定的手機發送短信報警。

1）單片機最小系統由單片機、復位電路、時鐘電路組成。主要是為了用最少的器件來實現單片機工作的功能[3]。最小系統電路如圖4所示。

2）信號采集電路

本設計使用空氣質量傳感器來進行PM2.5的監測，傳感器監測到PM2.5的信號后，通過AD模塊傳輸到單片機中。電路設計盡可能簡單明了，故本設計舍棄了許多無用的元器件，圖5為原理圖。

圖4 最小系統電路

圖5 信號采集電路

3）液晶顯示電路

單片機接收到ADC0832傳輸的信號后，經過計算，輸送給液晶電路，由液晶電路呈現PM2.5的數值。為了使液晶的亮度和顯示字符的清晰度達到最優的程度，經過多次測量計算，液晶電路的VO管腳與GND管腳之間要連接一個2K的電阻。電路圖如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路

4）報警電路

報警電路由發光二極管D1，蜂鳴器B1，2K電阻R1、R2、9012三極管Q1組成。通過三極管9012將單片機P14口與蜂鳴器正極連接，通過判斷單片機P14口輸出電平的高低來決定蜂鳴器是否報警，如果蜂鳴器報警，則發光二極管會閃爍，如果蜂鳴器不報警，則發光二極管不閃爍。電路圖如圖7所示。

圖7 報警電路

5）供電電路

本設計采用的供電電路由接口P1和電源開關SW1組成，SW1的2管腳與正極連接，1管腳與接口P1的1管腳連接，接口P1的2、3管腳與負極連接，該供電電路使用5V直流電壓供電，通過開關SW1來控制電路的通斷。電路圖如圖8所示。

圖8 供電電路

6）GSM手機電路

GSM手機電路采用SIM800L模塊，二極管D2，1000uF電容C6構成，SIM800L模塊的RXD端口與單片機的TXD端口連接，TXD端口與單片機的RXD端口相連，SIM800L的1管腳通過一個二極管連接在正極上，4管腳與負極連接，正極與負極之間通過二極管和1000uF電容連接在一起。當測定的PM2.5數值超過預設的報警值時，SIM800L模塊就會向綁定的手機發送短信報警；如果測定的值沒有超過預設的報警值，SIM800L模塊不工作。電路圖如圖9所示。

圖9 手機電路

7）按鍵電路

本設計通過按鍵與單片機P35、P36、P37連接來實現按鍵電路的功能，主要實現更改預設報警值的功能，按下選擇按鍵，當光標移動到預設報警值上時，剩下兩個按鍵分別控制報警值加一或減一的功能。電路圖如圖10所示。

圖10 按鍵電路

2.3 系統仿真

本文通過Multisim軟件對設計電路進行了仿真。Multisim軟件是一個專門用于電子線路仿真與設計的EDA工具軟件。作為Windows下運行的個人桌面電子設計工具，Multisim是一個完整的集成化設計環境。Multisim軟件具備以下特點：直觀的圖形界面、豐富的元器件庫、豐富的測試儀器、完備的分析手段、強大的仿真能力。Multisim既可對模擬電路或數字電路分別進行仿真，也可進行數模混合仿真，尤其是新增了射頻(RF)電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，基本上能滿足一般電子電路的分析設計要求。

仿真圖如圖11所示，仿真結果證明電路設計達到預期目的。

圖11 系統仿真圖

3 測試

本文使用PM2.5濃度檢測裝置對作者1所在城市空氣質量進行了實際檢測，裝置測試用模型如圖12所示，測試結果如圖13及表1所示。

圖12 裝置測試用模型

圖13 實測數值

表1 PM2.5裝置實測表 ug/m3

4 結論

本文是基于單片機的遠程PM2.5濃度監測裝置，實驗測試結果顯示，該裝置監測精準度較高、數據反饋及時，有較好的應用前景和推廣價值。