基于單片機的空氣質量檢測系統設計

謝瑩 劉丹丹 趙顯豪 沈陽城市學院

伴隨著我國經濟和工業化的雙重發展，環境污染問題越來越嚴重，人們也開始慢慢地關注健康問題。在這樣的背景下，本文對基于單片機的空氣質量檢測系統進行了研究，介紹了單片機、粉塵傳感器、LCD液晶顯示屏等模塊的特點和工作原理。

1. 系統硬件組成

本系統由單片機構成主控部分，進行信息處理。外圍電路有粉塵傳感器模塊、LCD顯示模塊、LED報警模塊。

1.1 模塊介紹

(1）粉塵傳感器模塊可以將粉塵的濃度值轉化為模擬電壓信號，經單片機接收后，通過A/D轉換模塊將接收到的模擬信號直接轉換成數字信號。

(2）LCD顯示器可顯示當前粉塵濃度及空氣質量等級。

(3）LED報警器當粉塵濃度超出閾值時進行報警提示。

1.2 粉塵傳感器

粉塵傳感器的選擇和使用直接影響到測量結果的準確程度。本設計采用夏普公司GP2Y1010AU0F粉塵濃度傳感器，其引腳連接圖如圖1所示。電源接通后，紅外線二極管開始發出紅外線，在沒有粉塵的情況下，光電晶體管是接收不到發出的紅外線的；當有粉塵的時候，粉塵會反射紅外線使得光電晶體管能夠探測到空氣中塵埃反射的紅外線。粉塵越多，則接收到的反射光越強，光電晶體管兩端的電壓就越大，粉塵濃度就越大。

1.3 系統電源供電及程序下載電路

為了使系統運行穩定，其供電電路是十分重要的。在本設計中采用了5V電源和干電池兩種方案為系統供電。在電源接口的引腳4和引腳1分別接上電源正負極，電源接口的2腳和3腳分別接到單片機的TX和RX兩端，實現數據的串行傳輸，完成程序的下載。

2. 軟件程序設計

本設計的軟件需要完成的任務包括：

（1）實時讀取粉塵傳感器的電壓數據；

（2）利用AD轉換將處理后的數據實時顯示在LCD顯示器上；

（3）實時檢測并通過LED報警器進行報警顯示。

設計程序分主要包括粉塵傳感器的數據采集程序、A/D轉換程序、定時器初始化程序、LCD1602液晶顯示程序等。

上電后系統先進行初始化，然后進入模塊控制系統。LCD顯示屏上顯示空氣中粉塵濃度的實時值和平均值，溫濕度作為附屬檢測值。LED燈會根據粉塵濃度平均值的變化來進行閃爍變化，并確定空氣質量的等級。

2.1 主程序設計

系統啟動后開始系統初始化,完成對系統中所用到的資源控制寄存器等賦初值。當系統初始化完成后，開始載入24C02存儲器中的報警值。隨后打開粉塵傳感器內部光源LED，開始進行數據采集，每采集一個模擬信號會立即進行A/D轉換，轉換成數字信號。數據采集完成后，關閉傳感器內部光源，然后進行數據處理。最后將返回值轉化成電壓值。根據電壓與粉塵濃度的線性關系，利用公式計算出固體懸浮顆粒濃度。在程序中設定閾值，超過限定值時，指示燈進行顯示。

（1）數據采集與處理

粉塵傳感器的主要功能是進行數據采集，它主要根據測定光束通過被測介質前后的光強比來定量粉塵濃度。然后將采集到的數據信號傳送到單片機中，經過A/D轉換后顯示在LCD屏上。

（2）24C02存儲器的數據讀寫

24C02 存儲器的主要功能是數據掉電不丟失，將設定的閾值存入EEPROM存儲器電路中，即使關閉電源后，下次開機仍然可以從中讀出上次設置的閾值。

3. 系統調試

首先繪制電路原理圖，如圖2所示。然后在確定原理圖正確后進行實物的焊接。焊接好的電路板在上電之前需要經過調試，以免發生短路燒毀元器件或因為斷路導致元器件無法工作等情況。

(1）粉塵傳感器的電路調試

將粉塵傳感器的5引腳連接示波器，并且供給引腳一個周期為10ms，低電平為0.32ms的脈沖方波，發現示波器中檢測到的模擬信號有鋸齒狀，分析是受到了外界干擾，后來經檢查發現在1引腳的220uF電容處虛焊，再次焊接后，波形顯示正常。

(2）液晶顯示模塊電路的調試

上電后，液晶屏幕亮起，但是發現無顯示字符，檢查發現電位器旋鈕位于最左端，說明此時灰度值最低，將其向右旋轉后，屏幕可以清晰地顯示出字符。

(3）單片機電路調試

單片機是整個系統的核心部件。在最初的調試中出現液晶顯示屏幕顯示字符不完整的情況。這是由于單片機的36、37引腳與顯示電路接口脫焊導致的，重新焊接后故障消除。

圖2 系統原理圖

4. 結論

本設計將粉塵傳感器所得的模擬電壓信號轉換成數字信號，然后將數字信號送到單片機中，經過單片機處理后將粉塵濃度顯示在LCD顯示屏上，通過設定的閾值，通過LED燈進行報警顯示。程序中的中斷可以根據邏輯優先級響應各個模塊，實現各個端口的開啟和關閉。本設計根據系統要求完成數據的采集、顯示、參數設置及報警等系統各模塊的程序設計，然后結合各部分的硬件電路完成各模塊的功能，從而實現整個系統的功能。實驗表明，本系統工作可靠、穩定，測量精準，可以實時檢測空氣環境質量以及工礦企業等環境的粉塵濃度，具有廣闊的應用前景。