基于GP2Y1010AU0F傳感器的PM2.5檢測儀設計

仲

(西安愛生技術集團公司，陜西 西安 710065)

PM2.5是大氣中一種固體顆粒，直徑為2.5 μm，其含有鉛鉻砷等重金屬有毒、有害物成份，因PM2.5及其微小，人體對其無任何阻攔、過濾能力，可直接進入支氣管，刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換，從而引發呼吸系統和心血管系統的一系列疾病，對人體有極大危害[1-2]。空氣質量的惡化，陰霾天氣現象增多，危害現象加重，不少國家和地區把陰霾天氣現象并入霧一起作為災害性天氣預警預報，統稱為“霧霾天氣”[3]。PM2.5檢測手段的提高可實時、準確獲取環境的PM2.5含量，采取有效的防霾措施，可以減少PM2.5對人類健康的威脅。

1 GP2Y1010AU0F粉塵傳感器

GP2Y1010AU傳感器是一種體積小巧、安裝維護方便灰塵傳感器，常用于室內環境中粉塵、煙氣、花粉等濃度的檢測[4]。因其內置氣流發生器，可以自行吸入外部空氣，可快速準確的檢測出單位體積粒子的絕對個數。GP2Y1010AU傳感器具有壽命長、靈敏度高、精度高、穩定性好等優點[5]。在其內對角位置配置有紅外檢測收發對管，能夠探測到被測氣體中的塵埃物質，可探測到0.8 μm的細小的固體顆粒，目前其在空氣凈化系統中應用較多。GP2Y1010AU傳感器功耗極低，正常工作時電流為11 mA，其輸出為模擬信號，信號電壓幅度與粉塵濃成正比。主要參數如表1所示。

表1 GP2Y1010AU傳感器性能指標

2 系統設計方案

系統主要由AT89S52單片機為控制核心，外圍單元電路采用模塊化結構。主要有PM2.5數據采集模塊、LCD液晶模塊、報警模塊、鍵控模塊、污染級別提醒模塊，圖1為系統方案框圖。工作原理：系統中GP2Y1010AU0F感知被測氣體中PM2.5的濃度數據，經A/D轉換送單片機AT89C52處理后，在LCD1602液晶上顯示，并且設置極限報警值，當被測的PM2.5濃度值超過報警值后，蜂鳴器報警。

系統中核心處理器AT89S52是一個高性能、低功耗的單片機，其采用高密度、非易失性存儲技術制造。兼容80C51引腳結構和標準MCS-51指令系統，其基本功能：256字節RAM，8k字節Flash，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器。

圖1 系統方案框圖

3 系統接口電路

3.1 單片機最小系統

圖2為單片機的最小系統，包括單片機、復位電路、時鐘電路、輸入/輸出設備等[6]。時鐘電路，采用的是內時鐘模式，在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時元件(一個石英晶體和兩個電容)，內部振蕩器便能產生自激振蕩。晶振選用12 M的石英晶振，電容選取陶瓷電容，容量20～40 pF均可。復位電路常用的復位電路有開關復位和上電自動復位兩種基本形式，上電時電容兩端電壓不能突變，單片機復位端與電容的負極相連，電壓全部加在了電阻上，RESET 的輸入為高，芯片被復位。隨著+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。

圖2 單片機的最小系統

3.2 傳感器接口電路

GP2Y1010AU粉塵傳感器感知空氣中的PM2.5的值，并將其轉換成與之成正比的電信號輸出，接口電路如圖3所示。該傳感器有6管腳，1為分別電源端(紅外電路)，2為接地端，3為紅外端，4為接地端，5為模擬信號輸出端，6為分別電源端。粉塵傳感器GP2Y1010AU通過對空氣粉塵顆粒濃度的檢測輸出模擬電壓。

3.3 A/D轉換芯片ADC0832接口電路

ADC0832 是一種雙通道、八位分辨率模/數轉換芯片。由于它兼容性強，體積小，轉換速率快(轉換時間僅為 32 μs)，準確率高(雙數據輸出作為數據校驗)，并且穩定性好[7]。完全適合本系統模擬量轉換要求。通過 DI 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。另具有獨立的輸入使能端，使處理器控制和多器件掛接更為方便。接口電路設計如圖4所示：

圖3 GP2Y1010AU傳感器接口電路

圖4 ADC0832模數轉換接口電路

3.4 液晶顯示LCD1602接口電路

系統中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統的LED數碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等優點，而且不需要外加驅動電路[8]。根據各管腳的功能，LCD1602接口電路設計如圖5所示：

圖5 ADC0832模數轉換接口電路

3.5 按鍵電路

按鍵電路主要完成PM2.5上下限報警值的設置，對應有三個按鍵，K1為自增鍵，K2為自減鍵，K3為設置鍵。K1、K2、K3按鍵分別對應單片機P3.3、P3.4、P3.5三個端口，另外K1、K2、K3三個按鍵各接一個10 kΩ的上拉電阻。鍵控接口電路設計如圖6所示：

圖6 鍵控接口電路

3.6 報警電路和污染級別提醒電路

系統的報警電路由NPN型三極管9013驅動，基極接一個5.6 kΩ偏置電阻，其通過單片機的P2.4端口控制輸出，電路見圖5。根據不同的濃度范圍提醒當前污染級別的電路，采用了綠，黃，紅三個LED燈，每個LED指示燈串入一個1 kΩ電阻，避免過流燒毀，通過單片機的P2.0，P2.1，P2.1端口控制，當檢測PM2.5濃度值在0～0.1，綠燈亮(環境良好)；當檢測PM2.5濃度值在0.1～0.3，黃燈亮(環境輕度污染)；當檢測PM2.5濃度值在0.3以上，紅燈亮(重度污染)。聲光報警電路如圖7所示。

圖7 聲光報警接口電路

4 程序設計及軟件應用

完成系統整體硬件安裝后，同時進行軟件設計。采用C 語言進行編寫程序，軟件編譯環境采用Keil4。程序編寫也采用模塊化結構，主函數和子函數，主函數包括：系統的初始化、數據緩存，串行通信接口、I/O 接口設置，傳感器、定時器、顯示器的初始化設置等。除主程序外，程序設計中還定義了一些函數，方便主程序調用，主要有液晶初始化程序，顯示函數，報警顯示，報警子函數，按鍵檢測函數，A/D轉換函數，中值濾波等。系統軟件程序編寫完成后，進行系統軟硬件聯調，直至系統功能實現。系統軟件實現流程圖如圖8所示。

圖8 系統軟件設計主流程圖

5 系統測試

PM2.5濃度檢測儀可用于室內和戶外的空氣質量(主要是PM2.5)的檢測，可調節的報警濃度的設計，可用于長期檢測和提醒PM2.5濃度。PM2.5標準值采用精度較高的手持式DT-96B粉塵顆粒物濃度儀檢測，其檢測精度遠高于市場同類型產品，監測地點實訓大樓前。監測時間早8點至晚18點，每2小時測量1次PM2.5的值，PM2.5測量結果見表2。通過表2的數據對比可以得出，PM2.5濃度的誤差在 +3.5%～-3.5%。該多功能環境檢測系統具有很高的精確性。另外可選擇不同測試環境(室內室外、人流量、車流量不一的多個地點)，驗證系統的檢測數據的準確性。

表2 PM2.5值檢測結果

6 結 論

隨著現代工業化發展，石化能源在大量消耗，使得環境惡化，霧霾越來越嚴重。系統以GP2Y1010AU0F作為PM2.5數據采集傳感器，以單片機為控制核心，設計了一套PM2.5濃度檢測裝置，并集液晶顯示、一鍵語音播報雙重感知功能于一體。其使用簡單、實用性強、性能穩定。經試驗表明：具有較高測量精度，而且性能穩定，該裝置在不同的污染程度下，均有較好的檢測效果。可用于辦公室空氣檢測和提醒，公共場合控煙，空調和通風口處監測，氣象臺，觀測站，檢測汽車尾氣質量。