基于技能大賽的多功能通用型空氣質量檢測儀的設計

李玉丹，王禎禎，余彥瓊

（鄭州理工職業學院，河南鄭州，451150 ）

0 引言

隨著經濟的快速發展，我國環境問題日益嚴重。全國多個城市空氣污染嚴重，城市空氣首要污染物可吸入顆粒物超標情況嚴重[2]。嚴重危害人類的健康，因此人們所在封閉空間空氣質量檢測儀及凈化裝置的配備是必要的。本文的設計是基于鄭州市地方高校技能大賽中的電子產品設計與制作賽項，綜合考慮了設計的實用性、多功能性和學生的可操作性。

1 系統組成

該系統主要由單片機模塊、電源模塊、溫濕度檢測模塊、PM2.5檢測模塊、LCD液晶顯示模塊、按鍵模塊和聲光報警模塊、藍牙模塊、凈化裝置模塊九大模塊組成。溫濕度檢測模塊和PM2.5檢測模塊采集到空氣的溫度、濕度和PM2.5三個參數值通過單片機的數據轉換處理后實時顯示在液晶屏上，通過按鍵模塊設定各參數的界限值，任一參數達到界限值時聲光報警模塊分別發出聲、光報警信號，同時啟動凈化裝置。本系統還設計有藍牙模塊，通過藍牙模塊和單片機連接，實現了手機對系統的遠距離監控。

2 硬件設計

本設計的核心器件單片機采用STC公司生產的STC89C52單片機。此款單片機是51系列單片機，51系列單片機是基礎入門的單片機，還是應用最廣泛的一種。另外STC89C52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，適合學生用于學習和參加技能競賽。其余的九個模塊作用如下：

（1）PM2.5采集模塊：此模塊選用夏普GP2Yl051AUOF灰塵傳感器，用來采集空氣中的PM2.5值。GP2Yl010AUOF 是一種利用光電原理來測定空氣質量的一種傳感器，它利用發光二極管發射光線，利用晶體管接收二極管發射的光引起電壓的變化，此設備檢測范圍廣靈敏度高，既能能夠檢測到小的連續的煙草微粒，也能檢測到大的離散的粉塵顆粒，并且重量輕，另外傳感器與單片機的連接電路只需把此傳感器的5號引腳與STC89C52單片機的串行輸入引腳P3.0連接，簡單易于學生操作。

（2）聲光報警模塊：包括LED光顯報警電路和蜂鳴器聲音報警電路。聲光報警電路采用蜂鳴器和LED二極管發光報警，蜂鳴器報警電路采用三極管8550驅動，和單片機的P2.0相連接。LED二極管發光電路與P1.3和P1.4相連接，分別為PM2.5和溫濕度報警。單片機的引腳均為低電平有效，當P2.0口為高電平時，蜂鳴器不報警，LED二極管不發光，當P2.0口為低電平時，蜂鳴器報警，LED二極管發光。

（3）電源模塊：實現對整體系統的供電。采用USB電源模塊供電，Switch 是電源開關，pow是電源輸入端，供電電壓為DC5v。電路圖如圖2。為了實現室內用穩壓電源給系統供電，室外可用移動電源如充電寶等給系統供電，設計了備用電源模塊，該電源模塊由變壓部分、濾波部分、穩壓部分組成。為整個系統提供 +5V電壓，確保電路的正常穩定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩壓管實現。

（4）液晶顯示模塊：采用LCD1602液晶顯示器，用于顯示溫度、濕度和PM2.5的值。單片機從PM2.5采集模塊和溫濕度傳感器模塊中讀取并處理數據后，在液晶屏模塊上顯示出來。本設計中采用LCD1602液晶顯示器的理由是：1、LCD1602液晶顯示器是字符型液晶，顯示字母和數字比較方便。2、LCD1602液晶顯示器控制簡單，便于初學單片機的學生掌握使用。3、LCD1602液晶顯示器能夠滿足本設計顯示要求而且成本較低。

（5）按鍵電路：用于完成報警值參數調整的功能。按鍵電路使用三個按鍵K1、K2、K3，按鍵按下后產生一階躍信號傳送給STC89C52單片機，通過按鍵設置溫濕度和PM2.5的界限值，以及設定三個參數界限值的增加和減少，其中按鍵K1連接單片機的P1.0口，可以用來選擇模式，也就是可以選擇要設定的參數；K2連接單片機的P1.1口，按下按鍵可以增加參數的界限值；K3連接單片機的P1.2口，按下按鍵可以減小參數的設定值。

（6）藍牙模塊：藍牙模塊采用ATK-HC05，HC05模塊是一款高性能主從一體藍牙串口模塊，知道串口怎么編程就可以使用，實現了透明傳輸。對于初學者的學生來說無需知道太多藍牙相關知識就可以很快的上手，是個很好的選擇。它可以與PDA、手機、電腦等具有藍牙功能的設備實現配對，該模塊所支持的波特率范圍非常大，為4800～1382400，而且該模塊和3.3V或5V的單片機系統相兼容，極其方便、靈活。采用ATK-HC05的5號引腳與單片機的P3.1相連，ATK-HC05的電源端口2號引腳和3號引腳分別接單片機的VCC和GND端，可以把溫度值、濕度值和PM2.5值傳輸給手機端，用戶安裝對應的APP,可以通過手機隨時隨地查看數據，實現了實時監控。

（7）溫濕度采集模塊：采用DHT11溫濕度傳感器采集空氣中的溫度和濕度，并通過單片機顯示到液晶顯示屏上。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有較好的可靠性和穩定性。另外，它體積小、功耗低，信號傳輸距離可達20米以上，因此DHT11溫濕度傳感器成為較為普遍的選擇。它為4針單排引腳封裝，單線制串行接口，連接方便。單片機的P3.5口用來發收串行數據，即數據口，連接的DHT11的2號引腳。在DHT11的2號引腳與電源之間需連接一個10K上拉電阻，而傳感器的電源端口1號引腳和4號引腳分別接單片機的VCC和GND端，傳感器的第三腳懸浮放置。

（8）凈化裝置模塊：本設計的凈化裝置采用的是簡易凈化裝置，主要是靠啟動風扇凈化空氣。在聲光報警電路中串接一個8550三極管。三極管的放大電路即為風扇電路。當聲光報警電路接通報警時，三極管的基極有了控制電流使放大電路接通，風扇電路接通，風扇轉動，起到凈化空氣的作用。為了檢驗此設備凈化空氣的效果，我們把此設計儀置于一個封閉空間中，我們用透明的塑料給此儀器制作了一個外殼，可以清晰地觀察演示效果。

3 程序設計

3.1 程序設計思路

程序設計部分主要包括主程序、系統初始化程序，按鍵檢測函數、LCD顯示函數、報警子函數、藍牙串口通信的設計等。進入程序，首先對DHT11初始化、藍牙串口初始化、PM2.5串口初始化、LCD1602初始化，使單片機接收處理傳感器的數據，建立起與手機之間的聯系，然后通過LCD顯示函數的設計顯示當前溫濕度和PM2.5的值并將值傳送給手機顯示檢測。利用按鍵檢測函數對顯示模式和設置模式進行判斷，設置溫濕度的上下限值和PM2.5的濃度值上限對各部分流程圖進行設置，超過設定值后調用報警子程序進行報警并開啟凈化裝置。

3.2 測試方案與測試結果

為了檢驗此設計的可使用性和可靠性，我們進行了全方位的功能測試，根據測試結果對設計進行了完善。

4 測試方案

4.1 硬件測試

用萬用表檢測各連接點之間的導通情況，通過對焊接作品的逐個元件檢查觀察焊點有無虛焊、焊點間有無短路。在確定硬件焊接無誤后，接通電源，用萬用表檢測各電路參數值是否在理論值范圍內。經檢測，把電路中出現的問題總結如下：(1）LCD1602顯示亮度不夠。在15引腳上串接一可調電阻到電源上，背光亮度得到調節。(2）P0口上拉電阻由于連接錯誤，導致單片機不運行，后更換上拉電阻恢復正常。(3）由于焊接失誤導致三極管8550引腳e、c接錯，導致風扇不工作，正確接入后正常工作。

4.2 軟件件測試

通過AltiumDesigner的線路檢測功能對整個原理圖進行檢查，檢查每個串口是否連接正確，每個引腳是否連接正確，確認整個原理圖的走線及接口設定，檢測并修改確定無誤。用keil軟件根據原理圖編寫程序，編寫后運行檢測，并修改出現的錯誤。

4.3 硬件軟件聯調

將調試成功后的程序，使用燒錄軟件下載到單片機中，將單片機放入焊接好的電路板上的單片機插座中，通電實驗。按照電路原理圖設計的按鍵功能按下按鍵，觀察是否實現各項功能。當所有的上下限值設定之后，用透明罩罩住整個設備，向罩內釋放煙塵和水氣，使其達到極限值，測試報警模塊和凈化模塊。在經過多次調試，對照電路原理圖，最終達到設計要求，設計成功。

4.4 測試條件與儀器

測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數字毫伏表、模擬示波器、數字示波器、數字萬用表、指針式萬用表。

5 測試結果及分析

5.1 調試結果

LCD顯示屏顯示當前值：PM2.5：55μg/m3；溫度24℃；濕度 41%。設置值：PM2.5最高為 100μg/m3；溫度最高40℃，最低10℃；濕度最高60%，濕度最低20%。

經測試當PM2.5達到100μg/m3的值時，蜂鳴器發出報警，同時PM2.5LED凈化裝置工作指示燈亮，同時風扇轉動凈化空氣，當溫濕度超過最低或最高值時，蜂鳴器發出報警，溫濕度相應LED指示燈亮，用手機連接藍牙，觀察手機顯示的數據與LCD顯示屏顯示的當前值一樣。如果按下手動控制開關，可以直接控制通/斷電。

5.2 測試分析與結論

根據上述測試數據，空氣溫濕度檢測儀的設計無誤，實現了以下功能。

基本功能:(1)實現檢測當前環境中空氣PM2.5的濃度和溫度、濕度。(2)實現LCD1602實時顯示溫度、濕度和PM2.5濃度。(3)實現當溫濕度超過上限或者下限，蜂鳴器會進行報警。(4)實現當PM2.5濃度大于設定值時，蜂鳴器會進行報警。

發揮部分功能:(1)實現通過藍牙把當前的溫濕度和PM2.5的濃度發送到手機端顯示監測。(2)實現當PM2.5濃度大于設定值時，凈化裝置工作指示燈亮，并啟動凈化裝置工作，開始凈化空氣。(3)實現當溫濕度超過上限或者下限，對應的LED會亮。(4)實現當PM2.5濃度大于設定值時，對應的LED會亮。(5)電源模塊的設計靈活方便，可以實現室內用穩壓電源給系統供電，室外或無電網電源的環境可使用充電寶給系統供電。

通過多次的調試和改進，本設計可以很好的實現以上的基本功能和發揮功能。本設計的功能齊全，體積小價格低，凈化裝置的電路也容易修改，可以根據空間環境的不同要求更換不同功率的風扇，通用性強。電源模塊的設計使得該檢測儀供電靈活，可靠。另外通過手機藍牙接收實時數據，可以實現遠距離的監控，這樣即使檢測的環境比較惡劣，人也可以不需處在在檢測環境中就可以清晰看到檢測環境的情況，大大提高了安全性。