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基于单片机的PM2.5检测仪设计

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姚展

摘要：中国经济飞速发展，城市化进程不断加快，大气污染对人们的身体引发一系列病症。对于PM2.5检测仪研究，具有一定的社会价值。本设计以GP2Y1010AU0F传感器来采集环境中的PM2.5的浓度数值，通过模数转换器将信号转传送给单片机，对其进行处理。经实验证明，本设计可以有效的检测出有害气体成份，当浓度超出预设值，系统将自动报警，并打开排气扇降低有毒气体浓度。本设计可以较广泛地应用在家庭、工作场所作为报警设备，具有一定的市场前景。

Abstract： With the rapid development of China's economy and the acceleration of urbanization， air pollution has caused a series of diseases to people's health. For the research of PM2.5 detector， it has certain social value. In this design， GP2Y1010AU0F sensor is used to collect PM2.5 concentration value in the environment， and the signal is transmitted to MCU through analog-to-digital converter for processing. Experiments show that the design can effectively detect the harmful gas components. When the concentration exceeds the preset value， the system will automatically alarm， and open the exhaust fan to reduce the concentration of harmful gas. This design can be widely used in families and workplaces as alarm equipment， and has a certain market prospects.

關键词：单片机;PM2.5检测仪;灰尘传感器

Key words： single chip microcomputer;PM2.5 detector;dust sensors

中图分类号：TP317 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2019）07-0154-03

0 ?引言

改革开放以来，中国经济飞速发展，城市化进程不断加快，但随之而来的大气污染问题也日益突出。 2013年，互联网上一组关于西安大雁塔雾霾之前与雾霾之后对比的图片引起了人们的热议[1]，网友们纷纷发来“贺电”——祝贺“大雁塔成功发射”。同样，2016年，一张“灰锅盖”笼罩南京的图片在互联网上广为传播。近年来，互联网上诸如此类的消息屡见不鲜，这种种现象都向我们昭示了大气污染问题迫在眉睫。作为影响灰霾天气形成的重要部分，PM2.5也被人们投入了更多的关注。PM2.5，也称可吸入性细颗粒物，是指颗粒直径小于或等于2.5微米的颗粒物，人类生产活动是它主要的排放源。

根据世界卫生组织的调查研究表明，在全球，由于空气污染所造成的人身健康危害而导致的早亡事例，已超过年平均两百万。美国国家环境保护局进行了细颗粒物对于健康效应所造成的影响的分析，此次分析表明了由于空气污染所造成的早亡而导致的经济损失达到了所有损失的百分之八十九之多。随着社会的进步，人们对于PM2.5的了解越来越深入，对其所产生的危害也更加警惕。各个国家对于大气颗粒物的研究逐渐转向了细颗粒物，严格的空气质量标准也开始逐渐被制定执行。PM2.5开始正式作为监测指标是在1997年，美国最早将其纳入空气质量检测的监测标准其中之一，随之其后，PM2.5逐渐开始被各个发达国家列入监测指标，并制定相关标准。随着人们对PM2.5的日渐重视，国外的一系列研究人员进行着各种与其相关的研究。

1 ?系统工作原理

本设计的PM2.5检测仪需要实时检测当前PM2.5浓度值，且具有报警提示功能。本设计要求能够实时的对环境细颗粒物浓度进行采集，并且能明了准确的对采集数据进行显示，而且当所检测到的数值浓度在不同区间时，系统能够进行予以区分的报警提醒，还有，当需要时系统还能够进行复位和设置。根据要求，此系统需要具备主控制器，PM2.5数据采集模块，显示模块，报警模块，输入设备等。PM2.5数据采集部分检测灰尘浓度，其输出数据经处理后传给主控制器，主控制器反应后通过显示模块显示出来，浓度数值处于不同区间时给予不同的报警反应，并且通过输入设备，可以完成对系统的设置及复位功能。

2 ?硬件系统设计

本系统包括核心控制器、输入模块和输出模块。本设计选择使用单片机作为核心处理器，对输入模块所传输的信号进行处理，并且提供相应的信息给输出模块。输入设备采用灰尘传感器作为PM2.5检测器件，使用按键电路来完成设置与复位功能。输出设备分为显示部分和报警部分，显示模块需要能清晰明确的完成数据显示功能，报警模块需要有三级污染程度显示，可以进行声音报警提示。

2.1 PM2.5数据采集电路

本设计的检测装置采用GP2Y1010AU0F灰尘传感器，其能够实时采集环境中的细颗粒物浓度。此传感器输出量为电压模拟量，而STC89C51RC单片机没有内置的数模转换装置且其能接受处理的信号为数字信号，则需要一个A/D转换器将传感器输出的模拟量转换成单片机能够处理的数字量。灰尘传感器与A/D转换器的CH0口相接，模数转换器的■口接单片机的P1.3口，CLK口接P1.0口，DO、DI接其P1.1口。

2.2 报警电路

污染级别提醒电路的目的是提醒人们当前环境PM2.5浓度大致的污染程度，也属于报警模块的一部分。此提醒电路采用红、黄、绿三种颜色的LED灯作为三种不同程度污染的提醒器件，当PM2.5浓度在人们可接受范围之内时绿灯亮，当PM2.5浓度超出设定值的一半时黄灯亮起，代表此时环境中的细颗粒物浓度已经超出安全范围会对人们产生一定危害，提醒人们要注意做好防范措施，而当红灯亮起时则代表此时的PM2.5浓度超出设定值，已经达到严重危害人们健康的程度，警示人们此种情况尽量不要出门并做好防范措施。

2.2 显示电路

本设计采用1602液晶显示屏作为显示器件，其作用是显示当前实时检测到的细颗粒物浓度及所设定的PM2.5限定浓度值。其D0至D7引脚与单片机P0口依次相接，此时P0口需要在外面连接电阻才可以使得输出产生高电平。液晶显示屏的寄存器选择端RS、使能端E分别接P2.7、P2.6接口，当使能端为低电平时，液晶显示屏开始工作。

2.3 系统硬件电路

系统硬件总体电路主要包括控制器部分，输入部分和输出部分。输入部分由PM2.5数据采集电路和按键输入电路组成;控制器部分由单片机，晶振电路及单复位电路组成;输出部分由液晶显示电路、声报警电路和光报警电路组成。硬件总电路如图2所示。

3 ?系统软件设计

本设计主要包含PM2.5数据采集部分、液晶显示部分和报警部分。程序运行开始，先分别对系统进行初始化，包括有液晶屏、传感器等的初始化，告知传感器使得传感器检测传输有关PM2.5的数据信号，液晶屏进行当前PM2.5浓度数值及限定值的显示工作。然后判断按键是否按下，当设置键按下，系统执行限定值修改功能，此时若对增减值键进行操作可对限定值进行修改;设置键未按下时，按下其与的两个键不起作用。接下来判断当前浓度值是否超过设定值或者其二分之一，如果超过则进行相应的报警提示工作，如果没有超过，则进行下一轮的数据采集工作，重复以上步骤。

3.1 显示函数

显示程序的作用是驱动显示屏对数据进行显示，针对LCD1602的程序编写首先需要对其包括RS、RW和E等管脚进行定义，接下来需要完成对液晶显示屏初始化的编写，之后开始延时程序的执行工作，等待单片机输出经传感器采集的数据信息。以上完成之后，开始完成显示地址的设置，也就是完成写显示字符位置的工作，然后对于数据进行写入，数据传输完毕后，液晶显示屏会读取写入的地址并完成显示，最后返回。

3.1.1 LCD1602初始化

对LCD1602的使用，需要先行对其完成初始化程序编写。当系统处于运行状态时，LCD1602需要先开始初始化，完成之后显示所设置好的初始状态，并且为接下来的PM2.5浓度数值显示进行准备工作。

3.1.2 设置地址

LCD1602为16×2位的液晶显示屏，设计需要将PM2.5浓度数值及设置的限定值显示在屏幕上，为了达到清晰明了的效果，需要对显示字符进行布局，例如如需将字符居中显示，则需设置其从某一行的某个字符开始显示。液晶屏完成初始化之后，屏幕上显示初始状态，经过一段延时时间后，开始显示当前测量的浓度数值。当进入设置功能时，可以对显示屏的某些位进行修改。

3.2 ADC0832模数转换

在设计程序的过程中需要完成对A/D转换器的程序编写，首先要做的是对ADC0832引脚的定义工作，然后进行初始化编程，结束之后对进行转的换通道予以选择，之后，接收读取由传感器传输的信息，完成比较式数据读取，以上步骤成功后释放传送给单片机。单片机需要反复读取50次由转换器所输送的数据并进行处理后送达显示。关键程序如下：

DA=adc0832（0）

DA=DA*（float）（DA/5）

3.3 报警函数

本设计报警功能分为声报警和光报警，进行程序設计的时候需要分别对两功能进行编程。报警函数的执行过程如下：当显示屏读取并予以显示当前粉尘浓度数值后，报警函数开始进行浓度值与限定值的判断，当分别低于限定值的一半、高于限定值或者处于两者之间时，进行相应的报警提醒，当浓度超过限定值时启动声报警。主要程序如下所示：

if（DA>=WARNING）

if（DA=WARNING/2）

4 ?仿真实验结果及讨论

此次设计所选用传感器在Protues元器件库中不包含，因此仿真过程中选用代替器件用以模拟PM2.5浓度检测过程，此灰尘传感器输出量为电压模拟量，因此选择电位器模拟其输出。

PM2.5限定浓度值为500ug/m3，调节电位器，当输入电压处在不同的范围时，会产生不同的报警提示，有如下三种情况。

情况一：调节使得当前浓度显示为414ug/m3，此浓度小于限定值但大于其一半，此时黄色灯亮起，表示重度污染情况。仿真效果如图4所示。

情况二：显示浓度值为884ug/m3，此时仿真PM2.5浓度值大于限定值的情况，此时红色灯亮起，并且启动声报警功能进行发声提醒，表示当前已处于重度污染环境。仿真效果如图5所示。

5 ?结论

随着大气污染的日益严重，有关PM2.5的话题也逐渐引起了人们的热议。随着人们对其危害的了解的深入，迫切需要掌握身边环境状况的心里也随之出现，一款经济实惠、简单方便的PM2.5检测仪也就有一定地应用价值。

本设计以GP2Y1010AU0F传感器来采集环境中的PM2.5的浓度数值，通过模数转换器将信号转传送给单片机，对其进行处理后，进行显示。

经实验证明，本设计可以有效的检测出有害气体成份，当浓度超出预设值，系统将自动报警，并打开排气扇降低有毒气体浓度。本设计可以较广泛地应用在家庭、工作场所作为报警设备，具有一定的市场前景。

参考文献：

[1]凤凰资讯.西安大雁塔雾霾市民：被“发射”[EB/OL].http：//news.ifeng.com/society/2/detail_2013_12/20/32292168_0.shtml，2013

-12-20.

[2]覃辉艳.大气污染颗粒物 PM2.5诱导人支气管上皮细胞凋亡及其机制探讨[J].广西：广西医科大学，2012.

[3]常旭红，张钰，吴建茹.大气颗粒物暴露与人体心血管疾病急性效应关系研究的系统评价[J].东南大学学报（医学版），2012，31（1）：1-8.

[4]孟晓艳，魏桢，王瑞斌等.灰霾试点城市PM_（2.5）浓度特征及其影响因素分析[J].环境科学与技术，2013（09）：82-86.

[5]杨新兴，冯丽华，尉鹏.大气颗粒物PM2.5及其危害[J].前沿科学，2012（01）：24-33.

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