輝光管PM2.5探測和顯示系統(tǒng)的開發(fā)與設計

滕美艷 錢睿 練遠鑫 夏景明 李鵬

摘 要：因為空氣質(zhì)量的惡化，陰霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)增多，危害現(xiàn)象加重。中國不少地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象并入霧一起作為災害性天氣預警預報。為了防止粉塵對人體造成的傷害。該項目以AT89C51為主要核心，首先先將傳感器與單片機相結(jié)合，實現(xiàn)對PM值的采集和讀取，此外我們還添加了時鐘模塊，通過按鍵切換顯示，最后將顯示的數(shù)值通過輝光管顯示。該文詳細介紹了有關(guān)單片機與傳感器的電路連接和高壓驅(qū)動電路以及程序流程。

關(guān)鍵詞：單片機 輝光管 PM2.5 時鐘

中圖分類號：TP36 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0022-04

Abstract：Because of the deterioration of air quality， haze weather phenomenon appears， damage phenomenon. Many parts of China into fog haze weather phenomenon are brought together as a severe weather warning forecast. In order to prevent dust damage to human body. This project USES AT89C51 as the main core， first to combined sensor and MCU， to realize the collection of values for PM and read， in addition we also added the clock module， through the button switch， according to the last will display values through the glow. This paper introduces the single chip microcomputer and sensor circuit connection and high voltage driving circuit and program flow.

Key Words：Singlechip microcomputer；Glowtube；PM2.5；Clock

隨著人們生活品質(zhì)的提高，大家對于生活質(zhì)量的要求也越來越高，所以，就需要一個健康綠色的生活環(huán)境，這樣空氣質(zhì)量就是一個很重要的標準。氣象專家和醫(yī)學專家認為，由細顆粒物造成的灰霾天氣對人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。而粒徑在2.5μm以下的細顆粒物，不易被阻擋。被吸入人體后會直接進入支氣管，刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換，從而引發(fā)咳嗽、呼吸困難、哮喘、慢性支氣管炎等呼吸系統(tǒng)的疾病并導致心律不齊、非致命性心臟病等心血管方面的疾病。因此，對PM2.5的監(jiān)測與治理便顯得越來越重要。該項目探測空氣中的PM2.5能夠使我們更加清楚的意識到現(xiàn)在我們空氣質(zhì)量的差距，給大家一個現(xiàn)實的數(shù)據(jù)，讓我們知道現(xiàn)在環(huán)境問題的嚴峻性。目前PM2.5的檢測方法主要包括重量法、射線吸收法和微量振蕩天平法，而該實驗所采用的傳感器是采用激光散射的方法進行測量。首先把傳感器技術(shù)應用于單片機控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對空氣PM值的采集和讀取。之后利用輝光管顯示技術(shù)完成PM2.5及顯示電路的設計。

1 總體框架設計

該系統(tǒng)主要以AT89C51單片機為核心，主要包括傳感器PM2.5采集，A/D轉(zhuǎn)換，按鍵操作，單片機控制，輝光管數(shù)字顯示。（見圖1）

輝光管時鐘系統(tǒng)硬件主要由AT89C51單片機、時鐘芯片DS12C887、輝光管顯示高壓驅(qū)動等元器件組成。由于輝光管的工作電壓為170 V，所以，驅(qū)動三極管要求的Vceo要大于170 V，比較安全的范圍是Vceo>250。傳感器采用的是激光散射原理，即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時在某一特定角度用探測器接收散射光，產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大后，得到電信號與顆粒物的對應曲線。微處理器采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一系列復雜算法得出單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物質(zhì)量。

2 硬件設計

2.1 傳感器模塊

YT01傳感器采用激光散射的原理，令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時用探測器接收散射，產(chǎn)生的光電流。進一步轉(zhuǎn)換為電壓信號，此信號傳送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機識別的數(shù)字信號，輸出out與單片機的P3.0相連。（如圖2所示）

2.2 高壓驅(qū)動電路

采用SN74LS145BCD到十進制解碼器/驅(qū)動器，編譯為0-9十進制數(shù)，通過解碼器配合2N5551高壓開關(guān)管，有效安全的驅(qū)動輝光管。電路采用一個全控型器件Q1，當Q1處于通態(tài)時，電源Ui向電感L1充電，充電電流基本恒為11，同時電容C4上的電壓向負載供電，因C4上的電壓向負載供電，所以，C4值很大，基本保持輸出電壓U0為恒值。

結(jié)論：該設計主要以AT89C51單片機為核心，采用動態(tài)掃描的方式驅(qū)動數(shù)碼管顯示，通過按鍵切換顯示時鐘和PM2.5的值。其中主要包括傳感器采集、A/D轉(zhuǎn)換、復位電路、按鍵電路、單片驅(qū)動電路、時鐘電路以及輝光管顯示等部分。實時顯示空氣中的PM值和時間。

3 軟件說明

除主程序外，程序設計中還定義了一些函數(shù)，方便主函數(shù)調(diào)用，主要有調(diào)用初始化程序，讀取時鐘數(shù)據(jù)函數(shù)，動態(tài)掃描函數(shù)，鍵盤掃描函數(shù)，讀取傳感器數(shù)據(jù)函數(shù)等。

讀取時鐘數(shù)據(jù)函數(shù)：數(shù)碼管是共陰極的，所有引腳連接在一起然后和鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端相連，單片機可以控制鎖存器的鎖存端進而控制鎖存器的數(shù)據(jù)輸出，方便的控制任意數(shù)碼管顯示任意數(shù)字。

數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示時間，在上面程序的基礎上再加上動態(tài)掃描程序。在鍵盤掃描程序中加入了動態(tài)掃描程序，但輸入程序之后并不能按鍵調(diào)時間，后來重新定義了一個按鍵sbit s4=P3^3，在動態(tài)掃描過程中如果檢測到S4鍵被按下的時候跳出while循環(huán)。（見圖4）

4 實驗測試

2016年4月分別對學校實驗室、公園、馬路周邊三個地方進行了測試：

學校實驗室如見表1所示。

公園如表2所示。

馬路周邊如表3所示。

結(jié)論：從測試數(shù)據(jù)中可以看出樹木植被較好的公園PM值較低，空氣質(zhì)量較好，說明植被有助于凈化空氣。而馬路周邊空氣質(zhì)量較差，說明汽車尾氣的排放能夠惡化空氣質(zhì)量。

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