空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與制作

呂佳鳴

摘 要： 本文以單片機(jī)為主控芯片，通過控制一些傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所測(cè)環(huán)境的溫濕度、CO和PM2.5濃度的監(jiān)測(cè)，而且當(dāng)CO和PM2.5濃度超標(biāo)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。由于本系統(tǒng)采用了51單片機(jī)的升級(jí)芯片IAP15F2K61S2，速度更快，功耗更低，測(cè)量結(jié)果精確，偏差小。同時(shí)應(yīng)用了ENC28J60模塊，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，與飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代相適應(yīng)，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： PM2.5濃度；CO濃度；溫度；濕度；檢測(cè)

中圖分類號(hào)：X85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2016）02（c）-0000-00

近幾年，我國大部分地區(qū)出現(xiàn)了霧霾天氣，有的地方霧霾非常嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了我們的日常生活。尤其在北方的農(nóng)村，人們?yōu)榱巳∨蟛糠旨彝ミ€是用傳統(tǒng)的煤爐，家中CO數(shù)值經(jīng)常超標(biāo)，因煤氣中毒的事件時(shí)有發(fā)生。可是，市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心只在個(gè)別區(qū)域設(shè)有環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，人們只能參考附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM2.5的數(shù)據(jù)，來估測(cè)自己所處環(huán)境的情況，并且CO及溫濕度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)還需要不同的測(cè)量?jī)x器來測(cè)量。人們迫切需要一款測(cè)量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉、便攜方便的測(cè)量?jī)x，使人們能隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)自己所處環(huán)境的PM2.5、CO及溫濕度等多項(xiàng)空氣質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)。

1.空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的調(diào)查與設(shè)計(jì)

1.1調(diào)查問卷及結(jié)果分析

新產(chǎn)品的推出需要有市場(chǎng)，同樣我們的研究產(chǎn)品如果要投放市場(chǎng)，是否有銷路呢？我們利用休息時(shí)間走訪市場(chǎng)，隨時(shí)也采訪了一些群眾。根據(jù)群眾的反映，我們制定了調(diào)查問卷，調(diào)查人們對(duì)了解環(huán)境指標(biāo)的需求狀況。我們共發(fā)放調(diào)查問卷223份，收回的有效問卷205份。我們對(duì)收回的問卷進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，分析的結(jié)果如下：

（1）人們意識(shí)到環(huán)境的優(yōu)劣與生活和健康息息相關(guān)。PM2.5、CO、溫濕度的數(shù)值高低對(duì)生活的影響普遍認(rèn)可。

（2）人們雖然意識(shí)到環(huán)境的重要性，但是不會(huì)主動(dòng)去了解居住地PM2.5、CO、溫濕度的具體數(shù)值。

（3）人們雖然意識(shí)到環(huán)境的重要性，但是苦于家中沒有檢測(cè)儀器，不能直接了解居住地的PM2.5、CO的數(shù)值，所以人們主要是通過新聞報(bào)道和天氣預(yù)報(bào)來大致估測(cè)自己居住地的環(huán)境性能指標(biāo)。

（4）人們意識(shí)到環(huán)境優(yōu)劣對(duì)人們的健康有很大影響。人們也希望隨時(shí)能檢測(cè)居住地的PM2.5、CO、溫濕度的數(shù)值，如果有這樣的檢測(cè)儀器，人們還是希望擁有的。

1.2網(wǎng)上調(diào)查產(chǎn)品

我們?cè)诰W(wǎng)上調(diào)查該類產(chǎn)品的信息，發(fā)現(xiàn)該類產(chǎn)品的不足有：

（1）有些公司制作了能監(jiān)測(cè)溫濕度，CO和PM2.5濃度的檢測(cè)儀，但一般用單片機(jī)STC89C52，檢測(cè)速度較慢，功耗較高。測(cè)量不夠精確。

（2）價(jià)格太高，且使用壽命短。

（3）產(chǎn)品使用220V交流電源，只要使用必須插入交流電，如果停電就無法使用。

1.3產(chǎn)品設(shè)想和創(chuàng)新

（1）本產(chǎn)品采用51單片機(jī)的升級(jí)芯片IAP15F2K61S2，結(jié)合相對(duì)應(yīng)的傳感器模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度，CO和PM2.5濃度的監(jiān)測(cè)。速度更快，功耗更低。測(cè)量更精確，偏差小。

（2）應(yīng)用AT24C02存儲(chǔ)芯片，能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

（3）應(yīng)用了ENC28J60模塊，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，與飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代相適應(yīng)。

（4）整個(gè)系統(tǒng)軟件上，采用了菜單式的程序結(jié)構(gòu)和模塊化的編程方式，通過按鍵控制12864液晶模塊來顯示各種信息。

（5）力爭(zhēng)能降低成本，價(jià)格使普通消費(fèi)者都能接受。

（6）本產(chǎn)品設(shè)計(jì)成兩用插座，即可以使用220V交流電源，也可以使用移動(dòng)電源，休息、工作時(shí)間都可使用。

1.4成本預(yù)算

一個(gè)51單片機(jī)的升級(jí)芯片IAP15F2K61S2大約30元，12864液晶顯示器30元左右，再加上其它傳感器及配件，空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的成本價(jià)在160元左右。也屬于大眾消費(fèi)，人們比較容易接受。

1.5空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)框圖

隨著社會(huì)水平的不斷提高，人們的環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，越來越注重周圍環(huán)境的質(zhì)量與安全。因此，一個(gè)安全與舒適的生活工作環(huán)境可以使人們更加健康和快樂的享受生活。空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。

IAP15F2K61S2單片機(jī)為主控芯片，通過控制CO氣體傳感器，PM2.5傳感器，DHT11溫濕度傳感器，DS1302時(shí)鐘芯片，測(cè)量環(huán)境的溫濕度，CO和PM2.5濃度和時(shí)間，由12864液晶模塊進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)，AT24C02存儲(chǔ)芯片把測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便數(shù)據(jù)的比較和分析。

2.設(shè)計(jì)與制作

2.1設(shè)計(jì)方案

根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的需要，對(duì)系統(tǒng)的電路原理圖、系統(tǒng)的程序圖進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖如圖2-1、2-2所示。

2.2制作過程

（1）準(zhǔn)備好單片機(jī)、傳感器、面包板、杜邦線、烙鐵、焊錫、萬用表等器件。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)圖及電路原理圖，在面包板上進(jìn)行接線、測(cè)量數(shù)據(jù)及系統(tǒng)調(diào)試。

（3）用畫圖軟件Altium Designer畫出電路的原理圖，用激光打印機(jī)把PCB圖打印出來，用熱轉(zhuǎn)印機(jī)把打印好的PCB圖轉(zhuǎn)印在覆銅板上，用一定量的三氯化鐵腐蝕液腐蝕出圖形，用臺(tái)鉆手工鉆孔，并用砂紙將PCB板的細(xì)節(jié)處打磨好。

（4）按照?qǐng)D紙?jiān)赑CB板上插裝元件并焊接，焊接機(jī)械強(qiáng)度要足夠，焊點(diǎn)表面要光滑。焊接好后，進(jìn)行最后的系統(tǒng)調(diào)試。經(jīng)調(diào)試，測(cè)量數(shù)據(jù)正確，如圖2-3所示。

3.應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行的相關(guān)實(shí)驗(yàn)

看著自己做好的作品，感覺到了一種成就感。我?guī)е髌返绞覂?nèi)和路口分別進(jìn)行檢測(cè)。

3.1路口檢測(cè)

用作品在路口檢測(cè)的結(jié)果如表3-1所示。

3.2室內(nèi)檢測(cè)

用作品在室內(nèi)檢測(cè)的結(jié)果如表3-2所示。

3.3檢測(cè)分析

（1）從表3-1和表3-2兩個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，路口的車流和人流都比較多，PM2.5值與室內(nèi)相比，較高。但是由于室內(nèi)通風(fēng)不夠通暢，CO的值室內(nèi)比室外高。溫度室內(nèi)比室外高，濕度室內(nèi)比室外低。數(shù)據(jù)結(jié)果都比較符合實(shí)際情況。

（2）在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，自帶手表、溫度計(jì)和智能手機(jī)。溫度計(jì)上的溫度數(shù)值與作品的數(shù)值一致，手表的時(shí)間和作品的實(shí)測(cè)時(shí)間也一致。我用智能手機(jī)搜索網(wǎng)站上當(dāng)?shù)氐腜M2.5的數(shù)值、CO的數(shù)值，與作品所測(cè)數(shù)值稍微有些差值。我認(rèn)為，網(wǎng)上的公布值是用檢測(cè)地的數(shù)值大約代表一個(gè)城市的檢測(cè)情況。而作品能實(shí)時(shí)實(shí)地的檢測(cè)準(zhǔn)確位置的性能指標(biāo)。

3.4市民評(píng)價(jià)

11月7日，我去居民小區(qū)，向人們介紹我的作品，居民們爭(zhēng)先恐后的用我的儀器進(jìn)行測(cè)量，還有熱心的群眾從家中拿來溫度計(jì)進(jìn)行比對(duì)數(shù)值。他們一致反映，我的作品，小巧、實(shí)用、檢測(cè)精確度高，便于在家中放置。

4.結(jié)論與分析

4.1系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)是基于IAP15F2K61S2單片機(jī)制作的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了溫濕度，CO濃度和PM2.5濃度的監(jiān)測(cè)。而且當(dāng)CO濃度和PM2.5濃度超標(biāo)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。

4.2使用說明

（1）上電開機(jī)。

（2）初始化，系統(tǒng)開始運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種數(shù)據(jù)。

（3）按鍵選擇分別進(jìn)入不同的功能頁面。

頁面1：時(shí)間和溫濕度的測(cè)量數(shù)據(jù)；

頁面2：PM2.5濃度和CO濃度的測(cè)量數(shù)據(jù)；

頁面3：溫度和濕度用優(yōu)、良、差分等級(jí)表示；

頁面4：PM2.5濃度和CO濃度用優(yōu)、良、差分等級(jí)表示。

4.3作品的實(shí)用性

（1）能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)溫濕度，CO濃度和PM2.5濃度的數(shù)據(jù)。

（2）可視化程度高，可以在12864液晶屏幕上顯示所有信息。

（3）采用了51單片機(jī)的升級(jí)芯片IAP15F2K61S2，速度更快，功耗更低。

（4） 能夠?qū)Νh(huán)境狀況進(jìn)行精確的測(cè)量，偏差小。

4.5作品的創(chuàng)新性

（1）應(yīng)用了AT24C02存儲(chǔ)芯片，能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

（2）應(yīng)用了ENC28J60模塊，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，與飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代相適應(yīng)。

（3）整個(gè)系統(tǒng)軟件上，采用了菜單式的程序結(jié)構(gòu)和模塊化的編程方式，通過按鍵控制12864液晶模塊來顯示各種信息，操作方便，精確度高。

（4）硬件上使用的都是集成模塊，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。整個(gè)系統(tǒng)具有非常重要的實(shí)用價(jià)值，可應(yīng)用在家庭，企業(yè)，機(jī)關(guān)，實(shí)驗(yàn)室，公共場(chǎng)合等各種環(huán)境下。

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