基于STC12C5A60S2單片機PM2.5檢測儀的設計與實現

范宜標，汪文海，林炳輝，莊景波

（龍巖學院機電工程學院，福建龍巖364012）

基于STC12C5A60S2單片機PM2.5檢測儀的設計與實現

范宜標，汪文海，林炳輝，莊景波

（龍巖學院機電工程學院，福建龍巖364012）

本文設計的PM2.5檢測儀由STC12C5A60S單片機控制系統、PLANTOWER激光PM2.5傳感器、LCD液晶顯示電路以及相關的報警電路組成.傳感器檢測采用激光散射原理進行懸浮顆粒物，進而微處理器利用MIE理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑以及單位體積顆粒物數量.

PM2.5傳感器；單片機；激光散射；MIE理論

中國不少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”.霧霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金屬鎳砷鉻鉛等顆粒組成.[1]近期世界衛生組織發布的報告顯示，無論是發達國家還是發展中國家，目前大多數城市和農村人口均遭受到顆粒物對健康的影響.高污染城市中的死亡率超出相對清潔城市的15%至20%.據統計，在歐洲，PM2.5每年導致386000人死亡，并使歐盟國家人均期望壽命減少8.6個月[2].人體的生理結構決定了對PM2.5沒有任何過濾、阻攔能力，而PM2.5對人類健康的危害卻隨著醫學技術的進步，逐步暴露出其恐怖的一面.[3]因此，對PM2.5的監測與治理便顯得越來越重要.

1　PM2.5傳感器檢測原理與結構

傳統傳感器是采用β射線吸收法的原理及空氣被抽氣泵吸進采樣管，則會把顆粒物沉積在表面的濾膜上，此時β射線通過濾膜時發生β吸收，通過對β吸收的測量就可以很好的計算出所吸入顆粒物的濃度.這種法方存在耗能高、噪聲大缺點，不容易在實際中使用.

本傳感器采用激光散射原理.即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產生散射，同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強隨時間變化的曲線.[4]進而通過微處理器利用基于米氏（MIE）理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量.傳感器的功能框圖如圖1所示.

圖1　傳感器的功能框圖

激光傳感器的結構和電路相對復雜.其光源為激光二極管，采樣空氣通過風扇、鼓風機推動，通過復雜設計的風道，進行檢測.當空氣中的細顆粒物進入激光束所在區域時，將使激光發生散射；散射光在空間3600都有輻射，我們在適當位置放置光電探測器（硅光電池），使之只接收散射光，然后經過光電探測器的光電效應產生電流信號，經電路放大及處理后，即可得到細顆粒物濃度值.輸出信號一般為串口輸出.

2　PM2.5檢測儀系統設計

2.1硬件系統設計

本設計所采用控制芯片的是STC12C5A60S2單片機. STC12C5A60S2單片機、復位電路和時鐘電路組成單片機最小系統，如圖2所示.單片機在上電時，電阻R1與電解電容C8的充放電，將給單片機的外部引腳RST保持2個機器周期以上的高電平，實現單片機最小系統的自動復位；30pF的瓷片電容C5、C6和12MHz晶振Y1構成自激振蕩電路，該振蕩電路發出的脈沖經過單片機外部引腳XTAL1和XTAL2，可送入內部時鐘電路.

圖2　STC12C5A60S2單片機最小系統

復位電路對單片機的穩定運行具有重要作用.單片機可通過手動或上電進行復位；通過外部的專門電路，在單片機通電時，系統可自動實現復位，這是任何單片機最基本的復位方式；手動復位，在單片機運行過程中，有時會出現單片機系統崩潰的情況，這時可以通過手動復位解決.為了設計的便利，本系統采用上電復位方式.

時鐘電路是用來提供單片機正常運行所需要的時鐘信號.STC12C5A60S2系列單片機共有兩個時鐘源選擇：一個是通過單片機引腳引入外部時鐘作為時鐘源，另一個是由內部R/C振蕩器產生時鐘.5V常溫下單片機內部的R/C振蕩器產生11MHz～17MHz范圍的頻率，單片機在3V常溫下產生8MHz～12MHz頻率，外界溫度的改變會照成內部R/C振蕩器的頻率的不穩定性（即溫漂）.

系統采用LCD1602液晶作為顯示器.1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊.它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形. 1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊.

2.2軟件系統設計

本系統程序采用C語言編寫.C語言是一種非常方便的編程語言而得到廣泛的應用，很多的硬件開發都使用C語言編程，如ARM、DSP及各種單片機等等.C語言提供了很多數學函數并支持浮點計算，開發效率高，可極大縮短開發時間，增加程序可讀性和可維護性.

單片機串口每接收一次來自PM2.5傳感器的數據時，將其存儲在一個32個元素的unsignedchar型數組中，主函數將該數組的數據處理得出PM2.5值并在液晶上顯示，同時判斷PM2.5值是否超過用戶設置的警報界限，超過則發出警報.主程序流程圖如圖3所示.

參數設置中需要注意傳感器SET=1模塊工作在連續采樣方式下，模塊在每一次采樣結束后主動上傳采樣數據，采樣響應時間小于600ms，數據更新時間小于2s.SET=0模塊進入低功耗待機模式.

圖3　主程序流程圖

3　實物檢測與結果評價

圖4　實物樣品照片

按上述分析思路設計并制作PM2.5檢測儀，實物圖如圖4所示.在傳感器的位置放好后，按下電源按鈕及紅色電源指示燈會亮起，此時測試儀開始工作，LCD屏幕上顯示的是當前測試的PM2.5的含量，若含量超過設定的上限，則蜂鳴器會發出警報聲提示當前的PM2.5行兩太高.同時，對制作的樣品系統的性能進行了測試，測試方法及結果如下：根據當前的地理環境進行了測試，首先按下左1按鍵，進入PM2.5報警值設置界面；根據要求按下第2、3個按鍵，可對報警值的萬位進行設置，最后按第4個按鍵，完成設置并退出.通過上限值得設置完畢，開始測量.在測試過程中有認為的改變環境進行測量，同樣可以精準的測出PM2.5的含量.測試結果如下圖5所示.實驗結果表明該檢測儀測量準確、靈敏度高、誤差小.

測試過程中的注意事項，一定得用USB轉TTL模塊. TTL電平（3.3V）可以直接連接3.3V的單片機I/O口，如果使用5V單片機，中間加了小電阻或者用電平轉換芯片或者MOS管實現都可以.如果您非要直連5V單片機也可以但畢竟不規范，測試一下是可以的，長期使用還是用上面可靠一些的方法.

PM2.5測試儀的主要技術指標包括：采樣流量：1L/min；采樣流量誤差≤2%;濃度測量范圍：0.3-1000mg/m3;測量誤差≤10%；穩定相對誤差±2%.

圖5　實驗測試結果

4　結束語

本文介紹了PM2.5檢測儀的電路硬件設計以及軟件設計，該測試儀具有電路簡單、使用方便、功耗低、成本低等特性，大大提高了PM2.5測試儀的使用時間.通過測試結果表明系統性能穩定，測量精度高、靈敏度高.該系統的控制方法可推廣到物聯網數據采集、環境質量檢測等領域.

〔1〕郝明途，林天佳，劉焱.我國PM2.5的污染狀況和污染特征[J].環境科學與管理，2006，31(2)：58-61，67.

〔2〕楊書申，邵龍義，龔鐵強,等.大氣顆粒物濃度檢測技術及其發展[J].北京工業職業技術學院學報，2005，4(1)：36—39.

〔3〕孫晴，樊建中，楊永杰.大氣顆粒物質量濃度監測系統的研制[J].計算機應用與軟件，2011，28(2)：189-191.

〔4〕許玉鳳，卞保民.基于光度計法的粉塵質量濃度測量系統的研究與開發[D].南京：南京理工大學，2007.

TB476

A

1673-260X（2016）03-0061-02

2015-12-28

福建省大學生創新創業訓練計劃項目（S20141008）