一種基于單片機的智能粉塵監測報警系統

馬冬寧　趙鵬菲　王振帥　唐源

摘要：傳統粉塵監測報警系統的閾值固定，無法滿足不同生產過程的需求。在傳統的粉塵濃度監測系統上加入單片機及遙控設備，可以實現對報警閾值的遠程設定，不但能夠解決上述問題，還實現了人機空間隔離。文章從研究背景、系統設計、工作原理、應用前景四個方面對這一系統進行了介紹。

關鍵詞：粉塵監測；濃度報警；單片機控制；遙控控制；人機空間隔離 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP368 文章編號：1009-2374（2017）05-0009-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.005

1 研究背景

粉塵是指懸浮在空氣中的固體微粒。國際標準化組織規定，粒徑小于75μm的固體懸浮物定義為粉塵。粉塵中往往含有多種有毒成分，如鉻、錳、鎘、鉛等。小于5μm的微粒極易深入肺部，引起中毒性肺炎或矽肺，嚴重影響人體健康。此外，過量的粉塵還會對工業生產造成嚴重的影響。

傳統粉塵監測儀最大的缺點是無法自行設定報警濃度閥值，在不同的生產生活條件下需要特制不同的探測報警器，造成了資源浪費。此外，傳統粉塵監測報警系統接收端與監測端未分離，而在某些特殊的生產環境下，人員需對粉塵濃度監測儀進行遠程控制，這也是一個亟待解決的問題。

在傳統系統上加入單片機及遙控設備，可以實現閾值的在線遠程設定，能夠較好地解決上述問題。顯示設備還可以將濃度信息顯示，便于使用者的觀察與記錄。此外，本系統還在系統中加入溫度濕度的監測傳感器，使其成為一個更加全面的監測儀，能夠對于所處環境狀況做出更多方面的評估。

2 系統設計

2.1 系統綜述

經過對研究背景中提到的問題的仔細分析后，設計了如圖1所示的單片機及遙控系統。

該系統由兩部分組成：接收端與監測端。接收端的核心模塊為接收端單片機，接收端還包含按鍵、數碼管、蜂鳴器，分別用于控制及報警。監測端的核心模塊為監測端單片機，監測端還包含傳感器（集成AD模塊）。接收端與監測端通過紅外通訊設備進行數據的傳輸，實現了遠程控制。

2.2 接收端設計

2.2.1 單片機。經過對問題的分析和對不同產品的篩選，我們采用ATMEL公司的ATMega16作為接收端單片機，其指令集先進，高數據吞吐率，并且還具有成本低、功耗低的特點，完全滿足本系統的性能要求。單片機在接收端所實現的主要功能有接收按鍵模塊發來的控制信號、接收紅外通信設備發來的測量數據、對測量數據進行分析與處理、向蜂鳴器與數碼管發送顯示與報警信號。此外，單片機還承擔著存儲報警閾值數據、存儲紅外編碼信息等任務。ATMega16的引腳配置如圖2所示：

2.2.2 按鍵模塊。接收端按鍵模塊化，將四個按鍵集成到一塊電路板上，并加入濾波電容實現防抖。按鍵模塊在接收端所實現的功能為人機交互。使用者通過按鍵來改變報警閾值，按鍵模塊將響應信號發給單片機進行進一步處理。

2.2.3 數碼管模塊。在數碼管的選擇上，采用了MAX7219作為本系統使用的模塊。MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器，它擁有指令簡單、驅動方便、亮度可調以及方便級聯等優點。接收端數碼管用于顯示由單片機傳輸來的當前濃度數之和用戶自定義的報警閾值。

2.2.4 蜂鳴器模塊。蜂鳴器是一種采用直流電壓供電的發聲裝置，在本系統內加入了控制引腳，其主要用途為聲音報警。

2.3 監測端設計

2.3.1 單片機。監測端同樣選擇了ATMega16作為單片機。單片機在監測端所實現的主要功能有接收傳感器模塊發來的數據信號并對其進行處理、將處理后的數據編碼，發給紅外傳輸設備，同樣，在監測端的單片機內也存儲著紅外編碼信息。

2.3.2 傳感器。根據系統功能要求，監測端的傳感器有兩種，用于檢測粉塵濃度的傳感器以及用于檢測環境溫濕度的傳感器。我們選用了夏普公司的GP2Y1051AU0F粉塵濃度傳感器。這款傳感器相比于上一版本1010AU0F，不但在精度和耐用性方面進行了優化，而且不需要搭建外圍電路，數據的傳輸也可以用USART完成，因此我們決定選用這一款傳感器。

而在溫濕度傳方面，我們選用了精度高、工作條件廣泛的DHT22作為本系統使用的溫濕度傳感器。

這兩個傳感器都自帶模數轉換模塊，并且出廠時都經過了校正，因此由這兩個模塊得到的數據是基本可靠，符合本系統設計要求的。

2.4 紅外通信模塊設計

紅外通信模塊的目的是實現接收端與監測端之間的信號傳輸，從而實現人機隔離及遠程操控。我們選擇了NEC紅外模塊通訊對，該模塊集成編解碼系統及調制系統，傳輸可靠、運行穩定，與單片機之間只需要USART進行通訊就可以實現數據傳輸，減少了對單片機資源的占用。

3 工作原理

3.1 工作原理綜述

整個系統的工作周期如圖3所示。左側為接收端的工作流程框圖，右側為監測端的工作流程框圖。接收端工作流程的主要環節為接收并處理按鍵信號、接收并處理紅外傳來的數據、顯示數據與報警。監測端工作流程的主要環節為接收并處理傳感器數據、將數據發送給紅外。

3.2 接收端工作原理

3.2.1 接收并處理按鍵信號。由于上拉電阻的存在，接在電阻另一端的按鍵在不按下時會輸出高電平，一旦按鍵按下，輸出將與地相連，即會輸出低電平。單片機將這一電平的變化作為信號進行檢測。不同的按鍵分別接在單片機不同的I/O口上來加以區分，這就是按鍵信號的接收并處理。

3.2.2 接收并處理紅外傳來的數據。

只要單片機通過USART向紅外通訊模塊發送以上格式的數據，NEC紅外模塊就會自動將數據載波調制，并通過紅外發射頭發射出去。

接收：NEC紅外模塊同樣帶有紅外接收頭，只要模塊處于工作狀態，若接收到載波信號便會自動解調，并將如表1所示格式的數據通過USART發送給單片機。

3.2.3 顯示數據與報警。

數據的顯示：MAX7219內部含有多個寄存器，分別用于模式設置、亮度調節、存儲顯示數據等。若想通過MAX7219驅動數碼管顯示相應數值，則需要完成以下兩個步驟：（1）實現對MAX7219的正確配置（包括亮度、顯示模式等）；（2）實現數據的正確傳輸。

MAX7129數碼管驅動模塊與單片機之間的通信方式為SPI協議，同樣，MAX7219也有其特有的數據格式，對于一個16位數據來說：D15-D12四位不使用，D11-D8四位用于確定寄存器位置。而D7-D0則為需要傳輸的數據。詳細的數據格式可以在MAX7219的技術文檔中查到，此處不再贅述。

報警：考慮到不同生產環境的需求，本系統使用了聲光兩路報警。對于光報警，當發光二極管兩端壓降超過導通閾值時，發光二極管便可以發光，從而起到報警的效果。利用不同顏色的二極管還可以表示系統不同的工作模式。對于聲音報警來說，蜂鳴器模塊設有一I/O口用于控制。當I/O口接收到高電平時，蜂鳴器發出聲音，實現報警功能。

3.3 監測端工作原理

3.3.1 接收并處理傳感器數據。

粉塵濃度傳感器：粉塵濃度傳感器同樣使用USART向單片機傳輸數據，即只有一根數據線，系統中的數據交換、控制均由數據線完成。格式如表2：

溫濕度傳感器：DHT22使用單總線通訊協議實現數據傳輸，起始信號的時序圖如圖4所示，數據發送的時序如圖5所示：

單片機發送一次起始信號（把數據總線拉低至少800?s）后，DHT22進入高速模式。待開始信號結束后，DHT22發送響應信號，從數據總線串行送出40位數據，依次為濕度高位、濕度低位、溫度高位、溫度低位、校驗位，發送數據結束觸發一次信息采集，結束后DHT22將自動轉入休眠模式，直到下一次通信來臨。

3.3.2 將數據發送給紅外。前文已經對紅外通信模塊的工作原理進行了介紹，此處不再重復。

4 應用前景

該設備市場廣闊，其在一定程度上彌補了傳統粉塵濃度監測儀的缺陷，使用者可通過遙控器或粉塵儀上按鍵對報警閾值進行調節，簡單便捷。另外，該設備具有造價低、重量輕和檢測準確的特點，可廣泛應用于礦山、冶金、化工制造等工業場所。此外，通過改進對粉塵的檢測算法，也可實現對常見污染顆粒PM2.5的檢測，所以該檢測報警器也可用于普通家庭和日常生活中。綜上所述，該設備具有較好的應用前景和開發潛能。

參考文獻

[1] 程明月.基于無線傳感器網絡的空氣質量監測系統的研究與設計[D].武漢科技大學，2015.

[2] 張楠.基于ARM的大氣環境監測系統的設計[D].哈爾濱理工大學，2014.

[3] 張亞梅.粉塵監測系統的研究[J].山西青年，2016，（6）.

[4] 李春立，劉濤，王東明.AVR單片機顯示系統中USART通信接口的應用[J].機械管理開發，2012，（6）.

基金項目：北京科技大學本科生創新創業訓練項目。

作者簡介：馬冬寧（1996-），男，內蒙古通遼人，北京科技大學本科學生，研究方向：自動化；趙鵬菲（1996-），男，山東臨沂人，北京科技大學本科學生，研究方向：自動化；王振帥（1994-），男，山東臨沂人，北京科技大學本科學生，研究方向：自動化；唐源（1996-），男，湖北恩施人，北京科技大學本科學生，研究方向：自動化。

（責任編輯：黃銀芳）