一種帶OLED顯示的粉塵濃度檢測系統設計與實現*

李志廣，尚 優

(1.河北工業大學 理學院，天津 300401； 2.河北工業大學 國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心，天津 300401)

一種帶OLED顯示的粉塵濃度檢測系統設計與實現*

李志廣1,2，尚 優1

(1.河北工業大學 理學院，天津300401；2.河北工業大學 國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心，天津300401)

為了對環境空氣中的粉塵濃度進行方便快速而準確的檢測，基于STC89S52RC單片機設計了一種粉塵濃度檢測系統。該系統采用基于光散射原理的粉塵傳感器采集信號，使用1.3英寸OLED顯示模塊進行顯示，應用C++進行軟件設計，實現了PM2.5及PM10的實時檢測與顯示，并設計了聲光警報系統，當檢測到的數據達到設定的閾值時，便會觸發警報。調試結果表明，該系統測量準確，運行穩定可靠。

粉塵濃度；光散射；OLED；單片機

0 引言

最近幾年，各地不時出現“霧霾”天氣，空氣質量也越來越受到人們的關注。造成這些“霧霾”天氣的主要原因之一是空氣中漂浮著的粉塵，這些粉塵也攜帶大量有毒、有害物質，而且能被人體吸入，使人們更容易患呼吸道疾病以及肺部疾病。因此對環境空氣中的PM2.5濃度進行快速而準確的檢測成為環境監測工作的一個新內容。一般情況下，雖然有專門儀器檢測空氣中的有害氣體，但普遍價格偏貴，測量耗費時間，便攜性不佳，某些儀器還需要專業人員操作[1]。

目前，世界各國對粉塵濃度的檢測技術做了大量研究，我國在粉塵濃度檢測儀方面的研究起步較晚。PM2.5的檢測方法有重量法[2]、微量振蕩天平法[3]、β射線吸收法[4]、光散射法[5]等，最近也出現了不少小型的粉塵濃度傳感器模塊[6-7]。國內粉塵濃度監測技術主要以采樣器、直讀式測塵儀為主。粉塵采樣器的測量周期長、測量手段復雜，無法及時地反映出當前的實時數據。目前檢測PM2.5濃度的主流方法可以對24小時平均的城市空氣PM2.5濃度進行監測，但仍存在著設備昂貴、操作復雜的問題，不適合在小環境內使用。基于光散射原理的粉塵傳感器具有體積小、檢測快、操作簡單的特點，因此更適合在室內或小范圍內使用。測量系統離不開顯示終端，OLED在顯示信息方面具有許多吸引人的優點。OLED無LCD的視角問題，可提供全視角顯示，而且器件厚度也比LCD薄。

鑒于此，本文設計了一款帶OLED顯示的粉塵濃度檢測系統，采用SM-PWM-01A型粉塵傳感器。該傳感器利用光散射原理可以對小環境的PM2.5及PM10濃度進行快速而準確的測量。該系統采用1.3英寸OLED顯示模塊顯示信息，與傳統的透射式液晶顯示模塊相比，該模塊在外界光強烈的環境下同樣具有良好的顯示效果。

1 SM-PWM-01A型粉塵傳感器的原理與結構組成

1.1 工作原理

常用的基于光散射原理的小型粉塵傳感器通常都是利用角散射法原理。即當平行單色光朿通過帶有粉塵的空氣時，由于粉塵顆粒的散射和吸收作用，使光束在原來傳播方向上的光強減弱，光束的傳播方向發生轉變，進而被光傳感器檢測到[8]。基于該方法制成的傳感器具有體積小、能耗低、便于攜帶等優點，適宜在小型設備上使用。

SM-PWM-01型粉塵濃度傳感器是美國通用電氣公司的產品。該傳感器的LED光源與透鏡組成光源系統，其發出的入射光的傳播方向與光傳感器接收方向不在同一條直線上，而是成一定的角度。在腔體內環境空氣無塵的情況下，光源發出的平行單色光不會被光傳感器檢測到，而在腔體內環境空氣有塵的情況下，由于粉塵顆粒對光線的散射和吸收，一部分入射光的傳播方向發生偏移，從而被光傳感器檢測到。由于散射光的量較少，因此在光傳感器前也裝有透鏡，用于匯聚散射光，如圖1所示。工作時，先由加熱系統加熱粉塵傳感器腔體中的空氣，使環境空氣以一定的流速緩緩通過粉塵傳感器腔體內的通道，這樣環境空氣中的粉塵顆粒也將被一同帶入到腔體內，并在粉塵傳感器的腔體內形成一個均勻的粉塵顆粒場。與此同時光源以一束平行單色光照射腔體內的顆粒場，然后光傳感器將檢測到的光信號轉換成電信號，經過放大器和模數轉換后作為輸出信號輸出。

圖1 粉塵傳感器原理圖

1.2 結構組成

SM-PWM-01型粉塵傳感器主要由光源系統(包括LED光源和透鏡)、光檢測系統(包括光傳感器和另一個透鏡)、前置放大處理電路和MICOM處理器四部分組成。SM-PWM-01A型粉塵傳感器的接口從1到5依次為GND、Output(P2)、Vcc、Output(P1)、Voltage Out(Vo)，如圖2所示。其中Voltage Out(Vo)為電壓輸出，即當灰塵濃度增加時輸出電壓Vo增加，本系統不使用電壓輸出作為單片機采集的信號，因此在與單片機的連接中該口保持開路。

圖2 傳感器結構及接口

2 硬件系統設計

該粉塵濃度檢測系統由單片機系統、粉塵采集模塊、按鍵電路、OLED顯示模塊、聲光報警電路構成。其系統結構簡圖如圖3所示。

圖3 粉塵濃度檢測系統結構簡圖

該系統的工作過程為：環境空氣進入粉塵濃度傳感器模塊，該模塊將采集到的粉塵濃度以低電平脈沖輸出，單片機系統采集到粉塵濃度傳感器模塊的信號，經過處理計算得到PM2.5和PM10的濃度值，與預先設置的閾值進行比較，同時控制OLED顯示模塊進行實時信息顯示，并判斷是否啟動聲光報警系統。

該粉塵濃度檢測系統所選用的元件主要包括：SM-PWM-01A型粉塵傳感器、STC89S52RC型單片機、OLED顯示模塊、三輸入與門CD4073BE以及一些阻容元件。應用Protel軟件設計該系統電路原理圖，如圖4所示。其中J0為電源接口，J1為OLED顯示模塊接口，J2為SM-PWM-01A型粉塵傳感器接口，U1A為三輸入與門CD4073BE模塊中的一個三輸入與門A。

STC89S52RC型單片機作為硬件系統的控制部分。在單片機外圍電路的設計中，P0口與粉塵傳感器輸出口相連，作為信號輸入口。其中P0.0接粉塵傳感器接口2，獲取Output(P2)的數據；P0.1接粉塵傳感器接口4，獲取Output(P1)的數據。

該系統中使用的OLED顯示模塊顯示區對角線長為1.3英寸，像素點陣為128×64，且每一個像素點均可以獨立發光。該顯示模塊使用3～5 V直流電源供電，具有較低的功耗，在全屏點亮時只有0.08 W，而在正常顯示漢字時僅為0.06 W。其共有5個引腳。通信方式為三線SPI通信模式，分別為時鐘線CLK、數據輸入線MOSI和片選線CS。其余兩個引腳為復位控制線RES以及數據/命令選擇線DC。當RES為0時顯示模塊復位，當RES為1時顯示模塊正常工作。DC為0表示寫入命令，DC為1表示寫入數據。

該系統一共有5個按鍵，其功能分別是改變倍數u、增大閾值、減小閾值、在閾值模式和計算模式之間轉換以及復位單片機。

3 軟件系統設計

3.1 特性數據與算法

SM-PWM-01A型粉塵傳感器的輸出接口Output(P1)、Output(P2)均為PWM脈寬調制輸出，其輸出波形可視為：當檢測區內有粉塵時，輸出為低電平；當檢測區內空氣潔凈時，輸出為高電平。該傳感器工作時，檢測一段時間內出現低脈沖時間占總時間的百分比，低脈沖時間比C%可由總時間T以及低脈沖時間ti經公式(1)計算得出。

(1)

再根據檢測出的低脈沖時間所占總時間的比例與粉塵濃度的關系即可計算出實時的粉塵濃度值。低脈沖時間所占比例與粉塵濃度的關系如圖5所示。其中A曲線為較高輸出曲線，C曲線為較低輸出曲線，B曲線為平均輸出曲線。

圖5 低脈沖所占比例與粉塵濃度關系

從圖5中可以看出在粉塵濃度較低的范圍內(200 μg/m3以下)，該粉塵濃度傳感器輸出的低脈沖時間占比與粉塵濃度的關系接近于線性關系。將圖5中平均輸出曲線(B曲線)粉塵濃度大于200 μg/m3的部分輸入至Origin函數繪圖軟件中進行擬合，得出平均輸出曲線在粉塵濃度處于200～1 000 μg/m3范圍的解析式：

D=246 610.319 85×C%4-104 151.063 3×C%3+16 627.962 84×C%2+1 153.376 88×C%-2.127 29

(2)

3.2 程序設計

圖6 主程序流程圖

該軟件系統采用C++語言進行程序設計，由主程序、中斷程序、計算程序、閾值設置程序 、顯示程序、報警程序六部分組成。主程序流程如圖6所示。標志位z是程序進入計算模式和閾值設置模式的標志，即當z=1時，進入閾值設置模式；當z=0時，進入計算模式。標志位z會先被設置為1，即程序默認先進入閾值設置模式。軟件系統中斷程序包含兩個函數，分別是外部中斷0函數和外部中斷1函數。這兩個函數均為當中斷觸發時被調用，中斷程序工作流程如圖7所示。

圖7 中斷程序流程圖

3.3 檢測結果

為了驗證系統工作的可靠性，應用該檢測系統于2017年3月22日上午對天津市河北工業大學北辰校區的普通實驗室、潔凈室和室外空氣進行了檢測，檢測結果實時顯示在OLED顯示模塊，無論室內還是室外陽光下，讀數均清晰可見，當測量值超過設置的閾值時，蜂鳴器發出警報聲。表1數據是測量100次的平均值。

表1 檢測結果 (μg/m3)

4 結論

本文介紹了一種帶OLED顯示，用SM-PWM-01A型粉塵傳感器采集空氣中粉塵濃度信號，基于STC89S52RC單片機系統的粉塵濃度檢測系統的設計。經過實測，本系統工作可靠，適于空氣凈化器、空調等家用電器，以及室內外便攜式應用。

[1] 王凡，李博.基于開源硬件的在線空氣質量監測系統設計[J].電子技術應用，2014,40(12):82-85.

[2] 劉巍，張文閣，夏春，等.基于重量法測定PM2.5濃度的測量不確定性分析[J]. 工業計量,2016,26(3):51-53.

[3] 馮進.PM2.5監測技術的發展及測量數據準確性的保障[J]. 計量與測試技術,2014,41(2): 52-54.

[4] 趙鑫，潘晉孝，劉賓,等．基于β射線吸收法的PM2.5測量技術的研究[J]. 電子技術應用,2013,39(9):74-80.

[5] 高昊．基于光散射原理的礦用激光粉塵濃度傳感器[J]. 煤礦安全,2016,47(3):98-100.

[6] 費勤天，禹素萍，張亞冰，等．作業現場便攜式粉塵監測與預警系統的設計與驗證[J]. 微型機與應用，2016,35(6):1-3,8.

[7] 葛年明，殷彩萍，邵文學．基于STM32的室內有害氣體檢測設計系統[J]. 微型機與應用，2015,34(23):20-22.

[8] 張振中，白宏剛．顆粒粒徑的光散射法測量研究[J]. 山西科技,2011,26(1):89-91.

Design and realization of a dust concentration detection system with OLED display

Li Zhiguang1,2,Shang You1

(1. School of Sciences,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

In order to quickly and accurately measure the concentration of dust in the air,a dust concentration detection system was designed based on STC89S52RC MCU. The system uses a light scattering type dust sensor to collect signals,a 1.3-inch OLED module to display information,and C++ to design software. The real-time detection and display of PM2.5 and PM10 were realized. In addition,a sound and light alarm system was designed. If the detection values exceed the set threshold,a system alarm will be triggered. The system debugging result indicates that the measurement is accurate,stable and reliable.

dust concentration; light scattering; OLED; MCU

國家自然科學基金(11504080，51675159)

TP277；X851

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.027

李志廣，尚優.一種帶OLED顯示的粉塵濃度檢測系統設計與實現J.微型機與應用，2017,36(24)：95-97，101.

2017-05-22)

李志廣(1978-)，通信作者，男，副教授，主要研究方向：液晶器件、創新設計、電子系統設計。E-mail：zhglee@hebut.edu.cn。

尚優(1994-)，男，本科生，主要研究方向：液晶器件、電子系統設計。