基于激光傳感器的PM2.5檢測儀設計

史志慧+吳何畏+譚宇良

摘 要：文章設計的是PM2.5檢測儀，包括AT89C52單片機、攀藤激光傳感器、LCD12864液晶顯示器和報警器。在本設計中攀藤激光傳感器采集空氣中PM2.5的濃度值，經過AT89C52單片機處理后，將數據顯示在液晶顯示器上。系統會將收集到的PM2.5濃度值與用戶預先設置的報警值進行實時對比，報警器會在系統檢測到超過報警值之后響起，并且會根據污染程度的高低點亮不同顏色的燈給出相應的提示。本設計具有精度高、體積小、續航時間長、便于攜帶等優點，可直接用于市場推廣。

關鍵詞：PM2.5檢測儀；攀藤激光傳感器；液晶顯示器；報警

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0104-02

Abstract： In this paper， the PM2.5 detector is designed， including AT89C52 microcontroller， climbing laser sensor， LCD12864 liquid crystal display and alarm. In this design， the density of PM2.5 in the air is collected by the climbing laser sensor， and the data are displayed on the LCD after the AT89C52 microcontroller processing. The system compares the collected PM2.5 values in real time with the pre-set alarm values set by the user， and the alarm will ring after the system detects an alarm value that exceeds the alarm value， and will， based on the level of pollution， light up different colors of the light to give the corresponding tips. The design has the advantages of high precision， small volume， long life， easiness to carry， and can be directly used in market promotion.

Keywords： PM2.5 detector； climbing laser sensor； liquid crystal display （LCD）； alarm

引言

如今，國民的環保意識日益增強，對空氣質量越發關注，現在很多地區把陰霾天氣現象統稱為“霧霾天氣”，并且將其作為災害性天氣預警預報，空氣PM2.5已成為熱點。根據世界衛生組織發布的報告可以看出，不管是在發達國家還是在發展中國家，空氣中的顆粒物對百分之七十左右的城市和農村人口的健康都產生了極大的威脅。具體，包括導致哮喘、呼吸困難、慢性支氣管炎、咳嗽等呼吸系統疾病，因為顆粒物被人們吸入后會馬上進入支氣管，而且會刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換。除了這些，若長期處于霧霾天氣下還可能會引起非致命性心臟病、心律不齊等心血管方面的疾病，這種情況多發在老人、小孩和心肺疾病患者等人群。

隨著人們對空氣中顆粒物的含量指數的關注越來越高和大氣污染程度越來越嚴重，實時的空氣質量指數也就越來越受到人們的關心，從而導致對PM2.5檢測儀的需求也越來越高。商業上的PM2.5在線測量設備主要應用于城市空氣質量檢測站里，它們雖然測量精度高但是設備龐大笨重而且價格昂貴。所以，不論是城市還是農村，PM2.5檢測儀都有著很好的應用前景和發展趨勢。

1 PM2.5檢測儀的系統組成

本項目設計的PM2.5測試儀是由硬件、軟件兩部分構成的。在硬件結構中又包括光激光傳感器、光電轉換設備、PIN光敏管和氣體采樣設備四部分。首先我們選用攀藤激光傳感器，它體積更小，可集成，高精度，最小分辨微粒0.3μm。當周圍環境PM2.5值達到一定值，該激光傳感器會按實時檢測空氣PM2.5的含量比例輸出模擬電壓信號，經電路放大增強信號后，該模擬電壓信號再經光電轉換設備。在光電轉換設備上我們選擇體積小、兼容性強的芯片ADCO832。LED顯示模塊我們選用1602LCD液晶顯示屏，與傳統的LED數碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等優點。

2 PM2.5檢測儀原理

PM2.5檢測儀主要是用于檢測大氣中粒徑小于2.5μm細顆粒物質量的裝置。其基本原理如下：由特制的激光二極管產生一束或幾束激光，在空氣中的細顆粒物經過由光源產生的激光束所在區域之后，這些顆粒物會讓激光產生散射現象；散射光會在空間中進行360°輻射，然后數字電路模塊會采集到這種信號，并且通過對信號數據進行相應的模數和其他處理得到顆粒物的大小和顆粒物的大致數量，最終根據專業的標定技術得到質量濃度轉換公式與粒徑分布，得到跟官方單位統一的質量濃度數值。

該儀器的報警系統由LED燈光報警構成。系統會將收集到的PM2.5濃度值與用戶預先設置的報警值進行實時對比，報警器會在系統檢測到超過報警值之后響起，并且會根據污染程度的高低點亮不同顏色的燈給出相應的提示。當LED紅燈亮起，說明周圍環境PM2.5值嚴重超標，污染嚴重；當黃燈亮起時，說明環境輕微污染；綠燈亮起時，則空氣質量良好。

3 PM2.5程序設計及實現

如圖2，當按下設置鍵時，預先設置好報警濃度值。然后攀藤激光傳感器開始工作，將檢測到的空氣中的PM2.5濃度數值送入到AT89C52單片機進行光電模數轉換處理，當檢測的PM2.5的濃度值超過報警值時會觸發蜂鳴器閃動報警，然后在LCD1602液晶上顯示經過處理后的數值，若不超過報警值直接在LCD1602液晶上顯示經過處理后的數值。用戶可以根據具體情況手動調節報警數值，并且系統會根據污染程度的高低點亮不同顏色的燈給出相應的提示：

檢測的PM2.5的濃度值在0～0.1，綠燈亮，表示環境良好。

檢測的PM2.5的濃度值在0.1～0.3，黃燈亮，表示輕度污染。

檢測的PM2.5的濃度值在0.3以上，紅燈亮，表示重度污染。

4 結束語

本設計目的是制作一個經濟，簡單，實用的多功能PM2.5濃度檢測儀。此PM2.5濃度監測儀除了具有電路簡單、使用方便、功耗低、成本低等一般特性外，還有以下三個優點：

（1）本設計的方案可行性高，且可用于大量生產；適用范圍十分廣大，住宅、教室、辦公室和醫院病房均適用。

（2）該裝置測量數據直觀易懂，測量結果準確可靠，有很強的使用價值，可普及性強。

（3）本系統采用的是攀藤激光傳感器，相比傳統的紅外傳感器，其CPU性能極高，使得數據運算更加快速；而且在復雜的風道設計中還帶有風扇或者鼓風機，保證了空氣的供給和與周圍環境的相似度；還有專門針對顆粒物的數據算法分析，讓檢測出來的數值更加準確。

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