基于單片機(jī)的霧霾檢測(cè)器的設(shè)計(jì)

李雪莉 刁振琪

摘要

霧霾污染空氣，損害人類健摘康，霧霾檢測(cè)是霧霾防治的必要要手段。本文介紹了一種基于單片機(jī)的霧霾檢測(cè)器的設(shè)計(jì)。該檢測(cè)器適應(yīng)大眾需求，應(yīng)用場(chǎng)合廣泛。具有體積小、重量輕、低功耗的特點(diǎn)，并且可以自行設(shè)置閾值，能進(jìn)行誤差修正。成本低廉，有廣泛的市場(chǎng)前景。

【關(guān)鍵詞】霧霾檢測(cè) 單片機(jī) 粉塵傳感器

1 引言

近年來(lái)，伴隨環(huán)境的不斷惡化，陰霾天氣頻繁出現(xiàn)，人類的生產(chǎn)生活深受其害。我國(guó)很多地區(qū)已將陰霾天氣與霧一起視為災(zāi)害性天氣的預(yù)警，統(tǒng)稱為“霧霾”。霧霾的主要成分為顆粒直徑小于2.5微米的可吸入顆粒物，攜帶有重金屬元素以及致病微生物等，容易進(jìn)入人的呼吸系統(tǒng)及循環(huán)系統(tǒng)，引發(fā)多種疾病，特別對(duì)于兒童和老人等，容易引起急性上呼吸道感染，長(zhǎng)期接觸，會(huì)對(duì)人體的心臟，肺等器官造成不可逆的影響，根據(jù)PM2.5濃度的高低判斷空氣質(zhì)量的好壞，如表1所示。該設(shè)計(jì)是基于霧霾檢測(cè)的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)以單片機(jī)為控制中心，由粉塵傳感器檢測(cè)空氣中PM2.5的濃度值，并在在液晶屏上顯示，采用9×9鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)置一個(gè)報(bào)警值，如果檢測(cè)到的PM2.5濃度值超過(guò)報(bào)警值，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，有利于使用者實(shí)時(shí)了解空氣質(zhì)量，采取相應(yīng)的處理措施。

2 硬件設(shè)計(jì)

以89S52單片機(jī)為控制單元，采用9x9鍵盤(pán)和LCD1602液晶顯示屏作人機(jī)交互，使用粉塵傳感器檢測(cè)空氣中粉塵的濃度值，在液晶屏上顯示；使用按鍵設(shè)置一個(gè)報(bào)警閾值，如果檢測(cè)到粉塵濃度超過(guò)閾值，蜂鳴器報(bào)警，報(bào)警值的大小可以用按鍵手動(dòng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中粉塵傳感器模塊采用夏普粉塵傳感器GP2Y1010AU0F的Vout引腳輸出灰塵濃度的模擬電壓信號(hào)，將該引腳通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的P0口連接，將粉塵濃度值數(shù)字化后傳送給單片機(jī)，該模塊的工作電壓為5V，可以與單片機(jī)采用同一個(gè)電源供電。單片機(jī)的P1.0引腳與傳感器的LED引腳連接，作為單片機(jī)的地址選擇輸出端，為傳感器提供輸入信號(hào)，啟動(dòng)傳感器。A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809八位A/D轉(zhuǎn)換器。采用LCD1602液晶顯示模塊與單片機(jī)的P0口連接，單片機(jī)使用中斷處理的方式處理液晶顯示與傳感器數(shù)據(jù)采集。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序使用中斷處理液晶顯示與數(shù)據(jù)采集，流程如圖2所示。GP2Y1010AU0F是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，用來(lái)感應(yīng)空氣中的塵埃粒子，其內(nèi)部對(duì)角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使得其能夠探測(cè)到空氣中塵埃反射光，即使非常細(xì)小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測(cè)到。

GP2Y1010AU0F引腳LED驅(qū)動(dòng)時(shí)間輸出電壓會(huì)變動(dòng)，數(shù)據(jù)表給出的規(guī)格值是脈沖周期為10ms脈沖寬度為0.32ms，取樣時(shí)間為0.28ms，同時(shí)傳感器上電后，1s內(nèi)才會(huì)穩(wěn)定，才能檢出，根據(jù)輸出電平的大小變化及輸出電平時(shí)間判斷檢出的物質(zhì)。因此，設(shè)定單片機(jī)驅(qū)動(dòng)GP2Y1010AU0F工作一次的需要1.5s，工作期間不斷發(fā)出工作脈沖，當(dāng)傳感器穩(wěn)定工作后，才能開(kāi)始采樣，為了保證傳感器能夠讀出穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)時(shí)，連續(xù)采樣4次，然后將數(shù)據(jù)取平均值，采樣的參考電壓為5V。

單片機(jī)從傳感器中得到的是電壓值，這個(gè)值不是顆粒濃度的值，輸出電壓值與顆粒物濃度之間的關(guān)系如圖3所示。該系統(tǒng)的能夠正確檢出的范圍在線性區(qū)，最大顆粒物濃度為500微克/m3。根據(jù)圖3所示的曲線，編程時(shí)使用該曲線的擬合直線方程。

使用該測(cè)量系統(tǒng)在48小時(shí)內(nèi)測(cè)量空氣中PM2.5的濃度變化曲線如圖4所示，為4次平均取值后得到的PM2.5濃度值，PM2.5濃度隨時(shí)間變化規(guī)律兩天的趨勢(shì)相似。系統(tǒng)能夠達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：空氣中顆粒物濃度的測(cè)量范圍為0?500微克/m3，測(cè)量精度能夠達(dá)到的±0.1%。設(shè)定的閾值為50微克/m3，在48小時(shí)測(cè)量時(shí)，幾乎所有的時(shí)間內(nèi)都在報(bào)警。

4 總結(jié)

該設(shè)計(jì)是一種以光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器和單片機(jī)為基本元件的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)空氣中顆粒物濃度，并能在顆粒物濃度超出設(shè)置的閾值時(shí)，通過(guò)蜂鳴器報(bào)警。在后續(xù)工作中，還需要將該系統(tǒng)功能擴(kuò)展，增加控制換氣扇等空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)部件，而且還可以將該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

參考文獻(xiàn)

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