一種無線細微顆粒物檢測裝置的設計

張振濤 王娟

(1.吉林化工學院,吉林吉林 132022;2.吉林工業職業技術學院,吉林吉林 132013)

當今市場上雖然有很多種類的粉塵濃度檢測儀可以對空氣中的PM2.5含量進行檢測,但是這些粉塵濃度檢測儀大多存在生產成本高、體積大不便于攜帶、功耗大等問題。而本設計應用所學的知識,制作一個經濟、簡單、實用的無線PM2.5濃度檢測儀。

1 測量原理

此次設計需使用+5V和+3.3V直流電壓給整個系統供電。通過GP2Y1010AU0F粉塵傳感器將采集到的細顆粒物濃度經A/D轉換傳入STC89C52單片機,并由此單片機進行數據計算和處理。處理后的數據通過nRF905無線模塊傳入接收端的STC89C52單片機中,并在LCD1602液晶屏上實時顯示,當空氣中細顆粒物濃度達到一定程度時蜂鳴器會進行報警[1]。其檢測系統的結構框圖如圖1所示。

空氣中的細顆粒物對光具有一定的散射作用并且根據濃度不同散射值也就相應的會有所不同。濃度較高時,對光的散射作用也會相應的提高。灰塵傳感器GP2Y1010AU0F通過檢測通氣孔中的粉塵。輸出的模擬電壓值經A/D轉換后傳入單片機中。

2 電路設計

2.1 復位電路設計

復位電路主要完成系統的上電復位和系統運行時用戶的按鍵復位工作。復位工作由RC電路完成。接通電源,電容充電。當電容電壓未滿時,該系統復位狀態;電容電壓為門限電壓后,該系統處于正常工作的狀態;閉合開關,電容電壓被釋放,該系統處于復位狀態[2]。

2.2 晶振電路設計

有些通訊系統的基頻和射頻使用不同的晶振,而通過電子調整頻率的方法保持同步。單片機的時鐘電路一般讓XTAL2引腳和XTAL1引腳外接晶振及電容。本設計選用11.0592MHz晶振及兩個20pF電容可以保證系統的穩定性和快速響應。

圖1 檢測系統工作原理圖

圖2 +5V供電電路

圖3 +3.3V供電電路

2.3 供電電路設計

為了滿足各個模塊供電要求,本設計采用+5V和+3.3V電壓供電。如圖2和圖3所示是兩個穩壓電路的電路圖。

電路中AMS1117穩壓芯片將Vin引腳輸入的+5V直流電壓轉換成+3.3V電壓從Vout引腳輸出。AMS1117的輸出引腳與地之間接入電解電容100uF,和0.1uF電容,起到穩定電壓的作用,使電路中能夠穩定的輸出直流+3.3V電壓。

2.4 無線傳輸電路

nRF905是一種采用VLSI ShockBurst技術的單片射頻發射器芯片,可提供高速率的數據傳輸。在發送數據時,給PWR_UP高電平、TRX_CE低電平,將數據寫入nRF905射頻發射器芯片相應的寄存器。為了使工作模式轉為發送模式,給PWR_UP、TRX_CE和TX_EN高電平。當開啟nRF905寄存器時,數據發送出去。所有的數據發送完畢后,DR處于高電平狀態。若寄存器AUTO_RETRAN高電平,將重復發送數據。若TRX_CE低電平時,將會自動進入待機狀態。在接收數據時,若nRF905進入待機模式,接收地址被存儲在射頻配置寄存器,此時進入接收模式。若載波檢測引腳給高電平,此時將檢測到同頻段載波。若接收地址被匹配,則該引腳為高電平。數據被接收檢測后,數據準備引腳高電平時,nRF905進入待機狀態。SPI接口以一定的速率接收數據后,nRF905給地址匹配引腳和數據準備引腳低電平[3]。

2.5 MAX232通信

MAX232芯片是美信公司生產的一種新型的電平轉換芯片,其內部擁有電壓倍增電路和電壓轉換電路。它內部含有4個反向器,可完成TTL/CMOS電平到RS-232C電平的轉換和RS-232C電平到TTL/CMOS電的轉換。由于標準規定,RS232的電平需采用±12V,與STC89C52單片機串行口的TTL電平不一致。因此采用集成電平轉換芯片MAX232進行電平轉換。

3 結語

本設計通過對PM2.5濃度采集、A/D轉換、無線傳輸、LCD顯示,濃度報警等模塊的設計,實現了對空氣中PM2.5濃度的實時監控。具有電路簡單、價格低廉、測量精度高,可達1μg/m3、實用性強、便攜易攜帶等特點。

[1]田偉．室內空氣中顆粒物對人體健康的影響[J].重慶環境科學,2002,(5):58-60.

[2]張建海.基于PIC單片機的空氣凈化器控制系統[J].微計算機信息,2007,(11):113-114.

[3]蘭冰芯,諶海云,陳東,等.基于單片機的PM2.5測試儀的設計與實現[J].物聯網技術,2014,5(11):32-34．