基于單片機的PM2.5檢測儀設計

姚展

摘要：中國經濟飛速發展，城市化進程不斷加快，大氣污染對人們的身體引發一系列病癥。對于PM2.5檢測儀研究，具有一定的社會價值。本設計以GP2Y1010AU0F傳感器來采集環境中的PM2.5的濃度數值，通過模數轉換器將信號轉傳送給單片機，對其進行處理。經實驗證明，本設計可以有效的檢測出有害氣體成份，當濃度超出預設值，系統將自動報警，并打開排氣扇降低有毒氣體濃度。本設計可以較廣泛地應用在家庭、工作場所作為報警設備，具有一定的市場前景。

Abstract： With the rapid development of China's economy and the acceleration of urbanization， air pollution has caused a series of diseases to people's health. For the research of PM2.5 detector， it has certain social value. In this design， GP2Y1010AU0F sensor is used to collect PM2.5 concentration value in the environment， and the signal is transmitted to MCU through analog-to-digital converter for processing. Experiments show that the design can effectively detect the harmful gas components. When the concentration exceeds the preset value， the system will automatically alarm， and open the exhaust fan to reduce the concentration of harmful gas. This design can be widely used in families and workplaces as alarm equipment， and has a certain market prospects.

關鍵詞：單片機;PM2.5檢測儀;灰塵傳感器

Key words： single chip microcomputer;PM2.5 detector;dust sensors

中圖分類號：TP317 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0154-03

0 ?引言

改革開放以來，中國經濟飛速發展，城市化進程不斷加快，但隨之而來的大氣污染問題也日益突出。 2013年，互聯網上一組關于西安大雁塔霧霾之前與霧霾之后對比的圖片引起了人們的熱議[1]，網友們紛紛發來“賀電”——祝賀“大雁塔成功發射”。同樣，2016年，一張“灰鍋蓋”籠罩南京的圖片在互聯網上廣為傳播。近年來，互聯網上諸如此類的消息屢見不鮮，這種種現象都向我們昭示了大氣污染問題迫在眉睫。作為影響灰霾天氣形成的重要部分，PM2.5也被人們投入了更多的關注。PM2.5，也稱可吸入性細顆粒物，是指顆粒直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，人類生產活動是它主要的排放源。

根據世界衛生組織的調查研究表明，在全球，由于空氣污染所造成的人身健康危害而導致的早亡事例，已超過年平均兩百萬。美國國家環境保護局進行了細顆粒物對于健康效應所造成的影響的分析，此次分析表明了由于空氣污染所造成的早亡而導致的經濟損失達到了所有損失的百分之八十九之多。隨著社會的進步，人們對于PM2.5的了解越來越深入，對其所產生的危害也更加警惕。各個國家對于大氣顆粒物的研究逐漸轉向了細顆粒物，嚴格的空氣質量標準也開始逐漸被制定執行。PM2.5開始正式作為監測指標是在1997年，美國最早將其納入空氣質量檢測的監測標準其中之一，隨之其后，PM2.5逐漸開始被各個發達國家列入監測指標，并制定相關標準。隨著人們對PM2.5的日漸重視，國外的一系列研究人員進行著各種與其相關的研究。

1 ?系統工作原理

本設計的PM2.5檢測儀需要實時檢測當前PM2.5濃度值，且具有報警提示功能。本設計要求能夠實時的對環境細顆粒物濃度進行采集，并且能明了準確的對采集數據進行顯示，而且當所檢測到的數值濃度在不同區間時，系統能夠進行予以區分的報警提醒，還有，當需要時系統還能夠進行復位和設置。根據要求，此系統需要具備主控制器，PM2.5數據采集模塊，顯示模塊，報警模塊，輸入設備等。PM2.5數據采集部分檢測灰塵濃度，其輸出數據經處理后傳給主控制器，主控制器反應后通過顯示模塊顯示出來，濃度數值處于不同區間時給予不同的報警反應，并且通過輸入設備，可以完成對系統的設置及復位功能。

2 ?硬件系統設計

本系統包括核心控制器、輸入模塊和輸出模塊。本設計選擇使用單片機作為核心處理器，對輸入模塊所傳輸的信號進行處理，并且提供相應的信息給輸出模塊。輸入設備采用灰塵傳感器作為PM2.5檢測器件，使用按鍵電路來完成設置與復位功能。輸出設備分為顯示部分和報警部分，顯示模塊需要能清晰明確的完成數據顯示功能，報警模塊需要有三級污染程度顯示，可以進行聲音報警提示。

2.1 PM2.5數據采集電路

本設計的檢測裝置采用GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，其能夠實時采集環境中的細顆粒物濃度。此傳感器輸出量為電壓模擬量，而STC89C51RC單片機沒有內置的數模轉換裝置且其能接受處理的信號為數字信號，則需要一個A/D轉換器將傳感器輸出的模擬量轉換成單片機能夠處理的數字量。灰塵傳感器與A/D轉換器的CH0口相接，模數轉換器的■口接單片機的P1.3口，CLK口接P1.0口，DO、DI接其P1.1口。

2.2 報警電路

污染級別提醒電路的目的是提醒人們當前環境PM2.5濃度大致的污染程度，也屬于報警模塊的一部分。此提醒電路采用紅、黃、綠三種顏色的LED燈作為三種不同程度污染的提醒器件，當PM2.5濃度在人們可接受范圍之內時綠燈亮，當PM2.5濃度超出設定值的一半時黃燈亮起，代表此時環境中的細顆粒物濃度已經超出安全范圍會對人們產生一定危害，提醒人們要注意做好防范措施，而當紅燈亮起時則代表此時的PM2.5濃度超出設定值，已經達到嚴重危害人們健康的程度，警示人們此種情況盡量不要出門并做好防范措施。

2.2 顯示電路

本設計采用1602液晶顯示屏作為顯示器件，其作用是顯示當前實時檢測到的細顆粒物濃度及所設定的PM2.5限定濃度值。其D0至D7引腳與單片機P0口依次相接，此時P0口需要在外面連接電阻才可以使得輸出產生高電平。液晶顯示屏的寄存器選擇端RS、使能端E分別接P2.7、P2.6接口，當使能端為低電平時，液晶顯示屏開始工作。

2.3 系統硬件電路

系統硬件總體電路主要包括控制器部分，輸入部分和輸出部分。輸入部分由PM2.5數據采集電路和按鍵輸入電路組成;控制器部分由單片機，晶振電路及單復位電路組成;輸出部分由液晶顯示電路、聲報警電路和光報警電路組成。硬件總電路如圖2所示。

3 ?系統軟件設計

本設計主要包含PM2.5數據采集部分、液晶顯示部分和報警部分。程序運行開始，先分別對系統進行初始化，包括有液晶屏、傳感器等的初始化，告知傳感器使得傳感器檢測傳輸有關PM2.5的數據信號，液晶屏進行當前PM2.5濃度數值及限定值的顯示工作。然后判斷按鍵是否按下，當設置鍵按下，系統執行限定值修改功能，此時若對增減值鍵進行操作可對限定值進行修改;設置鍵未按下時，按下其與的兩個鍵不起作用。接下來判斷當前濃度值是否超過設定值或者其二分之一，如果超過則進行相應的報警提示工作，如果沒有超過，則進行下一輪的數據采集工作，重復以上步驟。

3.1 顯示函數

顯示程序的作用是驅動顯示屏對數據進行顯示，針對LCD1602的程序編寫首先需要對其包括RS、RW和E等管腳進行定義，接下來需要完成對液晶顯示屏初始化的編寫，之后開始延時程序的執行工作，等待單片機輸出經傳感器采集的數據信息。以上完成之后，開始完成顯示地址的設置，也就是完成寫顯示字符位置的工作，然后對于數據進行寫入，數據傳輸完畢后，液晶顯示屏會讀取寫入的地址并完成顯示，最后返回。

3.1.1 LCD1602初始化

對LCD1602的使用，需要先行對其完成初始化程序編寫。當系統處于運行狀態時，LCD1602需要先開始初始化，完成之后顯示所設置好的初始狀態，并且為接下來的PM2.5濃度數值顯示進行準備工作。

3.1.2 設置地址

LCD1602為16×2位的液晶顯示屏，設計需要將PM2.5濃度數值及設置的限定值顯示在屏幕上，為了達到清晰明了的效果，需要對顯示字符進行布局，例如如需將字符居中顯示，則需設置其從某一行的某個字符開始顯示。液晶屏完成初始化之后，屏幕上顯示初始狀態，經過一段延時時間后，開始顯示當前測量的濃度數值。當進入設置功能時，可以對顯示屏的某些位進行修改。

3.2 ADC0832模數轉換

在設計程序的過程中需要完成對A/D轉換器的程序編寫，首先要做的是對ADC0832引腳的定義工作，然后進行初始化編程，結束之后對進行轉的換通道予以選擇，之后，接收讀取由傳感器傳輸的信息，完成比較式數據讀取，以上步驟成功后釋放傳送給單片機。單片機需要反復讀取50次由轉換器所輸送的數據并進行處理后送達顯示。關鍵程序如下：

DA=adc0832（0）

DA=DA*（float）（DA/5）

3.3 報警函數

本設計報警功能分為聲報警和光報警，進行程序設計的時候需要分別對兩功能進行編程。報警函數的執行過程如下：當顯示屏讀取并予以顯示當前粉塵濃度數值后，報警函數開始進行濃度值與限定值的判斷，當分別低于限定值的一半、高于限定值或者處于兩者之間時，進行相應的報警提醒，當濃度超過限定值時啟動聲報警。主要程序如下所示：

if（DA>=WARNING）

if（DA=WARNING/2）

4 ?仿真實驗結果及討論

此次設計所選用傳感器在Protues元器件庫中不包含，因此仿真過程中選用代替器件用以模擬PM2.5濃度檢測過程，此灰塵傳感器輸出量為電壓模擬量，因此選擇電位器模擬其輸出。

PM2.5限定濃度值為500ug/m3，調節電位器，當輸入電壓處在不同的范圍時，會產生不同的報警提示，有如下三種情況。

情況一：調節使得當前濃度顯示為414ug/m3，此濃度小于限定值但大于其一半，此時黃色燈亮起，表示重度污染情況。仿真效果如圖4所示。

情況二：顯示濃度值為884ug/m3，此時仿真PM2.5濃度值大于限定值的情況，此時紅色燈亮起，并且啟動聲報警功能進行發聲提醒，表示當前已處于重度污染環境。仿真效果如圖5所示。

5 ?結論

隨著大氣污染的日益嚴重，有關PM2.5的話題也逐漸引起了人們的熱議。隨著人們對其危害的了解的深入，迫切需要掌握身邊環境狀況的心里也隨之出現，一款經濟實惠、簡單方便的PM2.5檢測儀也就有一定地應用價值。

本設計以GP2Y1010AU0F傳感器來采集環境中的PM2.5的濃度數值，通過模數轉換器將信號轉傳送給單片機，對其進行處理后，進行顯示。

經實驗證明，本設計可以有效的檢測出有害氣體成份，當濃度超出預設值，系統將自動報警，并打開排氣扇降低有毒氣體濃度。本設計可以較廣泛地應用在家庭、工作場所作為報警設備，具有一定的市場前景。

參考文獻：

[1]鳳凰資訊.西安大雁塔霧霾市民：被“發射”[EB/OL].http：//news.ifeng.com/society/2/detail_2013_12/20/32292168_0.shtml，2013

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[2]覃輝艷.大氣污染顆粒物 PM2.5誘導人支氣管上皮細胞凋亡及其機制探討[J].廣西：廣西醫科大學，2012.

[3]常旭紅，張鈺，吳建茹.大氣顆粒物暴露與人體心血管疾病急性效應關系研究的系統評價[J].東南大學學報（醫學版），2012，31（1）：1-8.

[4]孟曉艷，魏楨，王瑞斌等.灰霾試點城市PM_（2.5）濃度特征及其影響因素分析[J].環境科學與技術，2013（09）：82-86.

[5]楊新興，馮麗華，尉鵬.大氣顆粒物PM2.5及其危害[J].前沿科學，2012（01）：24-33.