空氣監測系統的設計與實現

肖祥威 張皓云 李思熠 吳微 李強

【摘? 要】本文針對空氣污染與監測問題進行了系統研究，提出以單片機為控制核心，利用各種傳感器來檢測周圍溫度、有害氣體以及PM2.5漂浮物的粉塵，并用藍屏LCD12864顯示出檢測到的可燃氣體、PM2.5的濃度和溫度。為了及時監測PM2.5濃度和甲烷等參數還設置了一個閥值，當實測值超過閥值就通過蜂鳴器報警并利用藍牙透傳到手機上以便實時遠程了解室內的環境變化，此系統實現了室內空氣質量的具體參數采集和檢測。該設計輕便、功耗可控，符合儀器小型化的特點，也為以后開發功能更齊全的系統奠定了基礎。

【關鍵詞】空氣污染與監測;傳感器;藍牙;遠程監測;儀器小型化

引言

21世紀，人類面臨著繼“煤煙污染”和“光化學煙霧污染”之后出現的室內空氣污染。其中PM2.5聚集形成的“霧霾”是最危險、最嚴重的污染，它對人類健康和全球環境都是有害的，與較粗的大氣顆粒相比，細顆粒尺寸小，有毒有害物質豐富，與大氣中的霧結合形成霧霾。

根據上述現狀，有必要設計一種可以隨時知道PM2.5含量，可燃氣體泄漏和報警的檢測裝置。空氣質量檢測系統適用于家庭和社區的醫療保健，能實時了解室內空氣質量。它可以監測室內環境參數并反饋報警，以確保最佳的生活環境。可以通過手機了解室內空氣質量變化，確保室內環境健康、安全，使人們生活更美好。

1.系統總體設計

本設計采用硬軟件相結合的方式。將整個硬件電路正確設計出來，然后再寫入正確的程序，使整個系統正確的運行，達到預期的功能。整個設計以STM32F103C8T6芯片為控制核心，連接檢測各種數據的傳感器，包括采集溫度的DS18B20傳感器，負責采集室內溫度數據并發送給單片機。使用粉塵傳感器（GP2Y1014uf）對PM2.5的檢測，使用MQ-2煙霧傳感器模塊采集可燃氣體。負責將采集到的室內可燃氣體（甲烷）發給單片機;藍牙模塊使用的是主從一體的HC-O5型號負責將單片機處理后的數據傳輸給手機端;顯示設備為LCD12864液晶屏;報警采用有源蜂鳴器報警，電源采用5V電源供電。

2.實測方法

2.1可燃氣體檢測技術

根據系統設計的實際需求，采用MQ-2煙霧氣體傳感器。該傳感器可檢測甲烷氣體，所用的氣敏材料是在空氣中具有低導電性的二氧化錫（SnO2）。它是一種N型半導體，當溫度處于200～300度時，SnO2會吸收空中的氧氣，形成帶負電荷的離子，降低了導體電子密度并增加了電阻，當遇到可燃性氣體（如CH4）時，形成了正離子狀態吸附在氧化錫半導體的表面上，降低了電阻值。當空氣中沒有煙霧時，電阻值增加到初始狀態。當半導體煙霧傳感器不使用存放一段時間后，該元件在通電之后不能馬上工作，因為煙霧傳感器中的兩個氧化錫在不帶電時會吸附空氣中的水蒸氣，所以當再次工作時，要進行預熱，一段時間后讓水蒸氣蒸發，氣敏電阻才可以正常工作。

2.2 PM2.5檢測技術

本系統設計采用的光學粉塵傳感器（G2Y1014AU0F）檢測空氣中PM2.5含量，能夠檢測非常細的顆粒。在該裝置中間有一個通孔，對向布置有紅外發射的雙管和光電晶體管，當通孔中間有細小顆粒存在時，折射LED發射出的光線，然后檢測空氣中的反射光。該傳感器具有低電流消耗（大20mA，典型的11毫安），并且可以承載傳感器的7vDC，靈敏度為0.5V/0.1mg/M3。

3.系統具體實現

3.1主流程圖

本設計功能實現要通過主程序對子程序的調用，從而達到預期的目標，能否讓硬件有序規則的實現預期的功能依賴于主程序能否有效實現。系統采用STM32 F103C8T6作為控制核心，對LCD12864進行初始化，再進行報閥值初始化，接下來是各個傳感器的初始化，最后，進入一個循環處理過程，包括讀取由DS18B20溫度傳感器檢測到的溫度，并檢測由MQ-2煙霧傳感器檢測到的甲烷濃度以及GP2Y1014傳感器檢測到的PM2.5濃度。在LCD12864液晶上面顯示出來，最后判斷數據是否大于設定的報警值，若是，則通過蜂鳴器報警并且通過藍牙傳到手機藍牙助手，隨時掌握數據的動態變化，然后開始新一輪的檢測、顯示、判斷。具體程序流程如圖1所示：

3.2 傳感器模塊

本設計采用外部供電的方式驅動，電路簡單，穩定性好。需要加一個5K左右的電阻提高電平的穩定性，DS18B20溫度傳感器有3個引腳，其中一個連接到電源VCC，一個引腳總線接單片機I/O口PA3引腳進行數據傳輸，還有一個引腳接地GND。

本系統采用的是MQ-2煙霧氣體傳感器是一款集成模塊，只需要將其外設引腳與單片機相連即可，第4引腳與單片機的PA5相連，第3引腳空置，第2引腳接地，第2引腳接電。

3.3 顯示程序流程

顯示模塊使用LCD12864 ，它具有自己的字體庫，可以直接調用。本設計LCD12864液晶采用的是串行連接，無論是串行還是并行連接引腳定義不同但工作原理一樣。因為它是串行端口連接，所以LCD12864第15引腳PSB為高電平。具體流程如圖2所示：

4.結語

（1）根據實際情況和目的功能，首先確定各功能模塊的主要元器件，兼顧經濟和高效的標準選擇了合適的32單片機控制器，對溫度模塊、甲烷檢測模塊、PM2.5檢測模塊發送的數據進行處理。

（2）在確定系統的硬件部分以后，根據目的功能，編寫了相應的程序，并進行了調試，確定各功能模塊都能正常工作。

參考文獻

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本文基金：四川省級大學生創新創業訓練計劃項目（S201910616133）