單片機的空氣質量檢測與報警系統設計探析

陳博涵

摘要：近些年，空氣污染問題越來越嚴重，室內空氣質量惡化會引起一系列疾病，在這種背景下，文章針對室內空氣質量問題對單片機檢測系統進行了分析研究。文章在研究的過程中，設計了STC89C52單片機，對空氣質量檢測和報警系統進行設計，這種單片機可以對空氣中的PM2.5、揮發性有機化合物以及二氧化碳等有害氣體的濃度進行實時檢測，然后在通過模數轉換之后將其顯示在LCD液晶顯示屏上，并且當其閥值超過設置的閥值時，蜂鳴器就會發出報警提示。該系統在檢測的時候，由于采用了模塊化設計，其可擴展性比較強，而且可以通過增加相應的模塊，使系統具備一定的智能化功能。

關鍵詞：單片機；空氣質量檢測報警系統；設計

中圖分類號：TP368；TP212；X84文獻標識碼：A文章編號：1673-7164（2020）48-0068-04

人們越來越關注空氣污染問題，因為空氣污染不僅給自然環境帶來了一定的影響，同時也給人們的健康生活造成了嚴重影響，目前追求健康的生活環境已經成為人們共同的觀念。近年來，隨著工業的不斷生產，在節日燃放的大量煙花爆竹，還有城市汽車的增加，這些都給人們的生活環境帶來一定的污染。空氣中所含污染物的數量不僅體現了空氣的污染程度，而且也反映出了空氣質量的好壞。

室內空氣質量差會導致人們出現心血管疾病或呼吸道等問題，PM2.5或甲醛等有害氣體也會存在于室內空氣中，影響人們的身體健康。而且一些較細小的顆粒，由于停留時間較長，自身所帶的毒性也非常大，對人體有巨大傷害。如甲醛，屬于一級致癌物。因此，在人類健康發展過程中，對空氣質量進行有效的改善非常重要[1]。基于此，文章針對空氣質量檢測，設計了STC89C52單片機，并將其作為檢測的核心，這種系統電路的穩定性比較高，抗干擾能力非常，操作簡單，處理速度較快，同時這種系統的電路能夠實時監測室內的環境，能有效保障室內的空氣質量。

一、系統組成及工作原理

研究對空氣質量檢測系統進行了有效的設計，在進行檢測時把STC89C52單片機作為了檢測過程中的核心部分。在檢測空氣室內質量時，利用溫度和濕度傳感器、PM2.5傳感器、甲醛傳感器等模塊來對其控制質量進行檢測。圖1為系統功能框圖：

在進行檢測的過程中，PM2.5傳感器和溫濕度傳感器等利用模數轉換片將收集的模擬信號進行有效轉換，然后利用單片機對數字信號進行處理，在控制聲光報警系統和LCD顯示器時，再利用單片機來對其進行有效的控制，使數據實現顯示，同時，也把空氣中的PM2.5值和溫濕度以及甲醛濃度有效地顯示了出來。此外，用戶也可以通過輸入模塊，對溫度和濕度的閥值進行設置，如果溫度和濕度的閥值比設置的閥值高，聲光報警系統就會自動進行報警，通過這種方式有效地提醒用戶要及時的注意室內的空氣質量，并進行有效改善和優化[2]。

二、硬件系統設計

該系統在設計的過程中，對檢測系統的設計利用了STC89C52單片機、ADC0832模數轉換器、DHT11溫濕度傳感器、LCD1602液晶顯示器、GP2Y1014UPM2.5傳感器以及ZE08-CH2O甲醛傳感器等硬件。

（一）單片機最小系統

STC89C52單片機的研發是由宏晶科技而研發，這種單片機目前最新的單片機，其特點是抗干擾能力非常強、高速、功耗低。并且，STC89C52單片機中的指令能夠兼容傳統的單片機，當用戶選擇單片機的過程中，可以為用戶提供不同的時鐘周期，第一種時鐘周期是6時鐘周期，第二種是12時鐘周期。而且它的電壓在工作過程中，其工作范圍是3.3V到5.5V，或2.0V到3.8V，工作頻率是0到40MHz，在實際工作時，其頻率可達到4848MHz。

單片機最小系統由復位電路和電源電路及時鐘電路這三個電路組成，是為單片機正常工作提供電源電壓的部分最小系統的電源電路。時鐘電路又分為兩種工作方式，第一種工作方式是外部時鐘，第二種工作方式是內部時鐘，時鐘電路通過產生時鐘脈沖信號，來為單片機工作提供時鐘節拍；而復位電路在單片機異常運行的時候，可以將其恢復到最初始的狀態，而這也是單片機系統中最不可缺少的一部分[3]。外部時鐘電路是使用現成的外部振蕩器而產生的脈沖信號，通常應用在多單片機同時工作中，這樣更加方便它們之間同步。所以，在這個設計中，所采用的是內部時鐘的方式電路，在單片機的內部中反相放大器，它的輸入斷的引腳為XTAL1，輸出端引腳為XTAL2。兩個引腳再接一個石英晶體和兩個電容，每個電容的另外一端都要在接到地上，從而構成一個相對穩定的屬于自己的振蕩器。而電容的C1和C2的大小會給振蕩器頻率的高低以及其穩定性和起振的快速性產生一定的影響，所以，晶體振蕩器的頻率范圍一般情況下是在1.2到12MHz，當其頻率越高的時候，系統的失真頻率就會隨著越來越高，而單片機的運行速度也會隨著越來越快[4]。

而復位電路也分為兩種方式，一種是上電自動復位，另外一種是按鍵復位。其中按鍵復位方式是通過RST端，然后再經過電阻和電源接通而實現的。而在本文設計中使用的按鍵電平復位電路，在進行按鍵的時候，電容器會被進行短路放電，然后直接加5V到RST上面，使其達到高電平，從而進行復位。當松開按鍵以后，電源就會開始對電容器充電，此時充電電流在電阻上面，并形成高電流送到RST，但其仍然是復位的狀態，在充電結束以后，電流會降到0，電阻上的電壓也會降到0，而RST則會降為低電平，然后再開始進行工作。

（二）PM2.5傳感器

GP2Y1010AU0F型號的PM2.5傳感器屬于粉塵傳感器系統，這種系統在工作的時候，其工作原理是基于光學傳感器的基礎之上來進行工作的[5]。一敏轉換器和紅外發射二極管在設備上呈對角的方式排列。它可以對空氣中灰塵的反射光進行探測，尤其是針對空氣中的一些比較細小的微顆粒，可以進行有效的探測，比如香煙濃霧等。而且其可以利用電壓波形的不同，對室內的煙霧和灰塵進行表示與區分。因此，這種類型的傳感器能夠有效采集室內的細微顆粒。

（三）ADC 0832模數轉換器

ADC0832模數轉換器是由美國的半導體公司而研發和生產的，其特點是有雙通道模擬數字轉換芯片，這種轉換器的性價比非常高，而且它本身的特點也非常多：比如兼容性比較強，轉換的速度也非常快，具有一定的穩定性，體積也比較小。所以，這種轉換器在剛開始推出時就得到了廣泛地應用。此外，由于該模數轉換器的分辨率有八位，而且其最大的分辨率能夠達到256級，可以有效地滿足一般用戶的模擬量的需求[6]。因此，其可以利用ADC0832有效的轉換成單片機，從而來對數字量進行有效處理。

（四）LC D1602液晶顯示

在目前的電子通用器件中，LCD液晶顯示器是非常流行的器件，這種液晶顯示器可以用作家用電器、電子表等器件的屏幕顯示器，液晶顯示器在顯示的時候，顯示的大部分都是圖形和數字以及專用符號[7]。在設計系統的過程中，使用的液晶顯示器為LCD1602型號，此液晶顯示器是長沙太陽人公司研發的，其顯示器的特點也非常多，不僅顯示質量較好，而且液晶顯示器的體積和重量也較小，在功耗方面消耗的也非常低，因此得到了廣泛使用。另外，該顯示器主要是用來顯示字母和數字的點陣式液晶顯示器，它可以利用其液晶顯示屏，將空氣中的溫濕度以及PM2.5等有效的顯示出來。

（五）S GP30氣體傳感器

SGP30氣體傳感器所使用的傳感器是集成多個元件的氣體傳感器，它可以有效檢測空氣中的二氧化碳以及揮發性有機化合物的含量，揮發性化合物所檢測的范圍是在0ppb到60000ppb，而二氧化碳所檢測的范圍是在400ppm到60000ppm之間，并且通過利用STC89C52單片機中的IIC協議來對其進行有效的讀寫和操作。

（六）蜂鳴器報警

文章在設計的時候選用的是有源蜂鳴器，而且有源蜂鳴器相比較無源蜂鳴器來說，其控制方式更為簡單，有源蜂鳴器只需要通過交變信號的驅動使內部的磁場發生變化。有源蜂鳴器只要將直流加在蜂鳴器上，就可以驅動蜂鳴器進行正常的工作。有源蜂鳴器與無源蜂鳴在價格上相差無幾，有源蜂鳴器對電壓的使應范圍比較廣，而且壽命也較長，可以對蜂鳴器的電壓值進行調整，控制蜂鳴器的聲音響度，設計起來也較為方便，而且當比設置的閥值高的時候，就會有報警提示，當比設置的閥值低的時候，報警系統就會停止發聲[8]。因此，通常情況下都會選擇有源蜂鳴器。

三、系統軟件設計

空氣檢測系統在進行設計的過程中，一般是由兩個部分來進行完成的，首先是硬件設備，第二部分就是軟件設計，上面介紹了硬件系統設計，下面介紹一下軟件設備，軟件設計主要是對系統和硬件系統進行有效的控制和驅動，然后在與不同的系統功能進行有效的結合，而軟件在設計的過程中，一般包括下面幾個模塊設計：甲醛檢測子程序設計、PM2.5檢測子程序設計、主程序設計以及溫濕度檢測子程序設計等。

（一）主程序設計

單片機在通電以后就會進入主程序進行工作，在主程序工作的時候，會先進行初始化，而初始化單片機子程序中的主要的參數有：中斷程序初始化、傳感器參數初始化、LCD液晶顯示初始化以及時鐘初始化，當初始化工作完成以后，主程序就會進入到采集數據的階段，對各類的傳感器的相關數據進行有效的采集，采集完數據之后，再通過ADC0832的有效利用，將采集的數據轉化成單片機可以處理的數字量，最后在液晶顯示屏中顯示出來[9]。當采集的數據比設置的閥值高時，系統就會進行聲光報警，這個時候按鍵動作會中斷，然后再執行對應按鍵加減程序。

在檢測溫濕度的過程中，是利用DHT11型號傳感器來進行檢測的，但是在采集溫濕度前，需要先將數據的引腳拉低，在拉低18ms之后，再拉低主機和總機，將其拉低20us，然后再進行設置，把主機設置出入模式，等待數據輸入，并判斷是否有信號發生響應，如果信號沒有發生響應的話，那么就要再重新拉高，再觀察信號有沒有響應；如果有響應，程序會繼續執行，進入到接受數據的模式，在剛開始接受溫濕度傳感器所才采集到的溫濕度數據的時候，接收的是一個16位數據，在所接收到的16位數據中，高的8位是整數，低于8位的是小數，最后再利用單片機進行處理。

（二）PM2.5檢測子程序設計

在檢測PM2.5的過程中，采用的是GP2Y1014U型號的傳感器，當其在單片機的出口經過的過程中，要與其通信，當單片機接收數據后，則再來判斷數據是否接收到了PM2.5數據信息，最后再來識別，識別的過程中，如果發現“0xaa”關鍵字，則含有PM2.5信息。然后再把PM2.5數值提出來顯示在液晶顯示器上，如果沒有關鍵字，則要再重新返回去充分接受M2.5傳感器等所采集的數據，再對其進行檢測。

四、結語

近幾年，社會的不斷發展以及工業化的生產，給人們的生活環境和空氣造成了一定的污染。目前人們越來越重視健康的生活，在這種背景下，家居內的空氣質量成為了人們比較關注的問題。而且空氣質量也給人們的生活和工作帶來一定的負面影響，而且如果室內的空氣質量比較差的話，也會給人們的身心健康帶來危害。室內的甲醛危害性也比較大，這也是導致疾病的主要原因，而一些比較細小的微顆粒，其本身就帶有非常強的毒性，會給人們的身體健康帶來嚴重的危害[10]。

文章在研究的過程中，設計了STC89C52單片機，對空氣質量檢測和報警系統進行設計，這種單片機可以對空氣中的PM2.5、揮發性有機化合物以及二樣化碳等有害氣體的濃度進行實時檢測，通過模數轉換之后將其顯示在LCD液晶顯示屏上。當其閥值超過設置的閥值時，蜂鳴器就會發出報警提示，這種設計不僅簡單、成本較低，也突破了市場上檢測器功能單一的缺陷，普通家庭也容易接受。該系統在檢測的時，由于采用了模塊化設計，其可擴展性比較強，而且可以通過增加相應的模塊，促使系統具備一定的智能化功能。文章首先分析了系統組成及工作原理，然后對單片機中的硬件系統設計做了分析，最后對單片機系統軟件設計進行了分析研究，希望通過上述分析可以為人們調節室內空氣質量提供幫助。

參考文獻：

[1]馬振興，李寧，霍大勇，等.基于單片機的室內空氣質量檢測器的設計[J].電子世界，2020（10）：119-121+124.

[2]關靜麗，曹榮敏，柏森.基于MSP430的空氣質量檢測儀設計[J].自動化與儀器儀表，2020（07）：94-97+101.

[3]蘭羽，方維奇.一種多功能空氣質量檢測系統設計[J].機械與電子，2019，37（11）：54-57.

[4]楊菲.室內空氣質量檢測與報警系統的設計與實現[J].電子制作，2020（03）：29-30+28.

[5]謝瑩，劉丹丹，趙顯豪.基于單片機的空氣質量檢測系統設計[J].數碼世界，2018（12）：138.

（薦稿人：趙加坤，西安交通大學電信學部軟件學院副教授）

（責任編輯：莫唯然）