基于單片機的空氣質量檢測儀設計

◇咸陽師范學院 郝海燕 龔 杰

如今，在經濟的帶動下，人們的生活水平是越來越好。但也滋生了許許多多的問題，大氣污染便是其中問題之一。令我們憂心的是，大氣的污染不僅會帶來諸多的惡劣天氣，更會影響到我們的身體健康，基于此原因，本文利用單片機來制作一款可以檢測空氣質量的儀器。利用此儀器可以方便、快捷、準確的檢測出當前的空氣質量，以便人們對此做出相應的準備，從而應對大氣污染。

一直以來，煤炭是我國主要的能源之一，由于長期開采和使用，因此也變成了大氣污染的主要成因之一。隨著工業化的快速發展，我國的大氣環境越來越差，不僅威脅到人們的健康還存在發生環境災變的隱患。

1 系統總體方案

本次設計主要是結合單片機理論知識和實踐的可行性，在此基礎上設計一款空氣質量檢測儀。該設計主要由主控芯片模塊、功能顯示模塊、功能報警模塊、功能按鍵模塊、功能信號采集模塊、功能凈化模塊組成。各部分相互依存、相互影響共同構成了空氣質量檢測儀系統。各大模塊的具體構成包括有：主控芯片模塊包括主控芯片，晶振電路和復位信號電路；功能顯示模塊主要包括LED顯示電路和LCD的顯示電路；功能報警模塊包括蜂鳴器報警電路；功能信號采集模塊包括PM2.5檢測電路和A/D轉換電路；功能按鍵模塊包括獨立按鍵電路和開關按鍵電路；功能凈化模塊包括負離子凈化電路。重點在于主控芯片，功能顯示和信號采集的各器件的選擇。

圖1 空氣質量檢測儀系統總體方案

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片的選擇

選擇STC89C51單片機控制芯片作為主控芯片，該主控芯片共有兩個定時計數器和兩個外部中斷。它具有成本低廉、結構相對簡單、容易控制等優點，其性能價格比遠高于同類芯片。

基于本次設計要求，通過對比市面上的多種芯片，考慮到成本、實時性、操作性強等問題。此芯片不僅可以滿足本次設計的要求，而且外圍電路簡單、硬件設計方便。

2.2 模數轉換模塊的選擇

采用ADC0881作為模數轉換器，它是一種單片、快速的8位模數變換器，它具有集成度高，能夠節省空間、減少體積、簡化線路板的布線設計、優化系統的性能等優點，但不過成本較高、內部結構復雜且不易操作、實用性不強 。

基于本次設計的要求?？紤]到經濟適用、操作簡單、可靠性好，且都能達到最終目的。綜合考慮，最終便使用此模塊。

2.3 傳感器模塊的選擇

方案一：采用SDS011傳感器作為空氣的濃度檢測模塊，它能直接讀出十六進制數，雖然測的靈敏度高，但成本比較高，操作比較復雜，一般不采用。

方案二：利用夏普粉塵傳感器GP2Y10 10AU0F作為空氣濃度的檢測模塊，它是一種粉塵煙霧傳感器，能檢測出非常細微的顆粒。其輸出的是與空氣中粉塵濃度成正比的電壓模擬量，需通過A/D采集后轉化成數字量顯示濃度值。由于價格便宜、經濟適用、靈敏度相對于其它的高，一般市場采用此傳感器。

通過對上述方案的比較，都能夠實現檢測空氣中的濃度，不過綜合考慮選擇方案二。

2.4 顯示模塊的選擇

使用LCD1602液晶作為顯示模塊。他顯示的內容為16×2，既可以顯示兩行，每行16個字符。它具有背光調節功能，只需要調節外部電位器便可時時調節背光、改變對比度，來控制顯示的亮度，同時單片機的I/O引腳的驅動電流既可驅動LCD1602，而且價格便宜、可插拔性強、功耗較低、顯示內容多樣性、外表美觀、體積小等優點，這些優點是其他顯示器無法相比的。

2.5 凈化模塊的選擇

使用負離子凈化器。它的原理是強電場產生負離子與顆粒污染物相結合，使其沉淀或者吸附在物體表面，其優點是殺滅細菌，凈化效果比較好。

通過一系列的比較比較，使用此種進化模塊的實用性強，能更好的凈化空氣。

2.6 按鍵模塊的選擇

方案一：選用矩陣鍵盤，可以更大程度上的使用上面的I/O端口，但程序比較復雜，多用于按鍵比較多的電路。

方案二：選用獨立按鍵式，每個端口獨立工作。程序編寫簡單，操作簡單。

通過上述兩個方案比較，由于此次設計的按鍵個數不多，又能滿足要求，綜合考慮選擇方案二。

3 系統軟件設計

系統主程序的入口為main()函數，先對系統進行初始化，然后進入主程序，當按下菜單按鍵，LCD顯示菜單功能界面。根據設置的報警值，判斷測得的濃度是否達到報警值以及開啟凈化器。利用1602實時反應整個檢測裝置的運行。主要程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 系統仿真與測試

4.1 仿真

首先進行keil的仿真，對于單片機來說，keil軟件是必不可少的，它有著強大的仿真和編輯功能。再利用Proteus進行仿真，其具體過程如下所示。

當按下設置鍵后，通過加減鍵設置參考值為300 μg/m3時，調節可變電阻使得實際測量值為125 μ g/m3時，小于設定值的一半時，綠色LED燈亮，表示空氣質量良好。當按下設置鍵后，通過加減鍵設置參考值為300 μg /m3時，調節可變電阻使得實際測量值為180 μ g/m3時，大于設定值的一半且小于參考值時，黃色LED燈亮，表示空氣質量一般。當按下設置鍵后，通過加減鍵設置值設定為300 μ g/m3時，調節可變電阻使得實際測量值為320 μ g/m3時，大于設置設定值，紅色LED燈亮，并且蜂鳴器報警，表示空氣質量差，然后紫色LED亮，表示開啟凈化器。電路仿圖結果如圖3所示。

圖3 實物設計圖

4.2 實物調試

在預測功能上，經過一系列的仿真之后，實現預測的功能，最后便是購買器件在進行焊接調試，經過調試后，預測的功能在實物圖已經實現。調試前的如圖4所示。

圖4 實物圖

5 結語

該設計的難度就是在傳感器的選擇和A/D轉換器的選擇上，經過翻閱和查找相關資料，終于找到的了日本公司生產的夏普粉塵傳感器GP2Y1010AU0F和美國公司生產的ADC0832轉換器，由于它們比較經濟使用，便于操作，有利于我們做空氣質量檢測儀的元器件。筆者學習了它們的原理和用法，不僅對本次設計有所幫助，也提高了筆者的操作能力和運用知識的能力。