PM2.5濃度無線檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 昊，孔令榮

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇泰州 225300)

PM2.5，即直徑≤2.5 μm的細(xì)顆粒物，其在空氣中濃度含量越高，代表著空氣污染越嚴(yán)重。由于環(huán)境的污染、氣候的異常，PM2.5造成呼吸道疾病頻繁發(fā)生，影響身體健康。本文設(shè)計(jì)了一種PM2.5濃度無線檢測系統(tǒng)，結(jié)合單片機(jī)、傳感器和無線接收發(fā)技術(shù)，通過單片機(jī)控制GP2Y10傳感器采集PM2.5濃度，無線傳輸及讀取PM2.5濃度，具有PM2.5濃度無線檢測，實(shí)時(shí)濃度顯示及超值報(bào)警的功能，可應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中。采用GP2Y10傳感器，檢測PM2.5濃度;無線檢測發(fā)送端通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將GP2Y10傳感器輸出模擬電壓信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，送給發(fā)送端單片機(jī)AT89S52，控制nRF24L01無線模塊，完成數(shù)據(jù)發(fā)送;無線檢測接收端單片機(jī)AT89C52接收nRF24L01無線模塊數(shù)據(jù)信息，顯示于LCD顯示屏，實(shí)時(shí)控制報(bào)警電路。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

PM2.5濃度無線檢測系統(tǒng)分為PM2.5濃度無線檢測發(fā)送端和PM2.5濃度無線檢測接收端兩部分，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其中PM2.5濃度無線檢測發(fā)送端進(jìn)行PM2.5濃度采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，PM2.5濃度無線檢測接收端進(jìn)行PM2.5濃度數(shù)據(jù)接收。系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為控制核心，涵蓋PM2.5濃度采集模塊、無線通信模塊、LCD顯示模塊、報(bào)警模塊。PM2.5采集模塊

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主體硬件設(shè)計(jì)包括PM2.5濃度采集模塊，nRF24L01無線模塊，LCD顯示模塊和報(bào)警模塊。

2.1 PM2.5濃度采集模塊

PM2.5濃度采集模塊的核心為GP2Y10傳感器。GP2Y10傳感器由SHARP公司制造，屬于光學(xué)傳感器，是由一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)光電晶體管對角布置所組成的設(shè)備，可檢測空氣中細(xì)小塵埃的反射光，尤其是可檢測到空氣中微小的顆粒，如香煙煙霧。此外，還可通過輸出電壓的脈沖模式來區(qū)分是否為房間內(nèi)的煙霧［1］。GP2Y10傳感器電路連接如圖2所示。

圖2 GP2Y10傳感器電路連接圖

圖2中，P1為GP2Y10傳感器在電路中的插口［2］。1腳為GP2Y10傳感器內(nèi)部紅外發(fā)光二極管供電端，和6腳一同接電源;2腳為GP2Y10傳感器內(nèi)部紅外發(fā)光二極管接地端，與4腳一同接地;AT89S52的P1.6引腳接在Q0的基極，Q0的集電極接GP2Y10傳感器3腳，發(fā)射極接地;5腳為輸出引腳，連接ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)化器的數(shù)據(jù)通道CH0。編寫程序，控制P1.6引腳，模擬3腳紅外發(fā)光二極管驅(qū)動周期(規(guī)格值為脈沖周期10 ms，脈沖寬度 0.32 ms，取樣時(shí)間 0.28 ms)。待GP2Y10粉塵傳感器通電1 s后穩(wěn)定，根據(jù)GP2Y10的5腳輸出電壓值，判定濃度的檢出。一般判斷方法為:從輸出電壓的變化量來做判定，判斷此時(shí)的濃度，另外，還可以根據(jù)輸出電平在時(shí)間上的變化量，檢出對象物的種類進(jìn)行判別［3］。再通過ADC0832將模擬電壓值轉(zhuǎn)為數(shù)字量，送給發(fā)送端AT89S52。

2.2 nRF24L01無線模塊

系統(tǒng)包含兩個(gè)nRF24L01無線模塊，分別位于PM2.5濃度無線檢測發(fā)送端和接收端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。nRF24L01無線模塊內(nèi)部包括射頻接收發(fā)機(jī)，可工作于2.4～2.5 GHz的ISM頻段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的短距無線傳輸［4］，其與單片機(jī)AT89S52連接的原理如圖3所示。

圖3 nRF24L01無線模塊原理圖

圖3中，單片機(jī)AT89S52的引腳P2.0連接CE端，實(shí)現(xiàn)發(fā)送或接收模式選擇;P2.1連接SPI片選信號CSN端;P2.2連接SPI時(shí)鐘信號輸入SCK端;P2.3連接MOSI，實(shí)現(xiàn)SPI數(shù)據(jù)輸入;P2.4連接MISO，實(shí)現(xiàn) SPI數(shù)據(jù)輸出。通過設(shè)置P3.2控制可屏蔽中斷腳IRQ。XC1、XC2與外部晶振連接，給nRF24L01內(nèi)部鎖相環(huán)提供基準(zhǔn)頻率。ANT1、ANT2與電感 L1、L2、L3連接，作為天線接口。

系統(tǒng)設(shè)置nRF24L01工作在增強(qiáng)型ShockBurst模式下［5］。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將nRF24L01配置為發(fā)射模式，通過AT89S52引腳P2.3將接收節(jié)點(diǎn)地址和有效數(shù)據(jù)按照時(shí)序由MOSI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，CE置為高電平并保持至少10 μs，延遲130 μs后發(fā)射數(shù)據(jù)。發(fā)送成功后，將 CE置低，使nRF24L01進(jìn)入空閑模式。接收數(shù)據(jù)時(shí)，將 nRF24L01配置為接收模式，延遲130 μs后進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來［6］。當(dāng)接收方檢測到有效地址和CRC時(shí)，將數(shù)據(jù)包存儲在RX FIFO中，中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，MISO將數(shù)據(jù)輸出到AT89S52引腳P2.4［7］。接收成功后，將CE置低，使nRF24L01進(jìn)入空閑模式。

2.3 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊位于PM2.5濃度無線檢測接收端，顯示檢測到的濃度值。系統(tǒng)選擇LCD1602字符型液晶顯示模塊。LCD1602內(nèi)部字符發(fā)生存儲器(CGROM)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，每一個(gè)字符都對應(yīng)一個(gè)固定的代碼。VL端接可調(diào)電阻，可調(diào)節(jié)LCD顯示顯示對比度。D0～D7分別和單片機(jī)的P0.0～P0.7相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 報(bào)警模塊

PM2.5超過警戒閾值時(shí)，啟動報(bào)警模塊。報(bào)警模塊采用聲光報(bào)警，原理如圖4所示。三極管Q2的發(fā)射極連接蜂鳴器，基極連接單片機(jī)AT89S52的P2.5口，起開關(guān)作用。當(dāng)P2.5口為高電平時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲;而當(dāng)P2.5口為低電平時(shí)，Q2截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。三極管Q1的發(fā)射極連接LED警示燈，基極連接單片機(jī) AT89S52的P2.7口。當(dāng)P2.7口為高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，LED警示燈亮;而當(dāng)P2.7口為低電平時(shí)，Q1截止，LED警示燈熄滅。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PM2.5濃度無線檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括發(fā)送端單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、接收端單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)［8］，基于C語言程序編寫。

發(fā)送端單片機(jī)控制程序部分，電源上電，兩塊nRF24L01無線模塊無線匹配，發(fā)送端單片機(jī)STC89S52

圖4 報(bào)警電路原理圖

將由GP2Y10傳感器采集的外界PM2.5濃度數(shù)據(jù)傳到無線射頻芯片nRF24L01。接收端單片機(jī)控制程序，兩片nRF24L01無線模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，PM2.5濃度無線檢測接收端nRF2401無線射頻芯片接收PM2.5粉塵濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)接收端單片機(jī)STC89S52的分析和處理，顯示在LCD1602液晶屏上，并控制報(bào)警電路［9］。PM2.5濃度無線檢測接收信號端程序流程如圖5所示。

圖5 PM2.5濃度無線檢測接收信號流程圖

4 實(shí)物演示

系統(tǒng)包括PM2.5濃度無線檢測發(fā)送端和PM2.5濃度無線檢測接收端兩部分，整體硬件實(shí)物如圖6所示。

圖6 整體硬件實(shí)物模塊

PM2.5濃度無線檢測發(fā)送端上電后，GP2Y10感應(yīng)外界PM2.5濃度，發(fā)送端單片機(jī)STC89S52進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，將結(jié)果傳輸至nRF24L01無線模塊，兩片nRF24L01無線射頻芯片開始傳輸數(shù)據(jù)，通過接收端單片機(jī)STC89S52，在LCD1602顯示濃度值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為便于觀測，設(shè)置報(bào)警閾值為0.6 mg/m3。采用燃燒固體物產(chǎn)生連續(xù)煙霧，模擬PM2.5［10］。當(dāng)超過閾值設(shè)置時(shí)，LCD1602顯示濃度為0.80.6 mg/m3，報(bào)警指示燈亮，蜂鳴器鳴叫，如圖7所示。

圖7 PM2.5濃度無線檢測超出閾值

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種PM2.5濃度無線檢測系統(tǒng)，介紹了GP2Y10傳感器、nRF24L01無線模塊工作原理及如何利用AT89S52單片機(jī)進(jìn)行控制的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)基于單片機(jī)C語言，以AT89S52為控制核心，并給出最終硬件實(shí)物，實(shí)現(xiàn)了對PM2.5濃度的無線檢測和報(bào)警功能。

［1］ 孫濱．基于光學(xué)粉塵傳感器的車載空氣凈化裝置設(shè)計(jì)［J］．電子技術(shù)，2013(4):77 －80．

［2］ 孫寶元．傳感器及其應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［3］ 劉玉賓，朱煥立．單片機(jī)與接口技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

［4］ 郝妍娜．基于MCU和nRF2401的低功耗遠(yuǎn)距離無線傳輸系統(tǒng)［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33(8):60 －64．

［5］ 張坤．基于FPGA的PicoBlaze嵌入式通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．電子科技，2013，26(5):53 －56．

［6］ 幸敏．基于nRF2401A的無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．廣西教育，2014(27):190－192．

［7］ 劉曉波，劉洋．高速無線通信模塊的研究及設(shè)計(jì)［J］．傳感器世界，2013(2):21－25．

［8］ 譚浩強(qiáng)．C語言程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2007．

［9］ 周黎明．短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究［J］．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013，26(5):65 －67．

［10］石建華．單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:北京郵電大學(xué)出版社，2008．