輝光管PM2.5探測(cè)和顯示系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)

滕美艷 錢睿 練遠(yuǎn)鑫 夏景明 李鵬

摘 要：因?yàn)榭諝赓|(zhì)量的惡化，陰霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)增多，危害現(xiàn)象加重。中國不少地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象并入霧一起作為災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報(bào)。為了防止粉塵對(duì)人體造成的傷害。該項(xiàng)目以AT89C51為主要核心，首先先將傳感器與單片機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)PM值的采集和讀取，此外我們還添加了時(shí)鐘模塊，通過按鍵切換顯示，最后將顯示的數(shù)值通過輝光管顯示。該文詳細(xì)介紹了有關(guān)單片機(jī)與傳感器的電路連接和高壓驅(qū)動(dòng)電路以及程序流程。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 輝光管 PM2.5 時(shí)鐘

中圖分類號(hào)：TP36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）03（c）-0022-04

Abstract：Because of the deterioration of air quality， haze weather phenomenon appears， damage phenomenon. Many parts of China into fog haze weather phenomenon are brought together as a severe weather warning forecast. In order to prevent dust damage to human body. This project USES AT89C51 as the main core， first to combined sensor and MCU， to realize the collection of values for PM and read， in addition we also added the clock module， through the button switch， according to the last will display values through the glow. This paper introduces the single chip microcomputer and sensor circuit connection and high voltage driving circuit and program flow.

Key Words：Singlechip microcomputer；Glowtube；PM2.5；Clock

隨著人們生活品質(zhì)的提高，大家對(duì)于生活質(zhì)量的要求也越來越高，所以，就需要一個(gè)健康綠色的生活環(huán)境，這樣空氣質(zhì)量就是一個(gè)很重要的標(biāo)準(zhǔn)。氣象專家和醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，由細(xì)顆粒物造成的灰霾天氣對(duì)人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。而粒徑在2.5μm以下的細(xì)顆粒物，不易被阻擋。被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換，從而引發(fā)咳嗽、呼吸困難、哮喘、慢性支氣管炎等呼吸系統(tǒng)的疾病并導(dǎo)致心律不齊、非致命性心臟病等心血管方面的疾病。因此，對(duì)PM2.5的監(jiān)測(cè)與治理便顯得越來越重要。該項(xiàng)目探測(cè)空氣中的PM2.5能夠使我們更加清楚的意識(shí)到現(xiàn)在我們空氣質(zhì)量的差距，給大家一個(gè)現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)，讓我們知道現(xiàn)在環(huán)境問題的嚴(yán)峻性。目前PM2.5的檢測(cè)方法主要包括重量法、射線吸收法和微量振蕩天平法，而該實(shí)驗(yàn)所采用的傳感器是采用激光散射的方法進(jìn)行測(cè)量。首先把傳感器技術(shù)應(yīng)用于單片機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣PM值的采集和讀取。之后利用輝光管顯示技術(shù)完成PM2.5及顯示電路的設(shè)計(jì)。

1 總體框架設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要以AT89C51單片機(jī)為核心，主要包括傳感器PM2.5采集，A/D轉(zhuǎn)換，按鍵操作，單片機(jī)控制，輝光管數(shù)字顯示。（見圖1）

輝光管時(shí)鐘系統(tǒng)硬件主要由AT89C51單片機(jī)、時(shí)鐘芯片DS12C887、輝光管顯示高壓驅(qū)動(dòng)等元器件組成。由于輝光管的工作電壓為170 V，所以，驅(qū)動(dòng)三極管要求的Vceo要大于170 V，比較安全的范圍是Vceo>250。傳感器采用的是激光散射原理，即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時(shí)在某一特定角度用探測(cè)器接收散射光，產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大后，得到電信號(hào)與顆粒物的對(duì)應(yīng)曲線。微處理器采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一系列復(fù)雜算法得出單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物質(zhì)量。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

YT01傳感器采用激光散射的原理，令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時(shí)用探測(cè)器接收散射，產(chǎn)生的光電流。進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，此信號(hào)傳送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，輸出out與單片機(jī)的P3.0相連。（如圖2所示）

2.2 高壓驅(qū)動(dòng)電路

采用SN74LS145BCD到十進(jìn)制解碼器/驅(qū)動(dòng)器，編譯為0-9十進(jìn)制數(shù)，通過解碼器配合2N5551高壓開關(guān)管，有效安全的驅(qū)動(dòng)輝光管。電路采用一個(gè)全控型器件Q1，當(dāng)Q1處于通態(tài)時(shí)，電源Ui向電感L1充電，充電電流基本恒為11，同時(shí)電容C4上的電壓向負(fù)載供電，因C4上的電壓向負(fù)載供電，所以，C4值很大，基本保持輸出電壓U0為恒值。

結(jié)論：該設(shè)計(jì)主要以AT89C51單片機(jī)為核心，采用動(dòng)態(tài)掃描的方式驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，通過按鍵切換顯示時(shí)鐘和PM2.5的值。其中主要包括傳感器采集、A/D轉(zhuǎn)換、復(fù)位電路、按鍵電路、單片驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘電路以及輝光管顯示等部分。實(shí)時(shí)顯示空氣中的PM值和時(shí)間。

3 軟件說明

除主程序外，程序設(shè)計(jì)中還定義了一些函數(shù)，方便主函數(shù)調(diào)用，主要有調(diào)用初始化程序，讀取時(shí)鐘數(shù)據(jù)函數(shù)，動(dòng)態(tài)掃描函數(shù)，鍵盤掃描函數(shù)，讀取傳感器數(shù)據(jù)函數(shù)等。

讀取時(shí)鐘數(shù)據(jù)函數(shù)：數(shù)碼管是共陰極的，所有引腳連接在一起然后和鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端相連，單片機(jī)可以控制鎖存器的鎖存端進(jìn)而控制鎖存器的數(shù)據(jù)輸出，方便的控制任意數(shù)碼管顯示任意數(shù)字。

數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示時(shí)間，在上面程序的基礎(chǔ)上再加上動(dòng)態(tài)掃描程序。在鍵盤掃描程序中加入了動(dòng)態(tài)掃描程序，但輸入程序之后并不能按鍵調(diào)時(shí)間，后來重新定義了一個(gè)按鍵sbit s4=P3^3，在動(dòng)態(tài)掃描過程中如果檢測(cè)到S4鍵被按下的時(shí)候跳出while循環(huán)。（見圖4）

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2016年4月分別對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室、公園、馬路周邊三個(gè)地方進(jìn)行了測(cè)試：

學(xué)校實(shí)驗(yàn)室如見表1所示。

公園如表2所示。

馬路周邊如表3所示。

結(jié)論：從測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出樹木植被較好的公園PM值較低，空氣質(zhì)量較好，說明植被有助于凈化空氣。而馬路周邊空氣質(zhì)量較差，說明汽車尾氣的排放能夠惡化空氣質(zhì)量。

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