基于GSM模塊控制的PM2.5檢測儀設計

歐補文　冉澤晨　譚丙東

【摘 要】本文介紹了一種以AT89S52單片機為基礎，利用GSM模塊的遠程控制功能來設計的PM2.5檢測儀。首先介紹了對PM2.5檢測儀的系統(tǒng)設計思路，然后給出了主要的系統(tǒng)硬件電路設計，包括主控電路、PM2.5檢測電路、A/D轉換電路、GSM短信收發(fā)電路和液晶顯示電路，最后給出了系統(tǒng)軟件設計的主流程圖。

【關鍵詞】單片機；PM2.5；GSM模塊

0 引言

隨著空氣質量的惡化，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害性天氣預警預報，統(tǒng)稱為“霧霾天氣”。而霧霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金屬鎳砷鉻鉛等顆粒組成。但PM2.5與較粗的大氣顆粒物相比，粒徑小，富含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質量影響更大。嚴重時還可能誘發(fā)人體產(chǎn)生病變，進而患上癌癥[1]。所以，對PM2.5的監(jiān)測顯得越來越重要。

1 PM2.5檢測儀的系統(tǒng)設計思路

本系統(tǒng)采用51單片機作為主控芯片，利用PM2.5傳感器實時采集PM2.5濃度；再通過GSM模塊實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的采集和控制；用戶通過基于安卓的移動終端設備給GSM模塊發(fā)送控制指令查看當前PM2.5濃度，用戶終端可以通過短信的形式接收到現(xiàn)場發(fā)回的PM2.5濃度值，同時可以設置PM2.5濃度超標報警值，若超過預警值，GSM模塊可向現(xiàn)場發(fā)送遠程控制命令開啟控制設備，來調節(jié)PM2.5的濃度值。PM2.5檢測儀上帶有顯示液晶屏，可以顯示當前PM2.5濃度值和移動終端發(fā)送過來的信息。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 主控電路

主控電路如圖1所示，51單片機采用AT89S52芯片，通過PM2.5檢測模塊實時采集現(xiàn)場PM2.5濃度，將濃度值經(jīng)模數(shù)轉換后，送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，并在液晶顯示屏LCD1602上顯示測得的濃度值，且可通過GSM模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到移動設備上。另外，在單片機構成的主控板上設置發(fā)送指令按鍵，可以手工操作給移動終端發(fā)送相關指令，也可以手動開啟控制設備。

圖1 基于GSM模塊控制的PM2.5檢測儀系統(tǒng)設計框圖

2.2 PM2.5檢測電路

PM2.5傳感器采用夏普GP2Y1010AU0F，此傳感器是一款光學灰塵濃度檢測傳感器，其內部對角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管[2]，利用光敏原理來工作。用于檢測特別細微的顆粒，如香煙顆粒、細微灰塵。依靠輸出脈沖的高度來判斷顆粒濃度。PM2.5檢測電路如圖2所示。

圖2 PM2.5檢測電路

2.3 A/D轉換電路

利用ADC0832構成的A/D轉換電路如圖3所示，ADC0832為8位分辨率 A/D 轉換芯片，其最高分辨可達 256 級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強[3]。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過芯片的5腳作為數(shù)據(jù)的分時輸入、輸出端，與單片機的P1.2連接，單片機可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。

圖3 A/D轉換電路

2.4 GSM短信收發(fā)電路

GSM短信收發(fā)電路采用SIM900A作為控制核心，加以外圍輔助電路實現(xiàn)系統(tǒng)短信的收發(fā)功能，GSM電路圖如圖4所示。其中U7為SIM900A核心模塊，它支持TCP/IP協(xié)議和GSM/GPRS 900、1800MHZ兩種工作頻段，并提供AT命令編程功能，主要實現(xiàn)對不同格式數(shù)據(jù)包的無線收、發(fā)[4]。J6為SMA天線接口，用于接棒狀天線，KEY1為開機啟動按鍵，模塊也可以通過軟件程序啟動，SIM-PKEY接單片機IO口，即可通過高低電平來控制模塊的開啟，LED1為模塊工作電源指示燈，LED2為開機信號指示燈，當按下開機鍵后，LED2以較高的閃爍頻率閃爍，當搜索到移動基站信號后LED2會改變閃爍頻率，當我們看到LED2以亮60ms滅3000ms的頻率閃爍的時候代表模塊已經(jīng)啟動正常，可以正常收發(fā)短信了或者撥打電話了。U8為SIM卡接口，J5為外接單片機的引腳端口，用于和單片機控制部分相連接。

2.5 液晶顯示電路

LCD顯示器分為字段顯示和字符顯示兩種。其中字段顯示與LED顯示相似，只要送對應的信號到相應的管腳就能顯示。字符顯示是根據(jù)需要顯示基本字符。本設計采用的是字符型顯示。系統(tǒng)中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。LCD1602液晶顯示模塊可以顯示兩行，每行16個字符，采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比[5]。由LCD1602構成的液晶顯示電路如圖5，通過該電路可以顯示PM2.5的檢測值和接收到的移動終端的信息。

圖5 液晶顯示電路

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)設計主要分為系統(tǒng)初始化模塊、驅動傳感器模塊，A/D模數(shù)轉換模塊，PM2.5數(shù)值計算和顯示等模塊，各個模塊都有不可磨滅的作用，單片機AT89S52通過軟件程序實現(xiàn)對硬件設備的控制、測量，并通過LCD顯示出來PM2.5的值，如果超過預設的報警值，則會啟動控制設備或者發(fā)送信息給移動終端，也可以通過手動按鍵的形式，以短信發(fā)送PM2.5濃度值到手機上或撥打電話。系統(tǒng)軟件設計的主流程圖如圖6。

圖6 系統(tǒng)的主流程圖

4 結語

隨著霧霾天氣的肆虐，我們有理由有必要采取一些措施來注意或調節(jié)我們身邊空氣的PM2.5，而本設計正是基于這點，應用所學的知識，制作一個經(jīng)濟，簡單，實用的多功能PM2.5濃度檢測儀。在設計中通過GP2Y1010AU0F粉塵傳感器采集空氣中PM2.5的濃度值，經(jīng)過AT89S52單片機處理后，在LCD1602液晶上顯示，并且可以使用GSM模塊將檢測到信息發(fā)送到移動設備上。另外設置一個報警值，檢測的PM2.5濃度值超過報警值后，可開啟控制設備。很好的達到了用較低的成本實現(xiàn)PM2.5檢測儀的設計和將檢測數(shù)據(jù)無線傳輸至手機屏幕上，實時測數(shù)的目的。

【參考文獻】

[1]王寅，王卉.PM_（2.5）現(xiàn)狀及其檢測技術[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2014，12：139.

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[3]杜洋.A/D轉換芯片ADC0832的應用[J].電子制作，2006，01：44-46.

[4]辛若波，李彥，王興武，焦海波，吳云，李大帥.基于SIM900A的環(huán)境在線監(jiān)測短信反控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].價值工程，2012，23：186-188.

[5]于志贛，劉國平，張旭斌.液顯LCD1602模塊的應用[J].機電技術，2009，03：21-23.