基于單片機(jī)霧霾監(jiān)測及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鞠啟+胡長增+史博+楊鑫

【摘要】 為了快速準(zhǔn)確地查看所處環(huán)境的PM2.5濃度，以降低粉塵對人體的危害，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的霧霾監(jiān)測及報(bào)警系統(tǒng)，它采用基于Arduino系統(tǒng)對PM2.5濃度進(jìn)行檢測并報(bào)警，同時(shí)具有自動啟動空氣凈化器系統(tǒng)功能。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的電子平臺，對于初學(xué)者來說，極易掌握，不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，簡單學(xué)習(xí)便能進(jìn)行使用，且Arduino價(jià)格便宜，為該系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 Arduino PM2.5濃度檢測儀 霧霾 空氣凈化器

引言

目前，市場上空氣質(zhì)量量化檢測通常采用PM2.5 指標(biāo)衡量，通過系列檢測器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測、顯示、記錄。特別是一些專業(yè)檢測設(shè)備體積普遍偏大、功能繁雜、價(jià)格昂貴，不同廠家的檢測設(shè)備測試數(shù)據(jù)偏差較大，不適合廣大市民購買使用。我們需要一種體積小，實(shí)時(shí)檢測，多功能集成，價(jià)格較低的檢測儀滿足這一需求。

本次設(shè)計(jì)的目的是制作一個簡易的基于單片機(jī)的霧霾監(jiān)測及報(bào)警系統(tǒng)即具有自動啟動空氣凈化器的PM2.5 檢測與凈化一體裝置，讓我們在平時(shí)的生活中也可隨時(shí)檢測，并且同時(shí)凈化屋內(nèi)空氣，保持一個良好的生活環(huán)境。

一、總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的整套系統(tǒng)總共有3個模塊：霧霾PM2.5檢測模塊、報(bào)警系統(tǒng)模塊、空氣凈化器自啟動模塊，系統(tǒng)組成如圖1所示。

1、霧霾PM2.5檢測模塊為核心模塊，控制和啟動其他兩個模塊。

2、報(bào)警系統(tǒng)模塊與空氣凈化器自啟動模塊相互連接，通過開關(guān)三極管和繼電器實(shí)現(xiàn)自開自關(guān)。

3、空氣凈化器自啟動模塊中的凈化器所用的原理為靜電除塵原理。利用直流高壓電使空氣電離吸附細(xì)小灰塵。

二、霧霾PM2.5檢測模塊

2.1 Arduino 開發(fā)板

Arduino 開發(fā)板作為檢測模塊的核心，負(fù)責(zé)控制傳感器及數(shù)據(jù)處理，根據(jù)需求可選擇USB 供電或外接電池供電（本文所選開發(fā)板為DFRduino UNO R3，所需電壓為5V），在灰塵傳感器從周圍環(huán)境中采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)后，交由Arduino中已編譯的程序進(jìn)行整合處理。

Arduino系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)送指令給顯示模塊，最終的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)由LCD 顯示屏輸出顯示。

2.2 粉塵傳感器

檢測所用的傳感器為夏普GP2Y1010AU0F_粉塵傳感器，夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，用來感應(yīng)空氣中的塵埃粒子。該傳感器具有非常低的電流消耗（最大20mA，典型值11mA），該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。 可測量0.8微米以上的微小粒子，感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉、室內(nèi)粉塵等。并且該傳感器價(jià)格低廉，體積小巧，適用于本實(shí)驗(yàn)使用。當(dāng)傳感器輸入一個值時(shí)，LCD顯示屏上就會顯示對應(yīng)的PM2.5的值。

霧霾PM2.5檢測模塊的連接示意圖如圖3所示。

2.3 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)包括定義、初始化、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)模轉(zhuǎn)換等。所有功能模塊的程序都是在Arduino IDE 平臺中完成的。軟件流程圖如圖2所示。

三、報(bào)警系統(tǒng)模塊及空氣凈化器自啟模塊

報(bào)警模塊（本實(shí)驗(yàn)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)為一燈泡）的啟動電壓是由PM2.5檢測模塊輸出的模擬電壓來提供。開關(guān)三極管具有完成斷路和接通的作用，因此將其用于電路的切斷和導(dǎo)通。

報(bào)警系統(tǒng)模塊與空氣凈化器自啟系統(tǒng)模塊緊密相連，利用繼電器的工作原理實(shí)現(xiàn)對靜電除塵空氣凈化器系統(tǒng)的啟動，并控制報(bào)警系統(tǒng)的接通與斷開。

報(bào)警模塊及空氣凈化器自啟模塊電路連接圖如圖4所示。

四、簡易空氣凈化器

我們所制作的空氣凈化器原理為靜電除塵。靜電除塵是一種氣體在靜電場中電離，電離后的電子與塵粒相遇，使其帶電被吸附于集塵板的除塵方式，其收集過程如圖5所示。

除塵過程包括：① 氣體電離；② 粉塵荷電；③ 粉塵沉降。靜電防塵紗窗是將靜電發(fā)生器固定在窗框上，靜電發(fā)生器的輸入端接低壓直流電，輸出端的一根線接地，另一根線接到金屬網(wǎng)上，然后把金屬網(wǎng)覆蓋到玻璃纖維紗窗上，玻璃纖維紗窗就會帶上靜電，這樣空氣中的灰塵通過紗窗時(shí)就會被靜電吸附。

定期清理窗紗上的灰塵就可以達(dá)到持續(xù)性的凈化室內(nèi)空氣的目的。

五、結(jié)語

將我們制作的霧霾PM2.5檢測儀所測的值與市場上銷售的PM2.5檢測儀相比較，其數(shù)值與市場所銷售的PM2.5檢測儀的值基本相同，并設(shè)定當(dāng)PM2.5的值高于150時(shí)，能自啟空氣凈化器。

此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于：造價(jià)便宜，方便人們能夠快速的了解當(dāng)前環(huán)境下的PM2.5濃度，并能自動減少屋內(nèi)的粉塵濃度，改善人們居住環(huán)境。設(shè)計(jì)中的空氣質(zhì)量檢測模塊不僅可以用于檢測空氣中PM2.5的含量，還可以用于其他需要進(jìn)行空氣濃度檢測的環(huán)境。

同時(shí)我們所設(shè)計(jì)的靜電除塵空氣凈化裝置，是將該裝置放置在紗窗前方，通過設(shè)定PM2.5檢測儀的上下限的控制數(shù)值使空氣凈化器自動啟動系統(tǒng)的投入或停止運(yùn)行，這樣該裝置就可在重霧霾天快速啟動，在空氣質(zhì)量良好的天氣自動關(guān)閉，節(jié)省電能。重點(diǎn)解決了普通紗窗無法在霧霾天氣下有效地過濾對人體有害的可吸入顆粒物的問題。因此，其市場前景廣闊、推廣價(jià)值高。

參 考 文 獻(xiàn)

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