基于單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

劉洋

（山東現(xiàn)代學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104）

基于單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

劉洋

（山東現(xiàn)代學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104）

以當(dāng)下社會普遍關(guān)注的PM2.5熱點(diǎn)問題為研究背景，設(shè)計(jì)了室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)控系統(tǒng)。以室內(nèi)空氣中PM2.5等有害氣體為被測對象，采用AT89S52單片機(jī)為控制中心，能夠完成對空氣濃度和溫度的實(shí)時(shí)采集處理、報(bào)警、顯示等功能。設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)PM2.5超標(biāo)時(shí)及時(shí)報(bào)警，并啟動換氣控制系統(tǒng)，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有靈敏度高和性價(jià)比高等特點(diǎn)。

單片機(jī)；空氣質(zhì)量監(jiān)控；PM2.5

PM2.5是指大氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物（暫無標(biāo)準(zhǔn)中文名），它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。現(xiàn)代社會中，建筑室內(nèi)環(huán)境是人們接觸最頻繁、最密切的外環(huán)境之一，人的一生平均有超過60%的時(shí)間是在室內(nèi)度過的。而對于學(xué)生，每天80%以上的時(shí)間在室內(nèi)度過。研究表明，教室空氣質(zhì)量狀況與學(xué)生的學(xué)習(xí)和身心健康關(guān)系十分密切。因此，室內(nèi)空氣品質(zhì)問題倍受人們關(guān)注，人們已經(jīng)認(rèn)識到研究改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要性和迫切性。檢測PM2.5對于觀測、防治大氣污染有重要意義。文章采用粉塵傳感器檢測PM2.5的濃度，經(jīng)過單片機(jī)處理顯示PM2.5的濃度，有超限報(bào)警和自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度的功能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)由粉塵傳感器測量空氣粉塵濃度，像煙霧、粉筆灰等，檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送單片機(jī)，單片機(jī)分析處理轉(zhuǎn)換成濃度值再與設(shè)定濃度值比較并做出相應(yīng)的判斷；顯示器顯示空氣中粉塵測量濃度和當(dāng)前的溫濕度狀況。當(dāng)粉塵濃度超限時(shí)，在多媒體講臺進(jìn)行警示燈報(bào)警，同時(shí)開啟空調(diào)系統(tǒng)，凈化室內(nèi)空氣和調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度。根據(jù)超限等級，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)換氣速度，既能保證短時(shí)間內(nèi)改善空氣質(zhì)量，又能達(dá)到減少能耗的效果。

（1）硬件電路設(shè)計(jì)。空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)由STC89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)、GP2Y1010AU粉塵傳感器、溫濕度傳感器、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊、LCD1602液晶模塊、電源模塊、燈光報(bào)警模塊、空調(diào)系統(tǒng)和按鍵模塊組成。系統(tǒng)原理圖如圖1所示和仿真圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 仿真圖

（2）粉塵傳感器和PM2.5的測量方法。GP2Y1010AU是夏普公司開發(fā)的一款光學(xué)灰塵濃度檢測傳感器，此傳感器靈敏度高，內(nèi)部成對腳分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管，利用光敏原理工作。用于檢測特別細(xì)微的顆粒，如香煙顆粒、細(xì)微灰塵，依靠輸出的脈沖高度來判讀顆粒濃度?？捎糜谑覂?nèi)環(huán)境中煙氣、粉塵、花粉等濃度的檢測。以檢測出單位體積粒子的絕對個(gè)數(shù)，而且內(nèi)置氣流發(fā)生器，可以自行吸入外部空氣。其內(nèi)部對角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使其能夠探測到空氣中塵埃反射光，即使非常細(xì)小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到，該傳感器具有非常低的電流消耗（最大20mA，典型值11mA），可使用高達(dá)7VDC。該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃成正比。

（3）單片機(jī)和LCD顯示模塊。采用STC89S52單片機(jī)為控制核心，采用1602LCD顯示粉塵測量濃度和設(shè)定濃度：

單片機(jī)處理算法如下：關(guān)于煙的檢出、判定值相當(dāng)于香煙的煙那樣的檢出物，按如下表示：

可以檢出的范圍（輸出電壓可變范圍（V））=輸出電壓范圍：VOH（V）-無塵時(shí)輸出電壓：Voc（V）。

將此換算成粉塵濃度：

檢出粉塵濃度范圍（mg/m3）=檢出可能范圍（輸出電壓可變范圍（V））÷檢出感度：K（V/（0.1mg/m3））。

煙檢出的情況下，其判定值如下：

判定值=檢出濃度（mg/m3）+10×K（V/（0.1mg/m3）+無塵時(shí)輸出電壓（V））顯示器顯示粉塵濃度測量值和設(shè)定值。

（4）報(bào)警和污染級別提醒電路模塊。根據(jù)PM2.5檢測網(wǎng)的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)測量濃度值超過設(shè)置值時(shí)，燈光持續(xù)閃爍報(bào)警并啟動空調(diào)系統(tǒng)換氣；等級指示燈狀態(tài)：

綠燈亮：空氣質(zhì)量優(yōu)（數(shù)值0～35）

黃燈亮：空氣質(zhì)量良（數(shù)值35～75）

紅燈閃爍：輕度污染（數(shù)值75～115）

2 軟件主程序

軟件部分設(shè)計(jì)需利用單片機(jī)所產(chǎn)生的周期為10ms的PWM脈沖波形進(jìn)行LCD1602的顯示和定時(shí)器的定時(shí)，同時(shí)驅(qū)動傳感器內(nèi)部的LED發(fā)光。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波形加在夏普GP2Y1010AU0F上，傳感器將輸出一個(gè)電壓模擬量，模擬電壓可通過A/D進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，然后得出相應(yīng)的數(shù)值，最后通過LCD1602顯示出來。對于檢測出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)前期設(shè)定的報(bào)警等級進(jìn)行判定顯示。

本次設(shè)計(jì)軟件部分可大致分為模式設(shè)定模塊程序、日歷模塊程序、LCD1602顯示模塊程序、GP2Y1010AU0F數(shù)據(jù)采集模塊程序、等級顯示報(bào)警模塊程序、空調(diào)系統(tǒng)控制模塊等。

3 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)是制作一個(gè)簡易的PM2.5檢測裝置，讓人們在平時(shí)的生活中也可隨時(shí)檢測，提醒大家要關(guān)注環(huán)境問題?；趩纹瑱C(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)TPROTEUS仿真和實(shí)物測試產(chǎn)品的調(diào)試，據(jù)此制作的產(chǎn)品能夠檢測PM2.5。因?yàn)樵靸r(jià)低，所以能夠?qū)崿F(xiàn)家庭普及配置，對于提高全民空氣質(zhì)量意識有積極作用。

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劉洋（1988-），男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，助教，主要研究方向：嵌入式。