基于激光傳感器的PM2.5檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

史志慧+吳何畏+譚宇良

摘 要：文章設(shè)計(jì)的是PM2.5檢測(cè)儀，包括AT89C52單片機(jī)、攀藤激光傳感器、LCD12864液晶顯示器和報(bào)警器。在本設(shè)計(jì)中攀藤激光傳感器采集空氣中PM2.5的濃度值，經(jīng)過AT89C52單片機(jī)處理后，將數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器上。系統(tǒng)會(huì)將收集到的PM2.5濃度值與用戶預(yù)先設(shè)置的報(bào)警值進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，報(bào)警器會(huì)在系統(tǒng)檢測(cè)到超過報(bào)警值之后響起，并且會(huì)根據(jù)污染程度的高低點(diǎn)亮不同顏色的燈給出相應(yīng)的提示。本設(shè)計(jì)具有精度高、體積小、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可直接用于市場(chǎng)推廣。

關(guān)鍵詞：PM2.5檢測(cè)儀；攀藤激光傳感器；液晶顯示器；報(bào)警

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）07-0104-02

Abstract： In this paper， the PM2.5 detector is designed， including AT89C52 microcontroller， climbing laser sensor， LCD12864 liquid crystal display and alarm. In this design， the density of PM2.5 in the air is collected by the climbing laser sensor， and the data are displayed on the LCD after the AT89C52 microcontroller processing. The system compares the collected PM2.5 values in real time with the pre-set alarm values set by the user， and the alarm will ring after the system detects an alarm value that exceeds the alarm value， and will， based on the level of pollution， light up different colors of the light to give the corresponding tips. The design has the advantages of high precision， small volume， long life， easiness to carry， and can be directly used in market promotion.

Keywords： PM2.5 detector； climbing laser sensor； liquid crystal display （LCD）； alarm

引言

如今，國民的環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，對(duì)空氣質(zhì)量越發(fā)關(guān)注，現(xiàn)在很多地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象統(tǒng)稱為“霧霾天氣”，并且將其作為災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報(bào)，空氣PM2.5已成為熱點(diǎn)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)布的報(bào)告可以看出，不管是在發(fā)達(dá)國家還是在發(fā)展中國家，空氣中的顆粒物對(duì)百分之七十左右的城市和農(nóng)村人口的健康都產(chǎn)生了極大的威脅。具體，包括導(dǎo)致哮喘、呼吸困難、慢性支氣管炎、咳嗽等呼吸系統(tǒng)疾病，因?yàn)轭w粒物被人們吸入后會(huì)馬上進(jìn)入支氣管，而且會(huì)刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換。除了這些，若長(zhǎng)期處于霧霾天氣下還可能會(huì)引起非致命性心臟病、心律不齊等心血管方面的疾病，這種情況多發(fā)在老人、小孩和心肺疾病患者等人群。

隨著人們對(duì)空氣中顆粒物的含量指數(shù)的關(guān)注越來越高和大氣污染程度越來越嚴(yán)重，實(shí)時(shí)的空氣質(zhì)量指數(shù)也就越來越受到人們的關(guān)心，從而導(dǎo)致對(duì)PM2.5檢測(cè)儀的需求也越來越高。商業(yè)上的PM2.5在線測(cè)量設(shè)備主要應(yīng)用于城市空氣質(zhì)量檢測(cè)站里，它們雖然測(cè)量精度高但是設(shè)備龐大笨重而且價(jià)格昂貴。所以，不論是城市還是農(nóng)村，PM2.5檢測(cè)儀都有著很好的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)。

1 PM2.5檢測(cè)儀的系統(tǒng)組成

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的PM2.5測(cè)試儀是由硬件、軟件兩部分構(gòu)成的。在硬件結(jié)構(gòu)中又包括光激光傳感器、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、PIN光敏管和氣體采樣設(shè)備四部分。首先我們選用攀藤激光傳感器，它體積更小，可集成，高精度，最小分辨微粒0.3μm。當(dāng)周圍環(huán)境PM2.5值達(dá)到一定值，該激光傳感器會(huì)按實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣PM2.5的含量比例輸出模擬電壓信號(hào)，經(jīng)電路放大增強(qiáng)信號(hào)后，該模擬電壓信號(hào)再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換設(shè)備。在光電轉(zhuǎn)換設(shè)備上我們選擇體積小、兼容性強(qiáng)的芯片ADCO832。LED顯示模塊我們選用1602LCD液晶顯示屏，與傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)。

2 PM2.5檢測(cè)儀原理

PM2.5檢測(cè)儀主要是用于檢測(cè)大氣中粒徑小于2.5μm細(xì)顆粒物質(zhì)量的裝置。其基本原理如下：由特制的激光二極管產(chǎn)生一束或幾束激光，在空氣中的細(xì)顆粒物經(jīng)過由光源產(chǎn)生的激光束所在區(qū)域之后，這些顆粒物會(huì)讓激光產(chǎn)生散射現(xiàn)象；散射光會(huì)在空間中進(jìn)行360°輻射，然后數(shù)字電路模塊會(huì)采集到這種信號(hào)，并且通過對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的模數(shù)和其他處理得到顆粒物的大小和顆粒物的大致數(shù)量，最終根據(jù)專業(yè)的標(biāo)定技術(shù)得到質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換公式與粒徑分布，得到跟官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度數(shù)值。

該儀器的報(bào)警系統(tǒng)由LED燈光報(bào)警構(gòu)成。系統(tǒng)會(huì)將收集到的PM2.5濃度值與用戶預(yù)先設(shè)置的報(bào)警值進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，報(bào)警器會(huì)在系統(tǒng)檢測(cè)到超過報(bào)警值之后響起，并且會(huì)根據(jù)污染程度的高低點(diǎn)亮不同顏色的燈給出相應(yīng)的提示。當(dāng)LED紅燈亮起，說明周圍環(huán)境PM2.5值嚴(yán)重超標(biāo)，污染嚴(yán)重；當(dāng)黃燈亮起時(shí)，說明環(huán)境輕微污染；綠燈亮起時(shí)，則空氣質(zhì)量良好。

3 PM2.5程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

如圖2，當(dāng)按下設(shè)置鍵時(shí)，預(yù)先設(shè)置好報(bào)警濃度值。然后攀藤激光傳感器開始工作，將檢測(cè)到的空氣中的PM2.5濃度數(shù)值送入到AT89C52單片機(jī)進(jìn)行光電模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，當(dāng)檢測(cè)的PM2.5的濃度值超過報(bào)警值時(shí)會(huì)觸發(fā)蜂鳴器閃動(dòng)報(bào)警，然后在LCD1602液晶上顯示經(jīng)過處理后的數(shù)值，若不超過報(bào)警值直接在LCD1602液晶上顯示經(jīng)過處理后的數(shù)值。用戶可以根據(jù)具體情況手動(dòng)調(diào)節(jié)報(bào)警數(shù)值，并且系統(tǒng)會(huì)根據(jù)污染程度的高低點(diǎn)亮不同顏色的燈給出相應(yīng)的提示：

檢測(cè)的PM2.5的濃度值在0～0.1，綠燈亮，表示環(huán)境良好。

檢測(cè)的PM2.5的濃度值在0.1～0.3，黃燈亮，表示輕度污染。

檢測(cè)的PM2.5的濃度值在0.3以上，紅燈亮，表示重度污染。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)目的是制作一個(gè)經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)單，實(shí)用的多功能PM2.5濃度檢測(cè)儀。此PM2.5濃度監(jiān)測(cè)儀除了具有電路簡(jiǎn)單、使用方便、功耗低、成本低等一般特性外，還有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）本設(shè)計(jì)的方案可行性高，且可用于大量生產(chǎn)；適用范圍十分廣大，住宅、教室、辦公室和醫(yī)院病房均適用。

（2）該裝置測(cè)量數(shù)據(jù)直觀易懂，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，有很強(qiáng)的使用價(jià)值，可普及性強(qiáng)。

（3）本系統(tǒng)采用的是攀藤激光傳感器，相比傳統(tǒng)的紅外傳感器，其CPU性能極高，使得數(shù)據(jù)運(yùn)算更加快速；而且在復(fù)雜的風(fēng)道設(shè)計(jì)中還帶有風(fēng)扇或者鼓風(fēng)機(jī)，保證了空氣的供給和與周圍環(huán)境的相似度；還有專門針對(duì)顆粒物的數(shù)據(jù)算法分析，讓檢測(cè)出來的數(shù)值更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1]王寧，冀敏，趙沖.激光傳感器的智能pm2.5檢測(cè)儀[J].激光雜志，2017，38（08）：77-80.

[2]白天奇，孫炎輝.基于激光型PM2.5傳感器的空氣凈化器設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（11）：30-33.

[3]楊永杰，張?jiān)?，楊賽程，?一種PM2.5檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（03）：76-78+81.

[4]沈麗.淺談我國環(huán)境檢測(cè)中存在的問題及解決措施[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（01）：154-155.

[5]A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832產(chǎn)品規(guī)格書[Z].

[6]滕世長(zhǎng)，李冰菲.PM2.5概述與自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)淺析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（07）：122.

[7]房金寶，韓宇光，張賢益.智能空氣凈化器的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（03）：66.endprint