基于單片機的霧霾檢測器的設計

李雪莉 刁振琪

摘要

霧霾污染空氣，損害人類健摘康，霧霾檢測是霧霾防治的必要要手段。本文介紹了一種基于單片機的霧霾檢測器的設計。該檢測器適應大眾需求，應用場合廣泛。具有體積小、重量輕、低功耗的特點，并且可以自行設置閾值，能進行誤差修正。成本低廉，有廣泛的市場前景。

【關鍵詞】霧霾檢測 單片機 粉塵傳感器

1 引言

近年來，伴隨環(huán)境的不斷惡化，陰霾天氣頻繁出現(xiàn)，人類的生產生活深受其害。我國很多地區(qū)已將陰霾天氣與霧一起視為災害性天氣的預警，統(tǒng)稱為“霧霾”。霧霾的主要成分為顆粒直徑小于2.5微米的可吸入顆粒物，攜帶有重金屬元素以及致病微生物等，容易進入人的呼吸系統(tǒng)及循環(huán)系統(tǒng)，引發(fā)多種疾病，特別對于兒童和老人等，容易引起急性上呼吸道感染，長期接觸，會對人體的心臟，肺等器官造成不可逆的影響，根據(jù)PM2.5濃度的高低判斷空氣質量的好壞，如表1所示。該設計是基于霧霾檢測的空氣質量監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)以單片機為控制中心，由粉塵傳感器檢測空氣中PM2.5的濃度值，并在在液晶屏上顯示，采用9×9鍵盤實現(xiàn)人機交互，設置一個報警值，如果檢測到的PM2.5濃度值超過報警值，蜂鳴器發(fā)出報警聲，有利于使用者實時了解空氣質量，采取相應的處理措施。

2 硬件設計

以89S52單片機為控制單元，采用9x9鍵盤和LCD1602液晶顯示屏作人機交互，使用粉塵傳感器檢測空氣中粉塵的濃度值，在液晶屏上顯示；使用按鍵設置一個報警閾值，如果檢測到粉塵濃度超過閾值，蜂鳴器報警，報警值的大小可以用按鍵手動調節(jié)。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

其中粉塵傳感器模塊采用夏普粉塵傳感器GP2Y1010AU0F的Vout引腳輸出灰塵濃度的模擬電壓信號，將該引腳通過A/D轉換器與單片機的P0口連接，將粉塵濃度值數(shù)字化后傳送給單片機，該模塊的工作電壓為5V，可以與單片機采用同一個電源供電。單片機的P1.0引腳與傳感器的LED引腳連接，作為單片機的地址選擇輸出端，為傳感器提供輸入信號，啟動傳感器。A/D轉換器采用ADC0809八位A/D轉換器。采用LCD1602液晶顯示模塊與單片機的P0口連接，單片機使用中斷處理的方式處理液晶顯示與傳感器數(shù)據(jù)采集。

3 軟件設計

程序使用中斷處理液晶顯示與數(shù)據(jù)采集，流程如圖2所示。GP2Y1010AU0F是一款光學空氣質量傳感器，用來感應空氣中的塵埃粒子，其內部對角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使得其能夠探測到空氣中塵埃反射光，即使非常細小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到。

GP2Y1010AU0F引腳LED驅動時間輸出電壓會變動，數(shù)據(jù)表給出的規(guī)格值是脈沖周期為10ms脈沖寬度為0.32ms，取樣時間為0.28ms，同時傳感器上電后，1s內才會穩(wěn)定，才能檢出，根據(jù)輸出電平的大小變化及輸出電平時間判斷檢出的物質。因此，設定單片機驅動GP2Y1010AU0F工作一次的需要1.5s，工作期間不斷發(fā)出工作脈沖，當傳感器穩(wěn)定工作后，才能開始采樣，為了保證傳感器能夠讀出穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)時，連續(xù)采樣4次，然后將數(shù)據(jù)取平均值，采樣的參考電壓為5V。

單片機從傳感器中得到的是電壓值，這個值不是顆粒濃度的值，輸出電壓值與顆粒物濃度之間的關系如圖3所示。該系統(tǒng)的能夠正確檢出的范圍在線性區(qū)，最大顆粒物濃度為500微克/m3。根據(jù)圖3所示的曲線，編程時使用該曲線的擬合直線方程。

使用該測量系統(tǒng)在48小時內測量空氣中PM2.5的濃度變化曲線如圖4所示，為4次平均取值后得到的PM2.5濃度值，PM2.5濃度隨時間變化規(guī)律兩天的趨勢相似。系統(tǒng)能夠達到的技術指標為：空氣中顆粒物濃度的測量范圍為0?500微克/m3，測量精度能夠達到的±0.1%。設定的閾值為50微克/m3，在48小時測量時，幾乎所有的時間內都在報警。

4 總結

該設計是一種以光學空氣質量傳感器和單片機為基本元件的空氣質量檢測系統(tǒng)，能夠在一個時間段內檢測空氣中顆粒物濃度，并能在顆粒物濃度超出設置的閾值時，通過蜂鳴器報警。在后續(xù)工作中，還需要將該系統(tǒng)功能擴展，增加控制換氣扇等空氣質量調節(jié)部件，而且還可以將該系統(tǒng)通過無線網絡與上位機連接，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的遠程控制。

參考文獻

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