簡易粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院 王留留 沈曉波

1.緒論

由于環(huán)境的變化、氣候的異常，空氣污染問題也隨之而來，空氣中的PM2.5粒徑小，面積大，活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)，對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響很大。設(shè)計(jì)出來一款小巧的室內(nèi)粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，對室內(nèi)空氣粉塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，能夠幫助人們了解周圍環(huán)境的具體狀況，并及時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒，從而讓人們擁有一個(gè)安全健康的居住環(huán)境[1]。

2.系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本次計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，GP2Y1010AU0F作為粉塵傳感器，利用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊、LCD1602液晶顯示器模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊和按鍵模塊等實(shí)現(xiàn)對粉塵濃度的監(jiān)測。[2]GP2Y1010AU 粉塵傳感器先采集粉塵的濃度，AT89S52單片機(jī)實(shí)時(shí)通過 ADC0832轉(zhuǎn)換芯片收集粉塵的濃度，經(jīng)過單片機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析處理后會(huì)在液晶屏上顯示當(dāng)前空氣中PM2.5的濃度，當(dāng)測得的空間中的粉塵濃度大于預(yù)設(shè)的粉塵濃度值時(shí)，蜂鳴器將會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警，小燈也會(huì)隨之閃爍進(jìn)行報(bào)警。粉塵的濃度報(bào)警值可以通過按鍵進(jìn)行設(shè)置。

本設(shè)計(jì)還附加了溫濕度傳感模塊，用來顯示當(dāng)前環(huán)境下的溫度和濕度，使室內(nèi)的空氣質(zhì)量更加一目了然。另外，還增設(shè)了排風(fēng)扇系統(tǒng)，當(dāng)空間中粉塵濃度過高時(shí)，使空間的粉塵濃度降低，加強(qiáng)空氣交換的流量，使得所測量的粉塵濃度值更加準(zhǔn)確。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 簡易粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2.1 主控模塊

設(shè)計(jì)采用AT89S52作為主控芯片，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。[3]

2.2 傳感檢測模塊

本次設(shè)計(jì)采用粉塵傳感器對粉塵的濃度進(jìn)行檢測，GP2Yl010AUOF日本夏普公司生產(chǎn)的一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器。它被設(shè)計(jì)用來感應(yīng)空氣中的塵埃粒子，其內(nèi)部對角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使得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。[4]

GP2Yl010AUOF粉塵傳感器的性能特點(diǎn)：靈敏度高，體積小，重量輕，便于信號(hào)處理內(nèi)藏氣流發(fā)生器，可以自行吸引外部大氣保養(yǎng)簡單，輸出電壓為0.9V 。無塵時(shí)，從輸出電壓的變化量來做判定。另外，可以根據(jù)輸出電平時(shí)間上的變化來對檢出對象物的種別進(jìn)行判別。

2.3 顯示模塊

顯示模塊采用1602字符型LCD液晶顯示模塊，是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，本設(shè)計(jì)采用16列2行的字符型LCD1602帶背光的液晶顯示屏。具有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。

2.4 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要采取兩種方式，閃光報(bào)警和聲音報(bào)警，分別由發(fā)光二極管和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。蜂鳴器的正極接到三極管的集電極上面，蜂鳴器的負(fù)極接到GND上，三極管的基級B經(jīng)過限流電阻后由單片機(jī)的引腳控制，當(dāng)輸出高電平時(shí)，三極管截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲，發(fā)光二極管不發(fā)光；當(dāng)引腳輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，聲光報(bào)警停止工作。因此，我們可以通過程序控制單片機(jī)引腳的電平來控制報(bào)警的啟動(dòng)與關(guān)閉。

蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型，本次設(shè)計(jì)主要使用電磁式蜂鳴器，接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場，振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。

2.5 排風(fēng)扇模塊

執(zhí)行模塊采用排風(fēng)扇[5]，及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)換氣，來實(shí)現(xiàn)降塵的功能?？諝庵械姆蹓m濃度被采集后處理后，將處理后的信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)現(xiàn)場粉塵數(shù)據(jù)產(chǎn)生處理指令，傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)指令驅(qū)動(dòng)排風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，及時(shí)降低的粉塵濃度。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)后根據(jù)首選判斷是否用按鍵設(shè)置粉塵濃度報(bào)警值，然后將讀取的傳感器數(shù)值進(jìn)行換算，最后判斷濃度是否超出預(yù)設(shè)值，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警或者執(zhí)行下一循環(huán)。

程序能夠顯示PM2.5的濃度值，報(bào)警函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了基本的監(jiān)視和測量功能，按鍵函數(shù)設(shè)置報(bào)警溫度值，最后利用循環(huán)語句，使檢測系統(tǒng)可以不斷執(zhí)行下去。

4.實(shí)物測試與分析

在室內(nèi)環(huán)境下，點(diǎn)燃一支煙，讓監(jiān)測系統(tǒng)置于煙霧下，打開實(shí)物開關(guān)進(jìn)行檢測，幾秒后，仔細(xì)觀察顯示屏，看顯示屏上的粉塵濃度值是否能夠正常顯示，按鍵設(shè)置一個(gè)粉塵濃度報(bào)警值，觀察粉塵濃度到達(dá)該值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)不會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)判斷按鍵是否能正常使用。其次對排風(fēng)扇進(jìn)行檢測，當(dāng)粉塵濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，檢驗(yàn)排風(fēng)扇是否能夠正常啟動(dòng)。經(jīng)測試，本次設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊都能正常工作，功能基本完善，達(dá)到了預(yù)期要求。實(shí)物系統(tǒng)如圖2。

圖2 系統(tǒng)測試

圖3 24小時(shí)內(nèi)粉塵濃度測試數(shù)據(jù)

將系統(tǒng)置于空氣中，從早上五點(diǎn)到次日凌晨四點(diǎn)，每隔一個(gè)小時(shí)打開系統(tǒng)測量一次粉塵的濃度值，記錄一天24小時(shí)內(nèi)的粉塵濃度變化情況，繪制出粉塵濃度隨著時(shí)間變化的折線圖，以時(shí)間為橫軸，粉塵濃度為縱軸，如上圖3。從折線圖中可以清楚的看出粉塵濃度在一天的時(shí)間內(nèi)的變化情況，該測量系統(tǒng)能夠清晰的測量出某一時(shí)刻的粉塵濃度值，該系統(tǒng)的檢測功能基本實(shí)現(xiàn)。

5.總結(jié)

隨著工業(yè)化社會(huì)的快速發(fā)展，粉塵污染逐年增多，其中PM2.5粉塵污染尤為嚴(yán)重，深入到各種室內(nèi)環(huán)境，影響生活健康，為此設(shè)計(jì)了一款新型粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)探測保障生活安全。該系統(tǒng)由AT89S52主控單元、檢測模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、執(zhí)行模塊組成，通過GP2Y1010AU粉塵傳感器采集室內(nèi)粉塵的濃度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)處理后在液晶屏上顯示粉塵濃度值，通過按鍵設(shè)置粉塵濃度報(bào)警閾值，大于預(yù)設(shè)閾值，蜂鳴器報(bào)警，排風(fēng)扇降塵。經(jīng)測試系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠滿足實(shí)際監(jiān)測要求。該設(shè)計(jì)結(jié)合不同情形下的粉塵濃度變化情況[6]，可以改善空氣污染問題。

[1]謝心慶,鄭薇.國內(nèi)外pm2.5研究進(jìn)展綜述[J].電力科學(xué)與環(huán)保,2015,31(4):17-20.

[2]黎世靜等.粉塵濃度傳感器在糧食系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子世界,2017(4):129.

[3]武慶生,仇梅.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,1998.

[4]GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器[OL].http://www.docin.com/p-855407734.html.

[5]魏鑫.基于單片機(jī)的智能排風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].探索與觀察,2016(3):79-82.

[6]盧鵬,何杰.PM2.5的時(shí)間分布與演變擴(kuò)散研究[J].西南民族大學(xué)報(bào),2014(40):66-71.