單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測與報警系統(tǒng)設(shè)計探析

陳博涵

摘要：近些年，空氣污染問題越來越嚴(yán)重，室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化會引起一系列疾病，在這種背景下，文章針對室內(nèi)空氣質(zhì)量問題對單片機(jī)檢測系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。文章在研究的過程中，設(shè)計了STC89C52單片機(jī)，對空氣質(zhì)量檢測和報警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，這種單片機(jī)可以對空氣中的PM2.5、揮發(fā)性有機(jī)化合物以及二氧化碳等有害氣體的濃度進(jìn)行實時檢測，然后在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后將其顯示在LCD液晶顯示屏上，并且當(dāng)其閥值超過設(shè)置的閥值時，蜂鳴器就會發(fā)出報警提示。該系統(tǒng)在檢測的時候，由于采用了模塊化設(shè)計，其可擴(kuò)展性比較強(qiáng)，而且可以通過增加相應(yīng)的模塊，使系統(tǒng)具備一定的智能化功能。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；空氣質(zhì)量檢測報警系統(tǒng)；設(shè)計

中圖分類號：TP368；TP212；X84文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-7164（2020）48-0068-04

人們越來越關(guān)注空氣污染問題，因為空氣污染不僅給自然環(huán)境帶來了一定的影響，同時也給人們的健康生活造成了嚴(yán)重影響，目前追求健康的生活環(huán)境已經(jīng)成為人們共同的觀念。近年來，隨著工業(yè)的不斷生產(chǎn)，在節(jié)日燃放的大量煙花爆竹，還有城市汽車的增加，這些都給人們的生活環(huán)境帶來一定的污染?？諝庵兴廴疚锏臄?shù)量不僅體現(xiàn)了空氣的污染程度，而且也反映出了空氣質(zhì)量的好壞。

室內(nèi)空氣質(zhì)量差會導(dǎo)致人們出現(xiàn)心血管疾病或呼吸道等問題，PM2.5或甲醛等有害氣體也會存在于室內(nèi)空氣中，影響人們的身體健康。而且一些較細(xì)小的顆粒，由于停留時間較長，自身所帶的毒性也非常大，對人體有巨大傷害。如甲醛，屬于一級致癌物。因此，在人類健康發(fā)展過程中，對空氣質(zhì)量進(jìn)行有效的改善非常重要[1]?；诖耍恼箩槍諝赓|(zhì)量檢測，設(shè)計了STC89C52單片機(jī)，并將其作為檢測的核心，這種系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性比較高，抗干擾能力非常，操作簡單，處理速度較快，同時這種系統(tǒng)的電路能夠?qū)崟r監(jiān)測室內(nèi)的環(huán)境，能有效保障室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

一、系統(tǒng)組成及工作原理

研究對空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)進(jìn)行了有效的設(shè)計，在進(jìn)行檢測時把STC89C52單片機(jī)作為了檢測過程中的核心部分。在檢測空氣室內(nèi)質(zhì)量時，利用溫度和濕度傳感器、PM2.5傳感器、甲醛傳感器等模塊來對其控制質(zhì)量進(jìn)行檢測。圖1為系統(tǒng)功能框圖：

在進(jìn)行檢測的過程中，PM2.5傳感器和溫濕度傳感器等利用模數(shù)轉(zhuǎn)換片將收集的模擬信號進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，然后利用單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理，在控制聲光報警系統(tǒng)和LCD顯示器時，再利用單片機(jī)來對其進(jìn)行有效的控制，使數(shù)據(jù)實現(xiàn)顯示，同時，也把空氣中的PM2.5值和溫濕度以及甲醛濃度有效地顯示了出來。此外，用戶也可以通過輸入模塊，對溫度和濕度的閥值進(jìn)行設(shè)置，如果溫度和濕度的閥值比設(shè)置的閥值高，聲光報警系統(tǒng)就會自動進(jìn)行報警，通過這種方式有效地提醒用戶要及時的注意室內(nèi)的空氣質(zhì)量，并進(jìn)行有效改善和優(yōu)化[2]。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)在設(shè)計的過程中，對檢測系統(tǒng)的設(shè)計利用了STC89C52單片機(jī)、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DHT11溫濕度傳感器、LCD1602液晶顯示器、GP2Y1014UPM2.5傳感器以及ZE08-CH2O甲醛傳感器等硬件。

（一）單片機(jī)最小系統(tǒng)

STC89C52單片機(jī)的研發(fā)是由宏晶科技而研發(fā)，這種單片機(jī)目前最新的單片機(jī)，其特點(diǎn)是抗干擾能力非常強(qiáng)、高速、功耗低。并且，STC89C52單片機(jī)中的指令能夠兼容傳統(tǒng)的單片機(jī)，當(dāng)用戶選擇單片機(jī)的過程中，可以為用戶提供不同的時鐘周期，第一種時鐘周期是6時鐘周期，第二種是12時鐘周期。而且它的電壓在工作過程中，其工作范圍是3.3V到5.5V，或2.0V到3.8V，工作頻率是0到40MHz，在實際工作時，其頻率可達(dá)到4848MHz。

單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路和電源電路及時鐘電路這三個電路組成，是為單片機(jī)正常工作提供電源電壓的部分最小系統(tǒng)的電源電路。時鐘電路又分為兩種工作方式，第一種工作方式是外部時鐘，第二種工作方式是內(nèi)部時鐘，時鐘電路通過產(chǎn)生時鐘脈沖信號，來為單片機(jī)工作提供時鐘節(jié)拍；而復(fù)位電路在單片機(jī)異常運(yùn)行的時候，可以將其恢復(fù)到最初始的狀態(tài)，而這也是單片機(jī)系統(tǒng)中最不可缺少的一部分[3]。外部時鐘電路是使用現(xiàn)成的外部振蕩器而產(chǎn)生的脈沖信號，通常應(yīng)用在多單片機(jī)同時工作中，這樣更加方便它們之間同步。所以，在這個設(shè)計中，所采用的是內(nèi)部時鐘的方式電路，在單片機(jī)的內(nèi)部中反相放大器，它的輸入斷的引腳為XTAL1，輸出端引腳為XTAL2。兩個引腳再接一個石英晶體和兩個電容，每個電容的另外一端都要在接到地上，從而構(gòu)成一個相對穩(wěn)定的屬于自己的振蕩器。而電容的C1和C2的大小會給振蕩器頻率的高低以及其穩(wěn)定性和起振的快速性產(chǎn)生一定的影響，所以，晶體振蕩器的頻率范圍一般情況下是在1.2到12MHz，當(dāng)其頻率越高的時候，系統(tǒng)的失真頻率就會隨著越來越高，而單片機(jī)的運(yùn)行速度也會隨著越來越快[4]。

而復(fù)位電路也分為兩種方式，一種是上電自動復(fù)位，另外一種是按鍵復(fù)位。其中按鍵復(fù)位方式是通過RST端，然后再經(jīng)過電阻和電源接通而實現(xiàn)的。而在本文設(shè)計中使用的按鍵電平復(fù)位電路，在進(jìn)行按鍵的時候，電容器會被進(jìn)行短路放電，然后直接加5V到RST上面，使其達(dá)到高電平，從而進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)松開按鍵以后，電源就會開始對電容器充電，此時充電電流在電阻上面，并形成高電流送到RST，但其仍然是復(fù)位的狀態(tài)，在充電結(jié)束以后，電流會降到0，電阻上的電壓也會降到0，而RST則會降為低電平，然后再開始進(jìn)行工作。

（二）PM2.5傳感器

GP2Y1010AU0F型號的PM2.5傳感器屬于粉塵傳感器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在工作的時候，其工作原理是基于光學(xué)傳感器的基礎(chǔ)之上來進(jìn)行工作的[5]。一敏轉(zhuǎn)換器和紅外發(fā)射二極管在設(shè)備上呈對角的方式排列。它可以對空氣中灰塵的反射光進(jìn)行探測，尤其是針對空氣中的一些比較細(xì)小的微顆粒，可以進(jìn)行有效的探測，比如香煙濃霧等。而且其可以利用電壓波形的不同，對室內(nèi)的煙霧和灰塵進(jìn)行表示與區(qū)分。因此，這種類型的傳感器能夠有效采集室內(nèi)的細(xì)微顆粒。

（三）ADC 0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器是由美國的半導(dǎo)體公司而研發(fā)和生產(chǎn)的，其特點(diǎn)是有雙通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，這種轉(zhuǎn)換器的性價比非常高，而且它本身的特點(diǎn)也非常多：比如兼容性比較強(qiáng)，轉(zhuǎn)換的速度也非?？?，具有一定的穩(wěn)定性，體積也比較小。所以，這種轉(zhuǎn)換器在剛開始推出時就得到了廣泛地應(yīng)用。此外，由于該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率有八位，而且其最大的分辨率能夠達(dá)到256級，可以有效地滿足一般用戶的模擬量的需求[6]。因此，其可以利用ADC0832有效的轉(zhuǎn)換成單片機(jī)，從而來對數(shù)字量進(jìn)行有效處理。

（四）LC D1602液晶顯示

在目前的電子通用器件中，LCD液晶顯示器是非常流行的器件，這種液晶顯示器可以用作家用電器、電子表等器件的屏幕顯示器，液晶顯示器在顯示的時候，顯示的大部分都是圖形和數(shù)字以及專用符號[7]。在設(shè)計系統(tǒng)的過程中，使用的液晶顯示器為LCD1602型號，此液晶顯示器是長沙太陽人公司研發(fā)的，其顯示器的特點(diǎn)也非常多，不僅顯示質(zhì)量較好，而且液晶顯示器的體積和重量也較小，在功耗方面消耗的也非常低，因此得到了廣泛使用。另外，該顯示器主要是用來顯示字母和數(shù)字的點(diǎn)陣式液晶顯示器，它可以利用其液晶顯示屏，將空氣中的溫濕度以及PM2.5等有效的顯示出來。

（五）S GP30氣體傳感器

SGP30氣體傳感器所使用的傳感器是集成多個元件的氣體傳感器，它可以有效檢測空氣中的二氧化碳以及揮發(fā)性有機(jī)化合物的含量，揮發(fā)性化合物所檢測的范圍是在0ppb到60000ppb，而二氧化碳所檢測的范圍是在400ppm到60000ppm之間，并且通過利用STC89C52單片機(jī)中的IIC協(xié)議來對其進(jìn)行有效的讀寫和操作。

（六）蜂鳴器報警

文章在設(shè)計的時候選用的是有源蜂鳴器，而且有源蜂鳴器相比較無源蜂鳴器來說，其控制方式更為簡單，有源蜂鳴器只需要通過交變信號的驅(qū)動使內(nèi)部的磁場發(fā)生變化。有源蜂鳴器只要將直流加在蜂鳴器上，就可以驅(qū)動蜂鳴器進(jìn)行正常的工作。有源蜂鳴器與無源蜂鳴在價格上相差無幾，有源蜂鳴器對電壓的使應(yīng)范圍比較廣，而且壽命也較長，可以對蜂鳴器的電壓值進(jìn)行調(diào)整，控制蜂鳴器的聲音響度，設(shè)計起來也較為方便，而且當(dāng)比設(shè)置的閥值高的時候，就會有報警提示，當(dāng)比設(shè)置的閥值低的時候，報警系統(tǒng)就會停止發(fā)聲[8]。因此，通常情況下都會選擇有源蜂鳴器。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

空氣檢測系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計的過程中，一般是由兩個部分來進(jìn)行完成的，首先是硬件設(shè)備，第二部分就是軟件設(shè)計，上面介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計，下面介紹一下軟件設(shè)備，軟件設(shè)計主要是對系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制和驅(qū)動，然后在與不同的系統(tǒng)功能進(jìn)行有效的結(jié)合，而軟件在設(shè)計的過程中，一般包括下面幾個模塊設(shè)計：甲醛檢測子程序設(shè)計、PM2.5檢測子程序設(shè)計、主程序設(shè)計以及溫濕度檢測子程序設(shè)計等。

（一）主程序設(shè)計

單片機(jī)在通電以后就會進(jìn)入主程序進(jìn)行工作，在主程序工作的時候，會先進(jìn)行初始化，而初始化單片機(jī)子程序中的主要的參數(shù)有：中斷程序初始化、傳感器參數(shù)初始化、LCD液晶顯示初始化以及時鐘初始化，當(dāng)初始化工作完成以后，主程序就會進(jìn)入到采集數(shù)據(jù)的階段，對各類的傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的采集，采集完數(shù)據(jù)之后，再通過ADC0832的有效利用，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可以處理的數(shù)字量，最后在液晶顯示屏中顯示出來[9]。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)比設(shè)置的閥值高時，系統(tǒng)就會進(jìn)行聲光報警，這個時候按鍵動作會中斷，然后再執(zhí)行對應(yīng)按鍵加減程序。

在檢測溫濕度的過程中，是利用DHT11型號傳感器來進(jìn)行檢測的，但是在采集溫濕度前，需要先將數(shù)據(jù)的引腳拉低，在拉低18ms之后，再拉低主機(jī)和總機(jī)，將其拉低20us，然后再進(jìn)行設(shè)置，把主機(jī)設(shè)置出入模式，等待數(shù)據(jù)輸入，并判斷是否有信號發(fā)生響應(yīng)，如果信號沒有發(fā)生響應(yīng)的話，那么就要再重新拉高，再觀察信號有沒有響應(yīng)；如果有響應(yīng)，程序會繼續(xù)執(zhí)行，進(jìn)入到接受數(shù)據(jù)的模式，在剛開始接受溫濕度傳感器所才采集到的溫濕度數(shù)據(jù)的時候，接收的是一個16位數(shù)據(jù)，在所接收到的16位數(shù)據(jù)中，高的8位是整數(shù)，低于8位的是小數(shù)，最后再利用單片機(jī)進(jìn)行處理。

（二）PM2.5檢測子程序設(shè)計

在檢測PM2.5的過程中，采用的是GP2Y1014U型號的傳感器，當(dāng)其在單片機(jī)的出口經(jīng)過的過程中，要與其通信，當(dāng)單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后，則再來判斷數(shù)據(jù)是否接收到了PM2.5數(shù)據(jù)信息，最后再來識別，識別的過程中，如果發(fā)現(xiàn)“0xaa”關(guān)鍵字，則含有PM2.5信息。然后再把PM2.5數(shù)值提出來顯示在液晶顯示器上，如果沒有關(guān)鍵字，則要再重新返回去充分接受M2.5傳感器等所采集的數(shù)據(jù)，再對其進(jìn)行檢測。

四、結(jié)語

近幾年，社會的不斷發(fā)展以及工業(yè)化的生產(chǎn)，給人們的生活環(huán)境和空氣造成了一定的污染。目前人們越來越重視健康的生活，在這種背景下，家居內(nèi)的空氣質(zhì)量成為了人們比較關(guān)注的問題。而且空氣質(zhì)量也給人們的生活和工作帶來一定的負(fù)面影響，而且如果室內(nèi)的空氣質(zhì)量比較差的話，也會給人們的身心健康帶來危害。室內(nèi)的甲醛危害性也比較大，這也是導(dǎo)致疾病的主要原因，而一些比較細(xì)小的微顆粒，其本身就帶有非常強(qiáng)的毒性，會給人們的身體健康帶來嚴(yán)重的危害[10]。

文章在研究的過程中，設(shè)計了STC89C52單片機(jī)，對空氣質(zhì)量檢測和報警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，這種單片機(jī)可以對空氣中的PM2.5、揮發(fā)性有機(jī)化合物以及二樣化碳等有害氣體的濃度進(jìn)行實時檢測，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后將其顯示在LCD液晶顯示屏上。當(dāng)其閥值超過設(shè)置的閥值時，蜂鳴器就會發(fā)出報警提示，這種設(shè)計不僅簡單、成本較低，也突破了市場上檢測器功能單一的缺陷，普通家庭也容易接受。該系統(tǒng)在檢測的時，由于采用了模塊化設(shè)計，其可擴(kuò)展性比較強(qiáng)，而且可以通過增加相應(yīng)的模塊，促使系統(tǒng)具備一定的智能化功能。文章首先分析了系統(tǒng)組成及工作原理，然后對單片機(jī)中的硬件系統(tǒng)設(shè)計做了分析，最后對單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計進(jìn)行了分析研究，希望通過上述分析可以為人們調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量提供幫助。

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（薦稿人：趙加坤，西安交通大學(xué)電信學(xué)部軟件學(xué)院副教授）

（責(zé)任編輯：莫唯然）