檢測環(huán)境PM 值灰粉塵報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫平波，蔣金洪

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海 536000）

0 引言

近年來，家居環(huán)境污染給人們?nèi)粘Ｉ顜砹藝?yán)重的傷害，這也使得家居環(huán)境質(zhì)量問題得到了人們的廣泛關(guān)注[1]。PM 值、細(xì)菌病毒等懸浮物會(huì)隨著呼吸進(jìn)入人體肺部，造成免疫系統(tǒng)的傷害，嚴(yán)重危害身體健康。為了解決家居環(huán)境問題，對環(huán)境內(nèi)部空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測勢在必行[1]。高速發(fā)展的大數(shù)據(jù)技術(shù)、通信技術(shù)等為粉塵檢測系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)提供了有力平臺(tái)，促進(jìn)粉塵檢測技術(shù)科學(xué)化、智能化。及時(shí)監(jiān)測環(huán)境內(nèi)有害氣體的濃度是否超標(biāo)，并及時(shí)發(fā)出警示，對人們健康生活具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢測PM 值灰粉塵的簡單易操作的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對環(huán)境中PM 值的測量并實(shí)時(shí)顯示，且在檢測到的PM 值濃度超閾值情況下，及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警、提示功能及自動(dòng)開啟通風(fēng)功能[2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

綜合現(xiàn)有PM 值灰粉塵報(bào)系統(tǒng)的特點(diǎn)和不足，提出了無線環(huán)境檢測PM 值灰粉塵報(bào)系統(tǒng)的功能需求：（1）能實(shí)時(shí)檢測當(dāng)前環(huán)境的粉灰塵PM 濃度，和及時(shí)反饋環(huán)境情況，并給出提示；（2）檢測結(jié)果參數(shù)可通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)，便于用戶查看[2]；（3）粉塵濃度設(shè)定值可直接和通過無線調(diào)整控制[2，3]，同時(shí)當(dāng)檢測粉塵濃度值高于設(shè)定值，能開啟通風(fēng)系統(tǒng)；（4）實(shí)現(xiàn)粉塵濃度和設(shè)定報(bào)警濃度實(shí)時(shí)顯示[3]；（5）外接AT24C02，確保有掉電保存數(shù)據(jù)功能。

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)無線環(huán)境檢測PM 值灰粉塵報(bào)系統(tǒng)主要由單片機(jī)STC85C52 主控電路、藍(lán)牙模塊、PM2.5 傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、繼電器模塊、液晶顯示模塊和指示燈組成。單片機(jī)STC85C52 主控電路處理分析PM2.5 傳感器的檢測情況，并將其呈現(xiàn)于液晶界面，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)，實(shí)現(xiàn)用戶及時(shí)監(jiān)控；系統(tǒng)中可以通過按鍵來設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)實(shí)時(shí)檢測的濃度超過閾值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警電路啟動(dòng)，LED 指示燈顯示相應(yīng)的顏色狀態(tài)燈來作提醒，同時(shí)啟動(dòng)繼電器來打開風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，且系統(tǒng)在掉電情況下，具有自動(dòng)保存數(shù)據(jù)功能。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 部分功能模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊：采用BC417 芯片作為核心控制器，其采用藍(lán)牙4.0 協(xié)議[2]。藍(lán)牙模塊通過通用異步收發(fā)器（UART）串口的形式與單片機(jī)進(jìn)行通信[4]，單片機(jī)控制器以無線形式把其處理分析PM2.5 傳感器監(jiān)測到的環(huán)境粉灰塵情況的數(shù)據(jù)信息通過天線發(fā)射出去，同時(shí)轉(zhuǎn)換接受到的信息以串口反饋給單片機(jī)[5]。在藍(lán)牙通信程序設(shè)計(jì)中需要將檢測到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)。

PM2.5 模塊：系統(tǒng)中的粉塵傳感器選用的是GP2Y1010AU0F 傳感器，可以檢測直徑大于0.8 μm 灰粉塵顆粒濃度，其工作原理是利用掛光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)對空氣內(nèi)部PM2.5 進(jìn)行相應(yīng)檢測操作[2，6]。

指示燈電路設(shè)計(jì)：采用三種顏色的LED 燈，紅黃綠來分別表示當(dāng)前環(huán)境的狀態(tài)，環(huán)境良好綠色LED 燈亮，環(huán)境一般黃色LED 亮，環(huán)境不合格紅色LED 亮。

存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)：采用AT24C02 這個(gè)芯片，單片機(jī)通過兩線式串聯(lián)總線控制協(xié)議，將需要保存的數(shù)據(jù)通過芯片的SCL 和SDA 引腳傳輸?shù)叫酒锩鎇5]，從而當(dāng)系統(tǒng)重新啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)從AT24C02 芯片中再被讀取出來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電保存的功能[7]。

2 系統(tǒng)測試

基于以上設(shè)計(jì)，開發(fā)的環(huán)境檢測PM 值灰粉塵報(bào)系統(tǒng)如圖2 所示。在春季和冬季南方，一些小區(qū)的室內(nèi)外進(jìn)行測試。（1）分別測量中小雨天氣下，室內(nèi)外的空氣粉灰塵PM 值；（2）分別測抽煙情況及無抽煙情況，室內(nèi)外的空氣粉灰塵PM 值。每種環(huán)境檢測次數(shù)20 次以上，測量值求平均數(shù)。系統(tǒng)測試過程圖2、圖3 所示。

圖2 無線環(huán)境檢測PM 值灰粉塵報(bào)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3 測試過程圖（室內(nèi)有人抽煙時(shí)PM2.5 值）

通過測試發(fā)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)了不同環(huán)境下PM2.5 濃度的實(shí)時(shí)檢測、液晶的顯示和數(shù)據(jù)的藍(lán)牙的傳輸。表1 為測試的部分結(jié)果。設(shè)定報(bào)警閾值為100 μg/m3后，當(dāng)高于該閾值時(shí)，指示燈變紅色，蜂鳴器發(fā)出響聲，繼電器能開啟，風(fēng)扇可啟動(dòng)進(jìn)行通風(fēng)。

表1 不同環(huán)境的PM2.5 值

在無線監(jiān)控PM 值過程中，使用一款功能強(qiáng)大手機(jī)APP 藍(lán)牙調(diào)試器軟件，支持BLE 型藍(lán)牙串口模塊，有助于客戶進(jìn)行無線控制、參數(shù)調(diào)整以及數(shù)據(jù)反饋，測試藍(lán)牙之間的數(shù)據(jù)交互等。本設(shè)計(jì)運(yùn)用此手機(jī)調(diào)試器APP 與PM2.5 傳感器藍(lán)牙模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控環(huán)境PM 值灰粉塵情況。操作如下：用手機(jī)APP藍(lán)牙調(diào)試器連接設(shè)備，顯示可連接，如圖4 左上角顯示HC-08 已連接，測試顯示連接距離可以達(dá)到6 m，圖5為距離遠(yuǎn)之后，系統(tǒng)自動(dòng)斷開。圖中展示了獲取得到的數(shù)據(jù)。表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)和手機(jī)端使用的功能。

圖4 設(shè)備藍(lán)牙連接手機(jī)傳輸數(shù)據(jù)

圖5 設(shè)備距離手機(jī)太遠(yuǎn)傳輸數(shù)據(jù)斷開

為了證明本設(shè)備具有掉電保存數(shù)據(jù)功能，在一分鐘內(nèi)連續(xù)開啟、關(guān)閉設(shè)備，設(shè)備重新啟動(dòng)后能顯示關(guān)閉前的數(shù)據(jù)，證明本設(shè)備在掉電的情況下，能保存報(bào)警閾值不變，使得重新開啟設(shè)備后不需要再次調(diào)整報(bào)警閾值。

3 結(jié)束語

新設(shè)計(jì)的一種環(huán)境檢測PM 值灰粉塵報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多種不同環(huán)境下PM2.5 檢測系統(tǒng)能通過液晶屏和藍(lán)牙無線通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面監(jiān)控，可通過手機(jī)APP 修改報(bào)警閾值。同時(shí)，設(shè)計(jì)了環(huán)境報(bào)警及通風(fēng)功能，且系統(tǒng)帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。后期可進(jìn)一步增加系統(tǒng)功能，如加入甲醛檢測、溫濕度檢測等新的功能。