PM2.5空氣質(zhì)量檢測(cè)報(bào)警器的設(shè)計(jì)

【摘要】 ? ?本文重點(diǎn)介紹了單片機(jī)、粉塵傳感器、按鍵以及聲光報(bào)警、LCD液晶顯示屏等各個(gè)工作模塊的特點(diǎn)和工作原理以及軟件的設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試研究表明PM2.5空氣質(zhì)量檢測(cè)報(bào)警器可用作檢測(cè)大氣環(huán)境中PM2.5的濃度，適用于企業(yè)和個(gè)人等對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度的檢測(cè)以及監(jiān)管部門對(duì)環(huán)境的檢測(cè)的調(diào)查。

【關(guān)鍵詞】 ? ?PM2.5 ? ?空氣質(zhì)量檢測(cè) ? ?報(bào)警器

引言：

隨著生產(chǎn)力的快速發(fā)展，工業(yè)化程度的不斷提高，大氣環(huán)境質(zhì)量在不斷下降，空氣污染變得越來越嚴(yán)重，PM2.5超標(biāo)亟待解決[1]。PM2.5是由直接排入空氣中的一次微粒和空氣中的氣態(tài)污染物混合而成的復(fù)合型污染物其中最主要的污染為粉塵污染，其粒徑小，面積大，活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)（例如，重金屬、微生物等）。PM2.5超標(biāo)污染的空氣可以直接進(jìn)入支氣管，對(duì)肺部氣體互換產(chǎn)生影響，誘發(fā)包括哮喘、支氣管炎等多方面的疾病[2]。因此，PM2.5的檢測(cè)變得越發(fā)重要，已成為空氣環(huán)境污染的主要指標(biāo)之一。單片機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為主的控制系統(tǒng)的PM2.5空氣質(zhì)量檢測(cè)報(bào)警器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中PM2.5濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。PM2.5空氣質(zhì)量檢測(cè)報(bào)警器的設(shè)計(jì)可以方便地對(duì)大氣質(zhì)量做出檢測(cè)，為空氣超標(biāo)的地方做出修正意見[3]。

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)便攜式PM2.5空氣質(zhì)量檢測(cè)報(bào)警器，通過粉塵傳感器收集數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)自帶模數(shù)轉(zhuǎn)化在液晶上顯示當(dāng)前PM2.5值以及我們的設(shè)定值。超過設(shè)定值產(chǎn)生報(bào)警這一功能來達(dá)到對(duì)當(dāng)前空氣質(zhì)量的檢測(cè)。其特點(diǎn)是使用方便，便于攜帶測(cè)量準(zhǔn)確。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 ?每個(gè)模塊說明

1.PM2.5粉塵傳感器模塊：收集空氣中PM2.5濃度。

2.STC12C5A60S2：自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，將數(shù)據(jù)在液晶顯示模塊上顯示。

3.液晶顯示器：顯示當(dāng)前PM2.5濃度和報(bào)警濃度值。

4.報(bào)警電路：超過我們?cè)O(shè)定值報(bào)警LED燈亮。

5.按鍵電路：調(diào)整報(bào)警值。

6.供電電路：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

二、軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 KEIL uVision4軟件介紹

本設(shè)計(jì)中采用的是KEIL公司的uVision4作為軟件的開發(fā)環(huán)境。KEIL uVision4，同時(shí)支持現(xiàn)有的2大語言的開發(fā)包括C和匯編語言的開發(fā)，它有著簡(jiǎn)介方便的窗口管理系統(tǒng)方便開發(fā)者進(jìn)行監(jiān)控。除此之外該軟件還為開發(fā)者提供了一個(gè)清潔高效穩(wěn)定的開發(fā)環(huán)境，可以完成一整套的流程開發(fā)。

2.2軟件總體設(shè)計(jì)

2.2.1軟件部分設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)也是總體設(shè)計(jì)中非常重要的部分我們通過用C語言進(jìn)行軟件編程各個(gè)模塊的控制使他們之間相互聯(lián)系實(shí)現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)任務(wù)所達(dá)到的要求，本次設(shè)計(jì)軟件的功能需要達(dá)到的要求為：

1.讀出粉塵傳感器收集的數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)收集后模數(shù)轉(zhuǎn)化顯示在LCD上

3.用按鍵來控制設(shè)定值和復(fù)位。

4.當(dāng)顯示值超過設(shè)定值蜂鳴器報(bào)警LED發(fā)光，隨后風(fēng)扇啟動(dòng)凈化功能。

我們總體的設(shè)計(jì)過程是將整個(gè)模塊分成各個(gè)模塊來編寫。以各個(gè)模塊的軟件程序的實(shí)現(xiàn)，來達(dá)到整體的功能。

3.2.2 系統(tǒng)軟件程序

1.軟件總體框圖，如圖2所示。

1.系統(tǒng)編程分四個(gè)部分：

1）主控程序

2）LCD顯示程序

3）粉塵收集程序

4）按鍵程序

5）中斷及定時(shí)程序

2.2.3 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主題流程圖如圖3所示，系統(tǒng)通電進(jìn)行初始化，初始化的目的對(duì)各個(gè)模塊賦初值。系統(tǒng)上電初始化后，開始載入我們所設(shè)定的報(bào)警值，接著粉塵傳感器開始采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。周而復(fù)始的完成10次采集的工作。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理的流程是：

1.使用取中值法，為了使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確粉塵傳感器先收集十次數(shù)據(jù)通過軟件編程將這10個(gè)數(shù)據(jù)依次從小到大按照順序進(jìn)行排列，取最中間值為最準(zhǔn)確的值返回。

2.將返回值轉(zhuǎn)化成電壓值。

3.根據(jù)電壓與粉塵濃度的線性關(guān)系計(jì)算出PM2.5的濃度值。

三、軟件與硬件調(diào)試

通過前部分的敘述我們基本上完成了對(duì)PM2.5空氣質(zhì)量檢測(cè)報(bào)警器的整體設(shè)計(jì)。本章我們介紹是軟硬件聯(lián)合調(diào)試我們依然使用KEIL uVision4進(jìn)行軟件調(diào)試[10]。

3.1程序的編譯與下載

3.1.1 KEIL uVision4的使用過程

剛開始點(diǎn)擊project新建一個(gè)工程，點(diǎn)擊設(shè)置。

將晶振頻率設(shè)為11.0592達(dá)到我們所要的標(biāo)準(zhǔn)。

勾出輸出標(biāo)簽頁的“生成HEX文件” ，保存退出設(shè)置菜單。

點(diǎn)擊編譯，然后點(diǎn)擊建立目標(biāo)文件，生成HEX文件。

3.1.2 STC-ISP芯片燒錄軟件的使用

1.安裝好連接驅(qū)動(dòng)程序，連接單片機(jī)到電腦，打開STC-ISP。

2.選擇單片機(jī)類型為STC12C5A60S2。

3.打開剛才Keil uVision4生成的hex文件。

4.在我們所需要的COM中，我們需要查看設(shè)備管理器找到對(duì)應(yīng)的COM口這樣我們才能和單片機(jī)的通訊口進(jìn)行通信，默認(rèn)波特率，點(diǎn)擊下載即可

這次設(shè)計(jì)中軟件設(shè)計(jì)部分通過在KEIL uVision4調(diào)試完成。

3.2硬件調(diào)試

電路設(shè)計(jì)完成之后我們需要自己動(dòng)手根據(jù)我們所設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行焊接電路進(jìn)行焊接電路，電路焊接完成后我們需要對(duì)電路板進(jìn)行硬件的調(diào)試，以防止我們?cè)诤附拥倪^程中電路出現(xiàn)短路或者虛焊的現(xiàn)象排除硬件故障實(shí)現(xiàn)硬件功能，我們分步驟對(duì)各個(gè)硬件模塊進(jìn)行調(diào)試

3.2.1供電電路調(diào)試

在供電電路這一模塊中焊接完上電開始檢測(cè)，VCC接電源電壓GND接地，完成后發(fā)現(xiàn)電源開關(guān)的指示燈不亮，接著用萬用表檢查各個(gè)焊接點(diǎn)的通斷情況，發(fā)現(xiàn)是供電口的1腳的位置漏焊了，用電烙鐵焊接完成后再進(jìn)行調(diào)試后發(fā)現(xiàn)電源指示燈正常工作了。

3.2.2液晶顯示電路的調(diào)試

將液晶顯示器LCD1602接入到電路中上電進(jìn)行調(diào)試剛開始上電時(shí)候發(fā)現(xiàn)顯示屏上一片空白沒有任何的文字符號(hào)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)是因?yàn)橐壕э@示灰度沒有調(diào)節(jié)，用螺絲刀調(diào)節(jié)了電位器，發(fā)現(xiàn)液晶顯示屏上的字符可以正常顯示了。

3.2.3按鍵電路調(diào)試

將按鍵按照硬件電路設(shè)計(jì)圖的步驟連接好通電進(jìn)行調(diào)試試著去改變液晶顯示屏上的數(shù)據(jù)值發(fā)現(xiàn)沒有作用用萬用表檢查后發(fā)現(xiàn)按鍵電路的一個(gè)引腳沒有和液晶模塊相連接，用導(dǎo)線焊接完成后，功能正常了。

3.2.4報(bào)警電路調(diào)試

報(bào)警電路由蜂鳴器 LED燈和三極管組成，上電調(diào)試后蜂鳴器不工作了，仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)引腳接反了，糾正位置后可以正常工作了。

四、結(jié)束語

本設(shè)計(jì)是粉塵傳感器收集粉塵pm2.5的濃度再將收集到的數(shù)據(jù)送入自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)將模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在液晶顯示屏上顯示出來。通過鍵盤來增減或者減少我們所設(shè)定的濃度值。復(fù)位鍵盤起到復(fù)位的作用。如果我們收集到的數(shù)據(jù)值超過了我們的所設(shè)定的值蜂鳴器報(bào)警LED燈亮。用keil軟件編制了c語音程序，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的程序。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳衛(wèi)紅，邢景才，史廷明等.粉塵的危害與控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005年.

[2] Jones T B， King J L， Yablonsky J F. Powder Handling and Electrostatics Understanding and Preventing Hazards [M].US：CRC Press，1991.

[3] 焦敬品，張強(qiáng).便攜式粉塵測(cè)試儀的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009.

熊亮（1994年6月20日）漢族男，安徽蕪湖市，助力工程師，研究方向：通信工程：