基于單片機的粉塵及溫濕度檢測電路設計

張展召 李芳芳 史要強 安 妮 李潤瑩

（新鄉(xiāng)醫(yī)學院三全學院 河南新鄉(xiāng) 453003）

2021年是打贏打好污染防治攻堅戰(zhàn)的一年，在這“十四五”開局之年國家統(tǒng)籌推進經(jīng)濟建設、地方民生建設，緊跟其后的便是大氣污染治理問題。環(huán)境污染由城市向農村迅速蔓延。環(huán)境問題對我國經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展和社會主義現(xiàn)代化建設帶來重要挑戰(zhàn)，醫(yī)療環(huán)境受到極大影響，不良的醫(yī)療環(huán)境極大程度上推遲患者術后恢復速率，更有甚者引起感染、誘發(fā)癌癥等，帶來不可修復的影響[1]。目前國內醫(yī)療環(huán)境、微生物試劑研發(fā)檢測等對大氣粉塵含量、溫濕度要求極為嚴格。而手術室屬于易感染的高危區(qū)域，對其進行嚴格地管理檢測意義可見一斑。在醫(yī)療環(huán)境中較高含量的粉塵會很大程度上影響手術等的正常進程，需嚴格按照國家標準進行監(jiān)測，譬如，手術室不僅需要對微生物含量進行實時監(jiān)測與把控，更需要對粉塵、溫濕度進行調整，創(chuàng)建一個良好的醫(yī)療環(huán)境絕不僅僅是外觀合格，更重要的往往是微生物、粉塵含量等。正是如此，醫(yī)療環(huán)境下的粉塵及溫濕度檢測也成為了一臺手術成功與否的關鍵。在這大時代為背景下，亟需研發(fā)一款新型粉塵及溫濕度檢測系統(tǒng)，將現(xiàn)代科技與醫(yī)療生活相結合，以改善醫(yī)療生活體驗為目的，從而促進現(xiàn)代醫(yī)療的迅猛發(fā)展。

一、粉塵的危害

大氣污染的主要成分——粉塵，粉塵即為大氣懸浮顆粒，大氣中懸浮顆粒物的超標是環(huán)境污染中的一個重要方面，在工業(yè)上粉塵給作業(yè)人員和安全生產(chǎn)造成極大危害[2]。在醫(yī)療環(huán)境中粉塵對其危害性更大。其中包括生物試劑研發(fā)時，較高濃度的粉塵環(huán)境會影響試劑科研結果走向，甚至研發(fā)失敗。以及醫(yī)療體驗背景下手術環(huán)境的無菌無塵化要求等，若不能實時性檢測，以保證達到手術環(huán)境標準，手術風險則會相應增加，甚至導致手術無法正常進行。粉塵對人體呼吸道、心肺功能危害性極大，嚴重者可誘發(fā)癌癥等。

粉塵類型不同、來源不同，對人體產(chǎn)生影響方式大不相同。如部分粉塵來源于極其干燥的施工環(huán)境，會對人體的眼角膜、結膜等部位產(chǎn)生不良影響，嚴重者會導致炎癥或失明等。再如部分粉塵會依附于人體表面從而引起皮膚瘙癢等外在刺激。粉塵對人體危害性極大包括上呼吸道感染、肺部炎癥、肺部癌癥等。術后恢復等醫(yī)療環(huán)境對粉塵及溫濕度要求極為嚴格[3]。大氣污染與環(huán)境污染問題日趨嚴峻，呼吸道感染導致死亡、肺癌發(fā)病與死亡還將進一步攀升。[4]

二、粉塵檢測設備研究現(xiàn)狀

目前，展望國內外的粉塵及溫濕度檢測的成品設備國家，包含有英、美、日、德等國，其對粉塵檢測設備的研發(fā)投入較早，目前均領先于國內生產(chǎn)水平，其中大多采用光散射法對粉塵進行濃度檢測。醫(yī)療環(huán)境下的粉塵及溫濕度檢測成為了一臺手術成功與否的關鍵。設計新型集成便攜式粉塵及溫濕度檢測設備將會推動國內粉塵及溫濕度檢測儀的快速發(fā)展，填補國內外發(fā)展的空白。目前國內的粉塵及溫濕度檢測儀造價低，性能穩(wěn)定，因而受到國內外的一致好評。

三、粉塵及溫濕度檢測設備設計原理

通過溫濕度檢測傳感器、粉塵監(jiān)測傳感器將醫(yī)療環(huán)境的粉塵含量及溫濕度轉換為相應的模數(shù)信號，對其進行監(jiān)測處理，并將其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸至運算模塊的單片機部分進行快速的數(shù)據(jù)處理分析，后經(jīng)由顯示模塊對其檢測數(shù)值進行顯示。當檢測到醫(yī)療環(huán)境中粉塵數(shù)值、溫濕度達到設定的峰值時，經(jīng)由報警模塊進行報警處理，粉塵及溫濕度檢測可測量當前環(huán)境的粉塵等排放量是否符合是國家標準，從而保證醫(yī)患人員的生命健康等。當然，大醫(yī)療環(huán)境方面應用相對更加廣泛，譬如疫苗試劑的研發(fā)就需要無菌無塵這種極其嚴格的環(huán)境，需要對其環(huán)境粉塵及溫濕度進行實時性檢測更新，以確保試劑研發(fā)工作的正常進行，以此警示該環(huán)境下醫(yī)護研發(fā)人員改善其所處的醫(yī)療環(huán)境。粉塵及溫濕度檢測系統(tǒng)電路圖如圖1。

圖1 粉塵及溫濕度檢測電路圖

四、常見粉塵及溫濕度檢測的各模塊介紹

（一）單片機運算模塊

在大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展為背景下，各硬件逐漸穩(wěn)定化、集成化、數(shù)據(jù)化。單片微型計算機（Single Chip Microcomputer，簡稱SCM）是大規(guī)模集成電路技術發(fā)展的產(chǎn)物，它將中央處理器（CPU）、存儲器（ROM/RAM）、輸入/輸出接口、定時器/計數(shù)器等計算機的主要部件集成在一片芯片上，又稱為單片機或微控制器[5]。

單片機是整個粉塵及溫濕度檢測系統(tǒng)的運算樞紐，將傳感器采集的信號進行處理分析，并輸出給其它顯示、報警模塊等。選擇合適正確的單片機將會減輕其程序運算步驟、功耗等。本次設計選用通用性強、功耗小、性能穩(wěn)定的STC89C52單片機。指令代碼可完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，且具有12時鐘機器周期和6時鐘機器周期任意選擇功能。CMOS8位的微控制器單片機。

時鐘電路部分：此次實驗中采用的12MHz的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個電容對振蕩頻率影響較小，起到頻率微調的作用。此次設計使用22pF的電容。

（二）溫濕度傳感器模塊

DHT11復合型溫濕度檢測傳感器，應用于相關專業(yè)環(huán)境下的溫濕度檢測項目。具有快速響應、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于對環(huán)境溫濕度檢測的專業(yè)性設計開發(fā)中。采用單線制串行接口。

通過按鍵對溫濕度進行上下限設置，當環(huán)境溫濕度檢測數(shù)值對應的電路數(shù)值不在設置范圍內時，可實現(xiàn)聲光報警，以此提醒醫(yī)療環(huán)境下的醫(yī)護人員對其進行改善。

圖2 溫濕度傳感器模塊典型應用電路

（三）粉塵傳感器電路

GP2Y1010AUOF粉塵傳感器，實時檢測粉塵顆粒物濃度。產(chǎn)生電壓模擬信號。1引腳接電阻R3及電容c4，3腳接單片機外部中斷口。5腳（CH1）是粉塵濃度的模擬量輸出腳，接在模數(shù)轉換器ADC0832上進行信號轉換。

粉塵傳感器檢測模塊如圖3：

圖3 粉塵傳感器檢測模塊電路圖

（四）1602LCD顯示模塊

采用體積小的LCD1602作為顯示器件，無須外加驅動電路?？娠@示2行16個漢字。

1602LCD液晶顯示模塊電路圖如圖4：

圖4 液晶顯示模塊電路圖

（五）供電源電路模塊

為了使單片機系統(tǒng)穩(wěn)定正常地運行，就需要提供一個穩(wěn)定、持久的穩(wěn)壓電源進行輸入，本設計采用USB5V供電口進行供電輸入，適用范圍較廣，電腦的USB插孔、手機充電器USB插孔、醫(yī)療設備的USB接口或者充電寶等穩(wěn)壓電源都可以為其供電，增加了其工作環(huán)境電源的適配性，電源中包含有指示燈，方便了解電源供電狀況。

圖5 供電源連接圖

（六）復位電路

復位引腳RST（第9引腳）：當出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，執(zhí)行復位操作，當RST持續(xù)為高電平時，單片機處于循環(huán)復位狀態(tài)。復位操作包括上電自動復位和開關復位。

圖6 復位電路模塊電路圖

（七）A/D轉換設計方案

由系統(tǒng)直接進行處理和分析的相關信息輸出為數(shù)字信號，這就需要進行模數(shù)轉換，將粉塵、溫濕度傳感器監(jiān)測的電信號轉化為數(shù)字信號并輸出給相關模塊。此設計采用ADC0832 作為模數(shù)轉換器，輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容，輸入電壓0-5V，兼容性強、便于微型集成化。

A/D轉換電路設計如圖7：

圖7 A/D轉換電路引腳圖

（八）按鍵電路設計方案

此次粉塵及溫濕度檢測設計采用了單片機的P3.2，P3.3，P3.4三個端口。

按鍵的功能分別為：

按鍵一：對所設定的參數(shù)減一，長按可實現(xiàn)連減。

按鍵二：對所設定的參數(shù)加一，長按可實現(xiàn)連加。

按鍵三：對粉塵或溫濕度預設值修改設定進行模式的轉換。

按鍵電路模塊設計如圖8：

圖8 按鍵電路設計圖

五、結束語

本次設計的基于單片機設計的粉塵及溫濕度檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)信息處理運算核心部分采用的是單片機STC89C52，通過粉塵傳感器及溫濕度傳感器對環(huán)境內的粉塵濃度及溫濕度進行實時性監(jiān)測，在實地監(jiān)測的過程中，需要保證每次檢測之前傳感器的潔凈度，否則會影響之后測量精確度。