基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測儀設(shè)計

◇咸陽師范學(xué)院 郝海燕 龔 杰

如今，在經(jīng)濟(jì)的帶動下，人們的生活水平是越來越好。但也滋生了許許多多的問題，大氣污染便是其中問題之一。令我們憂心的是，大氣的污染不僅會帶來諸多的惡劣天氣，更會影響到我們的身體健康，基于此原因，本文利用單片機(jī)來制作一款可以檢測空氣質(zhì)量的儀器。利用此儀器可以方便、快捷、準(zhǔn)確的檢測出當(dāng)前的空氣質(zhì)量，以便人們對此做出相應(yīng)的準(zhǔn)備，從而應(yīng)對大氣污染。

一直以來，煤炭是我國主要的能源之一，由于長期開采和使用，因此也變成了大氣污染的主要成因之一。隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，我國的大氣環(huán)境越來越差，不僅威脅到人們的健康還存在發(fā)生環(huán)境災(zāi)變的隱患。

1 系統(tǒng)總體方案

本次設(shè)計主要是結(jié)合單片機(jī)理論知識和實踐的可行性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計一款空氣質(zhì)量檢測儀。該設(shè)計主要由主控芯片模塊、功能顯示模塊、功能報警模塊、功能按鍵模塊、功能信號采集模塊、功能凈化模塊組成。各部分相互依存、相互影響共同構(gòu)成了空氣質(zhì)量檢測儀系統(tǒng)。各大模塊的具體構(gòu)成包括有：主控芯片模塊包括主控芯片，晶振電路和復(fù)位信號電路；功能顯示模塊主要包括LED顯示電路和LCD的顯示電路；功能報警模塊包括蜂鳴器報警電路；功能信號采集模塊包括PM2.5檢測電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；功能按鍵模塊包括獨立按鍵電路和開關(guān)按鍵電路；功能凈化模塊包括負(fù)離子凈化電路。重點在于主控芯片，功能顯示和信號采集的各器件的選擇。

圖1 空氣質(zhì)量檢測儀系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片的選擇

選擇STC89C51單片機(jī)控制芯片作為主控芯片，該主控芯片共有兩個定時計數(shù)器和兩個外部中斷。它具有成本低廉、結(jié)構(gòu)相對簡單、容易控制等優(yōu)點，其性能價格比遠(yuǎn)高于同類芯片。

基于本次設(shè)計要求，通過對比市面上的多種芯片，考慮到成本、實時性、操作性強(qiáng)等問題。此芯片不僅可以滿足本次設(shè)計的要求，而且外圍電路簡單、硬件設(shè)計方便。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的選擇

采用ADC0881作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是一種單片、快速的8位模數(shù)變換器，它具有集成度高，能夠節(jié)省空間、減少體積、簡化線路板的布線設(shè)計、優(yōu)化系統(tǒng)的性能等優(yōu)點，但不過成本較高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易操作、實用性不強(qiáng) 。

基于本次設(shè)計的要求?？紤]到經(jīng)濟(jì)適用、操作簡單、可靠性好，且都能達(dá)到最終目的。綜合考慮，最終便使用此模塊。

2.3 傳感器模塊的選擇

方案一：采用SDS011傳感器作為空氣的濃度檢測模塊，它能直接讀出十六進(jìn)制數(shù)，雖然測的靈敏度高，但成本比較高，操作比較復(fù)雜，一般不采用。

方案二：利用夏普粉塵傳感器GP2Y10 10AU0F作為空氣濃度的檢測模塊，它是一種粉塵煙霧傳感器，能檢測出非常細(xì)微的顆粒。其輸出的是與空氣中粉塵濃度成正比的電壓模擬量，需通過A/D采集后轉(zhuǎn)化成數(shù)字量顯示濃度值。由于價格便宜、經(jīng)濟(jì)適用、靈敏度相對于其它的高，一般市場采用此傳感器。

通過對上述方案的比較，都能夠?qū)崿F(xiàn)檢測空氣中的濃度，不過綜合考慮選擇方案二。

2.4 顯示模塊的選擇

使用LCD1602液晶作為顯示模塊。他顯示的內(nèi)容為16×2，既可以顯示兩行，每行16個字符。它具有背光調(diào)節(jié)功能，只需要調(diào)節(jié)外部電位器便可時時調(diào)節(jié)背光、改變對比度，來控制顯示的亮度，同時單片機(jī)的I/O引腳的驅(qū)動電流既可驅(qū)動LCD1602，而且價格便宜、可插拔性強(qiáng)、功耗較低、顯示內(nèi)容多樣性、外表美觀、體積小等優(yōu)點，這些優(yōu)點是其他顯示器無法相比的。

2.5 凈化模塊的選擇

使用負(fù)離子凈化器。它的原理是強(qiáng)電場產(chǎn)生負(fù)離子與顆粒污染物相結(jié)合，使其沉淀或者吸附在物體表面，其優(yōu)點是殺滅細(xì)菌，凈化效果比較好。

通過一系列的比較比較，使用此種進(jìn)化模塊的實用性強(qiáng)，能更好的凈化空氣。

2.6 按鍵模塊的選擇

方案一：選用矩陣鍵盤，可以更大程度上的使用上面的I/O端口，但程序比較復(fù)雜，多用于按鍵比較多的電路。

方案二：選用獨立按鍵式，每個端口獨立工作。程序編寫簡單，操作簡單。

通過上述兩個方案比較，由于此次設(shè)計的按鍵個數(shù)不多，又能滿足要求，綜合考慮選擇方案二。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序的入口為main()函數(shù)，先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主程序，當(dāng)按下菜單按鍵，LCD顯示菜單功能界面。根據(jù)設(shè)置的報警值，判斷測得的濃度是否達(dá)到報警值以及開啟凈化器。利用1602實時反應(yīng)整個檢測裝置的運(yùn)行。主要程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真與測試

4.1 仿真

首先進(jìn)行keil的仿真，對于單片機(jī)來說，keil軟件是必不可少的，它有著強(qiáng)大的仿真和編輯功能。再利用Proteus進(jìn)行仿真，其具體過程如下所示。

當(dāng)按下設(shè)置鍵后，通過加減鍵設(shè)置參考值為300 μg/m3時，調(diào)節(jié)可變電阻使得實際測量值為125 μ g/m3時，小于設(shè)定值的一半時，綠色LED燈亮，表示空氣質(zhì)量良好。當(dāng)按下設(shè)置鍵后，通過加減鍵設(shè)置參考值為300 μg /m3時，調(diào)節(jié)可變電阻使得實際測量值為180 μ g/m3時，大于設(shè)定值的一半且小于參考值時，黃色LED燈亮，表示空氣質(zhì)量一般。當(dāng)按下設(shè)置鍵后，通過加減鍵設(shè)置值設(shè)定為300 μ g/m3時，調(diào)節(jié)可變電阻使得實際測量值為320 μ g/m3時，大于設(shè)置設(shè)定值，紅色LED燈亮，并且蜂鳴器報警，表示空氣質(zhì)量差，然后紫色LED亮，表示開啟凈化器。電路仿圖結(jié)果如圖3所示。

圖3 實物設(shè)計圖

4.2 實物調(diào)試

在預(yù)測功能上，經(jīng)過一系列的仿真之后，實現(xiàn)預(yù)測的功能，最后便是購買器件在進(jìn)行焊接調(diào)試，經(jīng)過調(diào)試后，預(yù)測的功能在實物圖已經(jīng)實現(xiàn)。調(diào)試前的如圖4所示。

圖4 實物圖

5 結(jié)語

該設(shè)計的難度就是在傳感器的選擇和A/D轉(zhuǎn)換器的選擇上，經(jīng)過翻閱和查找相關(guān)資料，終于找到的了日本公司生產(chǎn)的夏普粉塵傳感器GP2Y1010AU0F和美國公司生產(chǎn)的ADC0832轉(zhuǎn)換器，由于它們比較經(jīng)濟(jì)使用，便于操作，有利于我們做空氣質(zhì)量檢測儀的元器件。筆者學(xué)習(xí)了它們的原理和用法，不僅對本次設(shè)計有所幫助，也提高了筆者的操作能力和運(yùn)用知識的能力。