PM2.5浓度无线检测系统设计

王 昊，孔令荣

(南京理工大学泰州科技学院，江苏泰州 225300)

PM2.5，即直径≤2.5 μm的细颗粒物，其在空气中浓度含量越高，代表着空气污染越严重。由于环境的污染、气候的异常，PM2.5造成呼吸道疾病频繁发生，影响身体健康。本文设计了一种PM2.5浓度无线检测系统，结合单片机、传感器和无线接收发技术，通过单片机控制GP2Y10传感器采集PM2.5浓度，无线传输及读取PM2.5浓度，具有PM2.5浓度无线检测，实时浓度显示及超值报警的功能，可应用于日常生活和工业生产中。采用GP2Y10传感器，检测PM2.5浓度;无线检测发送端通过ADC0832模数转换芯片，将GP2Y10传感器输出模拟电压信号转为数字信号，送给发送端单片机AT89S52，控制nRF24L01无线模块，完成数据发送;无线检测接收端单片机AT89C52接收nRF24L01无线模块数据信息，显示于LCD显示屏，实时控制报警电路。

图1 系统总体框图

1 系统总体设计方案

PM2.5浓度无线检测系统分为PM2.5浓度无线检测发送端和PM2.5浓度无线检测接收端两部分，总体设计框图如图1所示。其中PM2.5浓度无线检测发送端进行PM2.5浓度采集和数据发送，PM2.5浓度无线检测接收端进行PM2.5浓度数据接收。系统以单片机AT89S52为控制核心，涵盖PM2.5浓度采集模块、无线通信模块、LCD显示模块、报警模块。PM2.5采集模块

2 系统硬件设计

系统主体硬件设计包括PM2.5浓度采集模块，nRF24L01无线模块，LCD显示模块和报警模块。

2.1 PM2.5浓度采集模块

PM2.5浓度采集模块的核心为GP2Y10传感器。GP2Y10传感器由SHARP公司制造，属于光学传感器，是由一个红外发光二极管和一个光电晶体管对角布置所组成的设备，可检测空气中细小尘埃的反射光，尤其是可检测到空气中微小的颗粒，如香烟烟雾。此外，还可通过输出电压的脉冲模式来区分是否为房间内的烟雾［1］。GP2Y10传感器电路连接如图2所示。

图2 GP2Y10传感器电路连接图

图2中，P1为GP2Y10传感器在电路中的插口［2］。1脚为GP2Y10传感器内部红外发光二极管供电端，和6脚一同接电源;2脚为GP2Y10传感器内部红外发光二极管接地端，与4脚一同接地;AT89S52的P1.6引脚接在Q0的基极，Q0的集电极接GP2Y10传感器3脚，发射极接地;5脚为输出引脚，连接ADC0832模数转化器的数据通道CH0。编写程序，控制P1.6引脚，模拟3脚红外发光二极管驱动周期(规格值为脉冲周期10 ms，脉冲宽度 0.32 ms，取样时间 0.28 ms)。待GP2Y10粉尘传感器通电1 s后稳定，根据GP2Y10的5脚输出电压值，判定浓度的检出。一般判断方法为:从输出电压的变化量来做判定，判断此时的浓度，另外，还可以根据输出电平在时间上的变化量，检出对象物的种类进行判别［3］。再通过ADC0832将模拟电压值转为数字量，送给发送端AT89S52。

2.2 nRF24L01无线模块

系统包含两个nRF24L01无线模块，分别位于PM2.5浓度无线检测发送端和接收端，实现数据的发送和接收。nRF24L01无线模块内部包括射频接收发机，可工作于2.4～2.5 GHz的ISM频段，实现数据的短距无线传输［4］，其与单片机AT89S52连接的原理如图3所示。

图3 nRF24L01无线模块原理图

图3中，单片机AT89S52的引脚P2.0连接CE端，实现发送或接收模式选择;P2.1连接SPI片选信号CSN端;P2.2连接SPI时钟信号输入SCK端;P2.3连接MOSI，实现SPI数据输入;P2.4连接MISO，实现 SPI数据输出。通过设置P3.2控制可屏蔽中断脚IRQ。XC1、XC2与外部晶振连接，给nRF24L01内部锁相环提供基准频率。ANT1、ANT2与电感 L1、L2、L3连接，作为天线接口。

系统设置nRF24L01工作在增强型ShockBurst模式下［5］。发送数据时，将nRF24L01配置为发射模式，通过AT89S52引脚P2.3将接收节点地址和有效数据按照时序由MOSI口写入nRF24L01缓存区，CE置为高电平并保持至少10 μs，延迟130 μs后发射数据。发送成功后，将 CE置低，使nRF24L01进入空闲模式。接收数据时，将 nRF24L01配置为接收模式，延迟130 μs后进入接收状态等待数据的到来［6］。当接收方检测到有效地址和CRC时，将数据包存储在RX FIFO中，中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，MISO将数据输出到AT89S52引脚P2.4［7］。接收成功后，将CE置低，使nRF24L01进入空闲模式。

2.3 LCD显示模块

LCD显示模块位于PM2.5浓度无线检测接收端，显示检测到的浓度值。系统选择LCD1602字符型液晶显示模块。LCD1602内部字符发生存储器(CGROM)存储了160个不同的点阵字符图形，每一个字符都对应一个固定的代码。VL端接可调电阻，可调节LCD显示显示对比度。D0～D7分别和单片机的P0.0～P0.7相连，进行数据传输。

2.4 报警模块

PM2.5超过警戒阈值时，启动报警模块。报警模块采用声光报警，原理如图4所示。三极管Q2的发射极连接蜂鸣器，基极连接单片机AT89S52的P2.5口，起开关作用。当P2.5口为高电平时，三极管Q2导通，蜂鸣器发声;而当P2.5口为低电平时，Q2截止，蜂鸣器停止发声。三极管Q1的发射极连接LED警示灯，基极连接单片机 AT89S52的P2.7口。当P2.7口为高电平时，三极管Q1导通，LED警示灯亮;而当P2.7口为低电平时，Q1截止，LED警示灯熄灭。

3 系统软件设计

PM2.5浓度无线检测系统软件设计包括发送端单片机控制程序设计、接收端单片机控制程序设计［8］，基于C语言程序编写。

发送端单片机控制程序部分，电源上电，两块nRF24L01无线模块无线匹配，发送端单片机STC89S52

图4 报警电路原理图

将由GP2Y10传感器采集的外界PM2.5浓度数据传到无线射频芯片nRF24L01。接收端单片机控制程序，两片nRF24L01无线模块之间进行数据传输，PM2.5浓度无线检测接收端nRF2401无线射频芯片接收PM2.5粉尘浓度数据，经接收端单片机STC89S52的分析和处理，显示在LCD1602液晶屏上，并控制报警电路［9］。PM2.5浓度无线检测接收信号端程序流程如图5所示。

图5 PM2.5浓度无线检测接收信号流程图

4 实物演示

系统包括PM2.5浓度无线检测发送端和PM2.5浓度无线检测接收端两部分，整体硬件实物如图6所示。

图6 整体硬件实物模块

PM2.5浓度无线检测发送端上电后，GP2Y10感应外界PM2.5浓度，发送端单片机STC89S52进行数据分析和计算，将结果传输至nRF24L01无线模块，两片nRF24L01无线射频芯片开始传输数据，通过接收端单片机STC89S52，在LCD1602显示浓度值。系统设计中，为便于观测，设置报警阈值为0.6 mg/m3。采用燃烧固体物产生连续烟雾，模拟PM2.5［10］。当超过阈值设置时，LCD1602显示浓度为0.80.6 mg/m3，报警指示灯亮，蜂鸣器鸣叫，如图7所示。

图7 PM2.5浓度无线检测超出阈值

5 结束语

设计了一种PM2.5浓度无线检测系统，介绍了GP2Y10传感器、nRF24L01无线模块工作原理及如何利用AT89S52单片机进行控制的设计方法。该系统基于单片机C语言，以AT89S52为控制核心，并给出最终硬件实物，实现了对PM2.5浓度的无线检测和报警功能。

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