多功能PM2.5检测系统

王　路，曲　伟，胡家骏

( 黑龙江大学 电子工程学院，哈尔滨 150080 )



多功能PM2.5检测系统

王路，曲伟*，胡家骏

( 黑龙江大学 电子工程学院，哈尔滨 150080 )

摘要：针对市场上PM2.5检测仪的功能单一和价格昂贵的问题，设计了一款多功能PM2.5检测系统。此检测系统以STC90C51单片机为核心控制器，采用GP2Y1050AUOF灰尘传感器和DS18B20温度传感器对空气中PM2.5浓度和环境温度进行检测，经A/D转换，完成了数据采集、计算与处理，实现了PM2.5浓度、温度、时间实时显示以及PM2.5上限报警、时间调整、人机交互等功能。测试结果表明：该PM2.5检测系统在室外正常空气环境中测试结果与当地环境检测部门公布的PM2.5数据误差为±3 μg/m3，温度误差为±1 ℃，时间走时精确。

关键词：PM2.5；GP2Y1050AUOF传感器；检测系统

0引言

医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径≤2.5 μm的颗粒物[1]。这些细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5。颗粒物的来源是不完全燃烧，因此只要是靠燃烧的烟草产品，都会产生具有严重危害的颗粒物，也包括金纸燃烧、焚香及燃烧蚊香。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，代表空气污染越严重。

生活水平的提高和生活节奏的加快，人们对环境和时间尤为关注，又因市场上PM2.5检测仪的功能单一不能完全满足居民生活需求，为此设计了一款多功能PM2.5检测系统，该系统能够检测PM2.5浓度，设置浓度上限报警，并具有时间、温度实时显示功能，方便居民实时了解周围环境状况。

图1　系统总体设计框图Fig.1　Overall system design diagram

1系统总体设计

系统主要由STC90C51单片机、温度检测电路、按键控制模块、时钟电路、PM2.5检测模块、A/D转换模块、报警电路和LCD液晶显示电路等部分组成，系统框图见图1。

STC90C51为主控芯片；DS1302用于时间走时；DS18B20温度传感器采集环境温度；ADS7822把GP2Y1050AU0F灰尘传感器采集的空气中PM2.5浓度模拟量转化为数字量；LCD12864用于显示PM2.5浓度、温度、时间等参数；报警电路用于PM2.5上限报警和闹铃功能。

2系统硬件设计

2.1PM2.5检测

GP2Y1050AUOF为夏普公司开发的二代PM2.5传感器[2]，可检测0.03～2.5 μm的微尘颗粒，输出电压0～3.5 V，电流损耗最大20 mA。主控MCU在A/D采样和串口通信(RXD)两种方式之间可任选一种，且输出信号都为线性信号。GP2Y1050AUOF传感器主要参数见表1。

图2　GP2Y1050AUOF传感器结构原理图 Fig.2　Sensor GP2Y1050AUOF structure diagram

项目数值项目数值无尘输出电压/V0检测感度V/(0.1mg·(m3)-1)0.35～0.65动作电压/V4.8～5.2保存温度/℃-20～+80动作温度/℃-10～+65消耗电流/mA典型值17

2.1.1GP2Y1050AUOF传感器结构原理

GP2Y1050AUOF传感器的结构原理见图2。其结构为红外发光二极管和光敏三极管对角布置，检测原理为灰尘或烟雾颗粒通过防尘通气孔进入装置，红外发光二极管发射红外线到颗粒物上，光敏三极管接收其散射光信号。由于散射光强度与粉尘浓度成正比，因此可通过测量散射光强度，测出粉尘的浓度。

2.1.2GP2Y1050AUOF传感器内部回路

GP2Y1050AUOF传感器内部回路见图3。光敏三极管接收其反射光信号，并通过放大电路转换为电信号，通过内置单片机转换，输出模拟电压值V0。GP2Y1050AUOF传感器将第一代GP2Y1010AU0F传感器[3]的外围单片机电路集成到了传感器内部，整机体积缩小，总体成本下降。同时单片机代码为Sharp官方优化过的算法，避免了各个厂家不同算法代码造成的差异和错误。第二代PM2.5传感器能随使用时间的增长自动计算和优化损耗，令传感器的实际使用寿命较第一代更长，在较长时间使用后更能保证输出数据的准确性。并在第一代只有模拟输出的基础上增加了数字输出。

图3　GP2Y1050AUOF传感器内部回路Fig.3　Sensor GP2Y1050AUOF internal circuit

GP2Y1050AU0F传感器输出特性参考数据见图4，其中模拟端口输出电压值V0乘以系数K(自行设定)即得到灰尘浓度值，单位为mg/m3。

图4　输出特性参考数据Fig.4　Output characteristic reference data

图5　PM2.5浓度采集系统电路Fig.5　PM2.5 concentrations acquisition system circuit

2.1.3PM2.5浓度采集电路

PM2.5浓度采集接口电路见图5。本设计由于串口输出数据太过灵敏，不易准确读取数值，并在软件编程中时间中断对温度输出数据产生影响，故用A/D采样输出。ADS7822[4]是美国TI公司推出的一种低功耗、高性能12位A/D转换芯片，正常模式下的典型功耗为0.54 mW(速率75 kHz时)或0.06 mW(速率7.5 kHz时)是电池供电设备的理想选择。本设计采用该芯片的单端输入方式与GP2Y1050AUOF传感器的模拟输出相连，串行输出与CPU相连。作用是将传感器输出的模拟电压信号经过 A/D转换，再由单片机数据采集、计算、处理后，由LCD12864 显示屏对所检测的 PM2.5 数值进行显示。系统总体设计电路见图6。

图6　系统总体设计电路Fig.6　Overall system design circuit

图7　温度检测电路Fig.7　Temperature sensing circuit

2.2温度检测电路

温度检测电路见图7。DS18B20数字温度传感器具有9 Bit至12 Bit的摄氏温度测量精度；用一个数据线(以及地)与微控制器进行通讯；温度检测范围为-55～+125 ℃，在-10～85 ℃之外时具有±0.5 ℃ 的精度；可以直接由数据线供电而不需要外部电源供电[5]。

2.3时钟、显示、按键及报警功能2.3.1时钟电路

时钟电路见图8，采用双电源供电(主电源和备用电源)，可设置掉电走时功能。

DS1302是一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据[6]。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31 d可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压为2.5～5.5 V。

2.3.2液晶显示

LCD12864构成液晶显示电路，它具有4位/8位并行，2线或3线串口多种接口方式，可显示汉字及图形，内置8 192个中文汉字(16×16点阵)、128个字符(8×16点阵)及64×256点阵显示RAM。低电压低功耗是其显著特点，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。LCD显示界面见图9。

图8　时钟电路Fig.8　Clock circuit

图9　显示界面Fig.9　 display interface

2.3.3按键功能

按键控制共用5个独立按键，各按键的功能如下：

S2—功能键，可依次对时、分、秒、星期、日、月、年进行调整，还可对闹钟的时、分、秒及闹钟开关进行选定。

S3、S4—增加键、减少键，当选定时间、闹钟或PM2.5浓度时，按一次可以对数值加1或减1。

S5—退出键，当调整时间和日期时，按此键可退出当前调整模式，显示主页面。

S6—闹钟/PM2.5阈值设定键，按一次进入闹钟设定页面，按二次进入PM2.5浓度阈值设定页面，按三次退出此模式，显示主页面。

2.3.4报警电路

报警电路可通过发光二极管和蜂鸣器进行声、光报警。由于单片机驱动蜂鸣器电流不足，所以设计用IN4148(NPN)三极管来增加单片机的驱动能力[7-8]。

根据PM2.5监测网空气质量新标准，24 h平均值标准值见表2。报警电路的发光报警可对照表2进行设计：当PM2.5浓度值为100～200 μg/m3时，LED1白灯闪烁，提醒居民PM2.5已达危害身体健康水平；200～300 μg/m3时，LED2红灯闪烁，提醒居民PM2.5已达严重危害身体健康水平。声音报警的设计可人为设定，当PM2.5浓度值到达人为设定的阈值时，蜂鸣器发生报警。

表2　PM2.5监测网空气质量新标准

3系统软件设计

本次设计软件部分可大致分为PM2.5检测模块程序、时间模块程序、温度检测模块程序、LCD液晶显示模块程序等。

3.1PM2.5检测模块程序

PM2.5检测模块程序流程图见图10。它采用ADS7822芯片将GP2Y1050AU0F传感器输出的模拟信号转换成数字信号，送入单片机处理分析。

图10　PM2.5检测模块程序流程图Fig.10　PM2.5 detection module program flow chart

3.2Keil uVision软件

编译成功后的主程序流程图见图11。与汇编相比，C语言在功能性、结构性、可读性、可维护性上有明显优势，并且C语言可移植性强，因此本设计用C语言编写程序代码。用 Keil uVision软件的工程管理、源代码编辑、编译设置、下载调试等功能实现软件编程，用PZISP自动下载软件把编译成功后的程序下载至微处理器中，使其控制系统正常运行。

图11　主程序流程图Fig.11　Main program flow chart

4结论

本文设计的多功能PM2.5检测系统采用GP2Y1050AUOF灰尘传感器和DS18B20温度传感器对空气中PM2.5浓度和环境温度进行检测，经A/D转换，完成数据采集、计算与处理，实现了PM2.5浓度、温

度、时间实时显示以及PM2.5上限报警、时间调整、闹钟提醒等功能。经测试，在室外正常空气环境中测试数据与当地环境检测部门公布的PM2.5数据误差为±3 μg/m3，温度误差为±1 ℃。与市场上PM2.5检测仪相比，该设计检测系统功能更强，价格更便宜，易于携带，方便居民随时了解周围环境PM2.5状况，满足了居民日常生活需要。

参考文献：

[1]张国文. 北京东北部城区PM2.5中元素的污染特征及来源解析[D].济南：山东师范大学，2012.

[2]GP2Y1050AUOF中文规格书[EB/OL]. 百度文库.

[3]兰冰芯，谌海云，陈东,等.基于单片机的PM2.5测试仪的设计与实现[J].物联网技术，2014,(11)：32-34.

[4]龚贤武，汪贵平，李登峰. 12位高速、低功耗AD转换器ADS7822及其应用[J].现代电子技术，2006,12：146-147.

[5]于永学，葛建.1_Wire总线数字温度传感器DS18B20及应用[J]. 电子产品世界，2003:80-82.

[6]赵海兰，毛玉良，赵祥伟. 实时时钟电路的原理及应用[J].电子元器件应用，2004，6 (1): 20-23.

[7]童诗白，华成英. 模拟电子技术基础:第四版[M].北京：高等教育出版社,2006: 28-34.

[8]高素玲，段德功，杨旱平，等.导步电机的数字式变频调速系统设计和仿真[J].黑龙江大学自然科学学报，2015，32(5)：693-696.

Multifunction PM2.5 detection system

WANG Lu，QU Wei*，HU Jia-Jun

(SchoolofElectronicEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Abstract：A multifunctional PM2.5 detection system is designed, in order to overcome the problems of high cost and single function of the PM2.5 detectors on markets. PM2.5 concentrations and ambient air temperature are detected by core controller implementation of STC90C51 micro-controller, dust sensor GP2Y1050AUOF and temperature sensor DS18B20 respectively, and data acquisition, calculation and processing are implemented after A/D conversion. It is achieved to the real-time display of PM2.5 concentration, temperature and time, and functions of PM2.5 limit alarm, time adjustment and interactive. Test results show: PM2.5 data error tested by the PM2.5 detector in normal outdoor ambient air is ±3 μg/m3, the temperature error is ±1 ℃ that compared with data announced by the local environmental monitoring desect1ment, and walking time accurately.

Key words：PM2.5；sensor GP2Y1050AUOF;detection system

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.013

收稿日期：2015-11-02

基金项目：教育部2013年度高等学校博士学科点专项科研基金联合资助项目(20132301110005)；2015年黑龙江大学大学生创新创业训练计划资金资助项目(2015DZ15)

作者简介：王路(1990-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：电路分析与测试，E-mail：wanglu07190@163.com；*通讯作者：曲伟(1970-)，女，黑龙江哈尔滨人，教授，硕士研究生导师，研究方向：电路分析与测试，E-mail：quwei70@163.com。

中图分类号：TP212

文献标志码：A

文章编号：2095-008X(2016)01-0066-07

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160309.0910.006.html