基于单片机的空气质量检测仪

赵旭东

摘要：针对空气污染的问题，设计了一种基于51单片机控制的空气质量检测仪。设计是通过粉尘传感器GP2Y1010AU0F来测量当前空气中的PM2.5浓度，再将采集到的信号通过A/D转换为单片机可识别的信号，经单片机处理后在液晶显示屏上显示出数值，从而用来监测PM2.5的含量。经测试验证，该设计能够精确的显示出当前空气中PM2.5的含量，具有测量精度高，智能化程度高等优点。

关键词：PM2.5；传感器；52单片机；A/D转换

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）20-0243-02

随着人民生活水平的提高，经济的快速发展，空气污染变得越来越严重，极大影响了人们的健康安全。据一项人类生存研究报告指出，由于空气污染导致的过早死亡人数，平均约为每天1000人，也就意味着每年有35至40万的人由于污染而死亡。当今社会，人们正面临着“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”和“室内空气污染”等一系列空气污染问题，尤其在近几年，全国越来越多的地方遭受了雾霾的影响，也就是PM2.5的危害，人们的身体健康受到了严重的损害。根据世界卫生组织发布的消息，世界人口均遭到颗粒物的影响，一些污染严重的城市死亡率更是严重。不少无法被人体挡在体外的颗粒物进入人体后影响人们的呼吸系统，病从口入，随即经过长时间对有害气体的吸收，人体免疫力也会日益下降，这就给各种疾病创造了好的生存环境。

一连串空气质量问题的发生，让人们对空气污染问题的严重性愈来愈担忧，并且对创建绿色健康生活环境的呼声也愈来愈高涨。城市环境空气颗粒污染物呈现多类型的态势。近年来，中国的一些城市更是频频地遭遇雾霾，让人们在猝不及防的情况下也对空气质量问题多了几分关切。雾霾中含有的污染物和有害物质一旦被人体吸入，我们的呼吸道就会受到影响，表面黏膜被破坏，抵抗能力越来越差，极易引起各种呼吸道疾病。同时，空气中的病毒，细菌等有害物质随着雾霾进入人体肺部，也易引起一些疾病。我们需要这样设计一种设备来对恶劣空气质量可能带来的危害进行一些必要的防护措施。

针对目前普遍存在的空气质量的污染问题，设计了一种基于单片机的空气质量检测系统，该系统主要是用来监控PM2.5的浓度，旨在实现空气质量的预警监测，有利于进行全方位的空气质量评价。

1 系统总体设计方案

1.1系统总体设计思路

设计提出了“PM2.5检测”方案最基本的实现方法。由AT89S52单片机作为系统核心系统、GP2Y1010AU0F粉尘监测传感器作为采集系统、LCD1602液晶显示模块作为显示系统、再有蜂鸣器报警系统，实现了本次设计的键盘输入、显示浓度、系统复位等附加功能。

系统在检测PM2.5浓度的时候，设置了浓度报警系统，并且设置红，黄，绿三种颜色的显示灯，在不同的浓度范围内闪烁不同的颜色，用来表示当前的空气质量，浓度大于0.3mg/m?时，表示空气重度污染，红灯亮；浓度在0.1-0.3mg/m?之间时，表示空气轻度污染，黄灯亮；浓度小于0.1mg/m?时，表示空气质量良好，绿灯亮。总体设计方案如图1所示：

1.2单片机最小系统

AT89S52单片机最小系统电路主要由单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等几部分模块构成。晶振选择频率范围为1.2 ～12MHz，或者更高，本次设计选择频率为11.0592MHz的石英晶振电路，电容较大，方便串口通信。

空气质量检测实现的功能如下：

（1）能精确的在LCD液晶屏上显示空气中PM2.5浓度；

（2）可以设置浓度报警数值；

（3）可以显示当前空气质量状况；

（4）可以实现蜂鸣器报警。

2系统硬件电路的设计

2.1信息采集模块

使用的GP2Y1010AU0F粉尘传感器，具有体积小，灵敏度高的特点，在采集时，内置的气流发生器发生作用，从而检测出气体中的PM2.5浓度含量，但是这种信号是模拟电压信号，具体浓度与电压成正比例关系，经A/D转换后由核心处理器件单片机接收。

2.2主控电路

采用AT89S52单片机作为主控电路的核心单元，另外主要通过6个模块的电路设计实现基本功能，分别是粉尘传感器、A/D转换、LCD显示模块、按键电路、报警电路、污染级别提醒电路。

AT89S52单片机是CMOS8位微控制器，能与51单片机兼容的特点使得它的应用非常广泛，内部具有8K字节在线编程Flash存储器闪存，支持全静态操作，三级加密程序，也使其安全性得到保障。三个16位定时器，八个中断源，全双工串行通道，低功耗高性能，外部有32个可编程的I/O口。同时具有看门狗定时器，双数据指针，掉电标识符，掉电后中断可自动唤醒。

当粉尘传感器采集到信号后，将采集到的PM2.5浓度最终转换为数字信号传输到单片机，再通过单片机将处理后的结果输送到LCD；单片机的P0的0端口至7端口与液晶屏LCD相连接，P1的所有端口用来传输数据与地址，而P2的0端口至2端口是检测液晶屏上浓度情况；单片机P3的5端口至7端口与键盘相连接，键盘是用来调节蜂鸣器报警初始值的设定，单片机作为系统的最小系统，在整个系统工作中发挥着重要的作用。

2.3液晶显示电路

系统设计中的显示模块选用的是LCD1602液晶显示器，其表面为16x02的蓝色点阵，使得它可以显示本次设计的所有检测结果，这种16x02蓝色点阵液晶显示器带有中文字库，因此可以显示中文汉字，清楚的表示出本次设计的各个显示内容。该液晶显示屏可以直接与CPU相连接，本身具备了与单片机处理器连接的功能，分为8位并行和串行两种方式。在本系统设计中，单片机的P0口分别与液晶屏的DB0-DB7数据管脚相连接；而液晶屏的RS管脚连接在单片机的P1的0端口上来进行信号的指令与数据传输；液晶屏的R/W管脚连接在单片机的P1的1端口上来进行信号的读写，其中1为高电平、0为低电平。

2.4蜂鸣器报警电路

设计的报警电路与单片机P1的4口相接，在系统设计时，我们在报警电路中也加入了一项非常实用的功能，就是在系统通电瞬间和按键重置瞬间，蜂鸣器做出回应，提醒人们该系统已经正常通电工作。

2.5 PM2.5污染提醒电路

设计通过采集到的不同浓度范围，设置当前污染级别提醒系统，使用红，黄，绿三种不同颜色的LED灯，分别连接单片机的P2.0，P2.1，P2.2接口，根据不同的亮灯显示不同的浓度范围，从而实现提醒功能。

该模块实现的功能为：

浓度大于0.3mg/m?时，表示空气重度污染，红灯亮；

浓度在0.1-0.3mg/m?之间时，表示空气轻度污染，黄灯亮；

浓度小于0.1mg/m?时，表示空气质量良好，绿灯亮。

2.6 A/D转换模块

ADC0832是一种双通道的8位分辨率转换芯片，体积小，性能好。有一个低电平使能端，两个模拟通道，一个数字信号输入，一个信号输出端，最高分辨为256级。使用ADC0832A/D转换模块一方面需要对数据采集以调节合适的输出电压和电流，另一方面也可以进行完整的电压电流输出，供单片机接收。

3系统软件电路设计

主程序的软件设计采用了传统的前后台的方式。整个控制模块主要由单片机最小系统模块、GP2Y1010AU粉尘传感器模块、A/D转换模块、LCD液晶屏显示模块、蜂鸣器报警模块以及串口驱动组成。最小系统是该设计的中央处理器，GP2Y1010AU粉尘传感器是测量PM2.5浓度模块，A/D转换、蜂鸣器是该设计的扩展模块，使用这两个扩展模块使得该设计更具有使用价值，而LCD1602液晶显示器是该设计的最终显示模块。在该设计中所有的信号最终都在AT89S52单片机最小系统中进行综合处理，经A/D转换模块处理之后再将处理结果传送到指定的模块进行显示，而LCD液晶显示屏主要显示PM2.5浓度以及所设置的报警数值。

系统通电后，开始执行的是对设计系统的各个部分初始化，其中包括传感器模块、A/D转换模块、LCD液晶屏显示模块、蜂鸣器模块以及串口的初始化。主监控流程图如图2所示：

4 设计检测分析

在设计结束后，进行了一系列的实验，该实验选择不同时间不同地点进行功能验证，采集了不同的数据，具体数据如表1所示：

从表1可以看出在植物生长比较好的地方和车流量少的地方，空气中PM2.5的浓度相对较低，一天内早晨和晚上的PM2.5浓度相对稳定，中午的浓度较高，这可能是因为人们的活动和空气温度所引起的。从表中我们可以得出植物可以净化我们身边的环境，汽车尾气的排放、工业地区废气的排放却直接导致空气中PM2.5含量的增多，工业区因为有害气体的排放，在早、中、晚检测到的PM2.5浓度相对稳定，相对其他地方数值也较大。这就提醒了人们应该尽量减少出入这些空气环境差的地方。

5 结论

单片机作为核心处理系统发挥着必要的作用，各模块与单片机的连接也有严格的要求，程序的编写不能摆脱具体的设计。经实验，本设计可较为准确的检测空气中的PM2.5含量，并且在不同的环境可以显示不同的浓度，设计本身用于显示空气质量状况的LED灯直观的表示出当前的空气质量问题。另外我们设置了浓度报警值，在超过我们设置的这一值后，蜂鸣器就会报警，提醒人们随时注意保护措施。

设计实现了PM2.5的实时监测，具有测量精度高，智能化程度高等特点，同时我也相信本次设计能够为空气质量检测做出贡献，利于空气质量问题的全方位监控。

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