基于STC12C5A60S2单片机PM2.5检测仪的设计与实现

范宜标，汪文海，林炳辉，庄景波

（龙岩学院机电工程学院，福建龙岩364012）

基于STC12C5A60S2单片机PM2.5检测仪的设计与实现

范宜标，汪文海，林炳辉，庄景波

（龙岩学院机电工程学院，福建龙岩364012）

本文设计的PM2.5检测仪由STC12C5A60S单片机控制系统、PLANTOWER激光PM2.5传感器、LCD液晶显示电路以及相关的报警电路组成.传感器检测采用激光散射原理进行悬浮颗粒物，进而微处理器利用MIE理论的算法，得出颗粒物的等效粒径以及单位体积颗粒物数量.

PM2.5传感器；单片机；激光散射；MIE理论

中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报.统称为“雾霾天气”.雾霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成.[1]近期世界卫生组织发布的报告显示，无论是发达国家还是发展中国家，目前大多数城市和农村人口均遭受到颗粒物对健康的影响.高污染城市中的死亡率超出相对清洁城市的15%至20%.据统计，在欧洲，PM2.5每年导致386000人死亡，并使欧盟国家人均期望寿命减少8.6个月[2].人体的生理结构决定了对PM2.5没有任何过滤、阻拦能力，而PM2.5对人类健康的危害却随着医学技术的进步，逐步暴露出其恐怖的一面.[3]因此，对PM2.5的监测与治理便显得越来越重要.

1　PM2.5传感器检测原理与结构

传统传感器是采用β射线吸收法的原理及空气被抽气泵吸进采样管，则会把颗粒物沉积在表面的滤膜上，此时β射线通过滤膜时发生β吸收，通过对β吸收的测量就可以很好的计算出所吸入颗粒物的浓度.这种法方存在耗能高、噪声大缺点，不容易在实际中使用.

本传感器采用激光散射原理.即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线.[4]进而通过微处理器利用基于米氏（MIE）理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量.传感器的功能框图如图1所示.

图1　传感器的功能框图

激光传感器的结构和电路相对复杂.其光源为激光二极管，采样空气通过风扇、鼓风机推动，通过复杂设计的风道，进行检测.当空气中的细颗粒物进入激光束所在区域时，将使激光发生散射；散射光在空间3600都有辐射，我们在适当位置放置光电探测器（硅光电池），使之只接收散射光，然后经过光电探测器的光电效应产生电流信号，经电路放大及处理后，即可得到细颗粒物浓度值.输出信号一般为串口输出.

2　PM2.5检测仪系统设计

2.1硬件系统设计

本设计所采用控制芯片的是STC12C5A60S2单片机. STC12C5A60S2单片机、复位电路和时钟电路组成单片机最小系统，如图2所示.单片机在上电时，电阻R1与电解电容C8的充放电，将给单片机的外部引脚RST保持2个机器周期以上的高电平，实现单片机最小系统的自动复位；30pF的瓷片电容C5、C6和12MHz晶振Y1构成自激振荡电路，该振荡电路发出的脉冲经过单片机外部引脚XTAL1和XTAL2，可送入内部时钟电路.

图2　STC12C5A60S2单片机最小系统

复位电路对单片机的稳定运行具有重要作用.单片机可通过手动或上电进行复位；通过外部的专门电路，在单片机通电时，系统可自动实现复位，这是任何单片机最基本的复位方式；手动复位，在单片机运行过程中，有时会出现单片机系统崩溃的情况，这时可以通过手动复位解决.为了设计的便利，本系统采用上电复位方式.

时钟电路是用来提供单片机正常运行所需要的时钟信号.STC12C5A60S2系列单片机共有两个时钟源选择：一个是通过单片机引脚引入外部时钟作为时钟源，另一个是由内部R/C振荡器产生时钟.5V常温下单片机内部的R/C振荡器产生11MHz～17MHz范围的频率，单片机在3V常温下产生8MHz～12MHz频率，外界温度的改变会照成内部R/C振荡器的频率的不稳定性（即温漂）.

系统采用LCD1602液晶作为显示器.1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块.它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形. 1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块.

2.2软件系统设计

本系统程序采用C语言编写.C语言是一种非常方便的编程语言而得到广泛的应用，很多的硬件开发都使用C语言编程，如ARM、DSP及各种单片机等等.C语言提供了很多数学函数并支持浮点计算，开发效率高，可极大缩短开发时间，增加程序可读性和可维护性.

单片机串口每接收一次来自PM2.5传感器的数据时，将其存储在一个32个元素的unsignedchar型数组中，主函数将该数组的数据处理得出PM2.5值并在液晶上显示，同时判断PM2.5值是否超过用户设置的警报界限，超过则发出警报.主程序流程图如图3所示.

参数设置中需要注意传感器SET=1模块工作在连续采样方式下，模块在每一次采样结束后主动上传采样数据，采样响应时间小于600ms，数据更新时间小于2s.SET=0模块进入低功耗待机模式.

图3　主程序流程图

3　实物检测与结果评价

图4　实物样品照片

按上述分析思路设计并制作PM2.5检测仪，实物图如图4所示.在传感器的位置放好后，按下电源按钮及红色电源指示灯会亮起，此时测试仪开始工作，LCD屏幕上显示的是当前测试的PM2.5的含量，若含量超过设定的上限，则蜂鸣器会发出警报声提示当前的PM2.5行两太高.同时，对制作的样品系统的性能进行了测试，测试方法及结果如下：根据当前的地理环境进行了测试，首先按下左1按键，进入PM2.5报警值设置界面；根据要求按下第2、3个按键，可对报警值的万位进行设置，最后按第4个按键，完成设置并退出.通过上限值得设置完毕，开始测量.在测试过程中有认为的改变环境进行测量，同样可以精准的测出PM2.5的含量.测试结果如下图5所示.实验结果表明该检测仪测量准确、灵敏度高、误差小.

测试过程中的注意事项，一定得用USB转TTL模块. TTL电平（3.3V）可以直接连接3.3V的单片机I/O口，如果使用5V单片机，中间加了小电阻或者用电平转换芯片或者MOS管实现都可以.如果您非要直连5V单片机也可以但毕竟不规范，测试一下是可以的，长期使用还是用上面可靠一些的方法.

PM2.5测试仪的主要技术指标包括：采样流量：1L/min；采样流量误差≤2%;浓度测量范围：0.3-1000mg/m3;测量误差≤10%；稳定相对误差±2%.

图5　实验测试结果

4　结束语

本文介绍了PM2.5检测仪的电路硬件设计以及软件设计，该测试仪具有电路简单、使用方便、功耗低、成本低等特性，大大提高了PM2.5测试仪的使用时间.通过测试结果表明系统性能稳定，测量精度高、灵敏度高.该系统的控制方法可推广到物联网数据采集、环境质量检测等领域.

〔1〕郝明途，林天佳，刘焱.我国PM2.5的污染状况和污染特征[J].环境科学与管理，2006，31(2)：58-61，67.

〔2〕杨书申，邵龙义，龚铁强,等.大气颗粒物浓度检测技术及其发展[J].北京工业职业技术学院学报，2005，4(1)：36—39.

〔3〕孙晴，樊建中，杨永杰.大气颗粒物质量浓度监测系统的研制[J].计算机应用与软件，2011，28(2)：189-191.

〔4〕许玉凤，卞保民.基于光度计法的粉尘质量浓度测量系统的研究与开发[D].南京：南京理工大学，2007.

TB476

A

1673-260X（2016）03-0061-02

2015-12-28

福建省大学生创新创业训练计划项目（S20141008）