基于单片机的室内空气质量监控系统

刘洋

（山东现代学院，山东 济南 250104）

基于单片机的室内空气质量监控系统

刘洋

（山东现代学院，山东 济南 250104）

以当下社会普遍关注的PM2.5热点问题为研究背景，设计了室内空气质量的监控系统。以室内空气中PM2.5等有害气体为被测对象，采用AT89S52单片机为控制中心，能够完成对空气浓度和温度的实时采集处理、报警、显示等功能。设计的报警系统，能够实现在室内PM2.5超标时及时报警，并启动换气控制系统，改善室内空气质量。实验证明，系统性能稳定，具有灵敏度高和性价比高等特点。

单片机；空气质量监控；PM2.5

PM2.5是指大气中空气动力学当量直径小于或等于2.5μm的颗粒物，也称为可入肺颗粒物（暂无标准中文名），它对空气质量和能见度等有重要的影响。现代社会中，建筑室内环境是人们接触最频繁、最密切的外环境之一，人的一生平均有超过60%的时间是在室内度过的。而对于学生，每天80%以上的时间在室内度过。研究表明，教室空气质量状况与学生的学习和身心健康关系十分密切。因此，室内空气品质问题倍受人们关注，人们已经认识到研究改善室内空气品质的重要性和迫切性。检测PM2.5对于观测、防治大气污染有重要意义。文章采用粉尘传感器检测PM2.5的浓度，经过单片机处理显示PM2.5的浓度，有超限报警和自动调节室内温湿度的功能。

1 系统的总体设计

室内空气质量检测系统由粉尘传感器测量空气粉尘浓度，像烟雾、粉笔灰等，检测结果转换成数字量送单片机，单片机分析处理转换成浓度值再与设定浓度值比较并做出相应的判断；显示器显示空气中粉尘测量浓度和当前的温湿度状况。当粉尘浓度超限时，在多媒体讲台进行警示灯报警，同时开启空调系统，净化室内空气和调节室内温湿度。根据超限等级，实时调节换气速度，既能保证短时间内改善空气质量，又能达到减少能耗的效果。

（1）硬件电路设计。空气质量检测系统由STC89S52单片机最小系统、GP2Y1010AU粉尘传感器、温湿度传感器、ADC0832模数转换器模块、LCD1602液晶模块、电源模块、灯光报警模块、空调系统和按键模块组成。系统原理图如图1所示和仿真图如图2所示。

图1 系统原理图

图2 仿真图

（2）粉尘传感器和PM2.5的测量方法。GP2Y1010AU是夏普公司开发的一款光学灰尘浓度检测传感器，此传感器灵敏度高，内部成对脚分布的红外发光管和光电晶体管，利用光敏原理工作。用于检测特别细微的颗粒，如香烟颗粒、细微灰尘，依靠输出的脉冲高度来判读颗粒浓度。可用于室内环境中烟气、粉尘、花粉等浓度的检测。以检测出单位体积粒子的绝对个数，而且内置气流发生器，可以自行吸入外部空气。其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使其能够探测到空气中尘埃反射光，即使非常细小的如烟草烟雾颗粒也能够被检测到，该传感器具有非常低的电流消耗（最大20mA，典型值11mA），可使用高达7VDC。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓成正比。

（3）单片机和LCD显示模块。采用STC89S52单片机为控制核心，采用1602LCD显示粉尘测量浓度和设定浓度：

单片机处理算法如下：关于烟的检出、判定值相当于香烟的烟那样的检出物，按如下表示：

可以检出的范围（输出电压可变范围（V））=输出电压范围：VOH（V）-无尘时输出电压：Voc（V）。

将此换算成粉尘浓度：

检出粉尘浓度范围（mg/m3）=检出可能范围（输出电压可变范围（V））÷检出感度：K（V/（0.1mg/m3））。

烟检出的情况下，其判定值如下：

判定值=检出浓度（mg/m3）+10×K（V/（0.1mg/m3）+无尘时输出电压（V））显示器显示粉尘浓度测量值和设定值。

（4）报警和污染级别提醒电路模块。根据PM2.5检测网的空气质量新标准，当测量浓度值超过设置值时，灯光持续闪烁报警并启动空调系统换气；等级指示灯状态：

绿灯亮：空气质量优（数值0～35）

黄灯亮：空气质量良（数值35～75）

红灯闪烁：轻度污染（数值75～115）

2 软件主程序

软件部分设计需利用单片机所产生的周期为10ms的PWM脉冲波形进行LCD1602的显示和定时器的定时，同时驱动传感器内部的LED发光。单片机产生的PWM波形加在夏普GP2Y1010AU0F上，传感器将输出一个电压模拟量，模拟电压可通过A/D进行相应的转化，然后得出相应的数值，最后通过LCD1602显示出来。对于检测出的实时数据，根据前期设定的报警等级进行判定显示。

本次设计软件部分可大致分为模式设定模块程序、日历模块程序、LCD1602显示模块程序、GP2Y1010AU0F数据采集模块程序、等级显示报警模块程序、空调系统控制模块等。

3 结语

本次设计是制作一个简易的PM2.5检测装置，让人们在平时的生活中也可随时检测，提醒大家要关注环境问题。基于单片机空气质量监控系统实现TPROTEUS仿真和实物测试产品的调试，据此制作的产品能够检测PM2.5。因为造价低，所以能够实现家庭普及配置，对于提高全民空气质量意识有积极作用。

［1］王俊峰，孟令启.现代传感器应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［2］谢明，陈德荣，李锦忠.基于单片机的空气质量监控系统［J］.工业控制计算机，2004，17（10）：45-46.

［3］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.

［4］王东峰，董冠强.单片机C语言应用100例［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［5］张福才.MSP430单片机自学笔记［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

［6］李华.MCS-51系列单片机实用接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

刘洋（1988-），男，山东济南人，硕士研究生，助教，主要研究方向：嵌入式。