基于单片机的雾霾检测器的设计

李雪莉 刁振琪

摘要

雾霾污染空气，损害人类健摘康，雾霾检测是雾霾防治的必要要手段。本文介绍了一种基于单片机的雾霾检测器的设计。该检测器适应大众需求，应用场合广泛。具有体积小、重量轻、低功耗的特点，并且可以自行设置阈值，能进行误差修正。成本低廉，有广泛的市场前景。

【关键词】雾霾检测 单片机 粉尘传感器

1 引言

近年来，伴随环境的不断恶化，阴霾天气频繁出现，人类的生产生活深受其害。我国很多地区已将阴霾天气与雾一起视为灾害性天气的预警，统称为“雾霾”。雾霾的主要成分为颗粒直径小于2.5微米的可吸入颗粒物，携带有重金属元素以及致病微生物等，容易进入人的呼吸系统及循环系统，引发多种疾病，特别对于儿童和老人等，容易引起急性上呼吸道感染，长期接触，会对人体的心脏，肺等器官造成不可逆的影响，根据PM2.5浓度的高低判断空气质量的好坏，如表1所示。该设计是基于雾霾检测的空气质量监控系统，系统以单片机为控制中心，由粉尘传感器检测空气中PM2.5的浓度值，并在在液晶屏上显示，采用9×9键盘实现人机交互，设置一个报警值，如果检测到的PM2.5浓度值超过报警值，蜂鸣器发出报警声，有利于使用者实时了解空气质量，采取相应的处理措施。

2 硬件设计

以89S52单片机为控制单元，采用9x9键盘和LCD1602液晶显示屏作人机交互，使用粉尘传感器检测空气中粉尘的浓度值，在液晶屏上显示；使用按键设置一个报警阈值，如果检测到粉尘浓度超过阈值，蜂鸣器报警，报警值的大小可以用按键手动调节。系统硬件结构如图1所示。

其中粉尘传感器模块采用夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F的Vout引脚输出灰尘浓度的模拟电压信号，将该引脚通过A/D转换器与单片机的P0口连接，将粉尘浓度值数字化后传送给单片机，该模块的工作电压为5V，可以与单片机采用同一个电源供电。单片机的P1.0引脚与传感器的LED引脚连接，作为单片机的地址选择输出端，为传感器提供输入信号，启动传感器。A/D转换器采用ADC0809八位A/D转换器。采用LCD1602液晶显示模块与单片机的P0口连接，单片机使用中断处理的方式处理液晶显示与传感器数据采集。

3 软件设计

程序使用中断處理液晶显示与数据采集，流程如图2所示。GP2Y1010AU0F是一款光学空气质量传感器，用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得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。

GP2Y1010AU0F引脚LED驱动时间输出电压会变动，数据表给出的规格值是脉冲周期为10ms脉冲宽度为0.32ms，取样时间为0.28ms，同时传感器上电后，1s内才会稳定，才能检出，根据输出电平的大小变化及输出电平时间判断检出的物质。因此，设定单片机驱动GP2Y1010AU0F工作一次的需要1.5s，工作期间不断发出工作脉冲，当传感器稳定工作后，才能开始采样，为了保证传感器能够读出稳定的数据，采集数据时，连续采样4次，然后将数据取平均值，采样的参考电压为5V。

单片机从传感器中得到的是电压值，这个值不是颗粒浓度的值，输出电压值与颗粒物浓度之间的关系如图3所示。该系统的能够正确检出的范围在线性区，最大颗粒物浓度为500微克/m3。根据图3所示的曲线，编程时使用该曲线的拟合直线方程。

使用该测量系统在48小时内测量空气中PM2.5的浓度变化曲线如图4所示，为4次平均取值后得到的PM2.5浓度值，PM2.5浓度随时间变化规律两天的趋势相似。系统能够达到的技术指标为：空气中颗粒物浓度的测量范围为0?500微克/m3，测量精度能够达到的±0.1%。设定的阈值为50微克/m3，在48小时测量时，几乎所有的时间内都在报警。

4 总结

该设计是一种以光学空气质量传感器和单片机为基本元件的空气质量检测系统，能够在一个时间段内检测空气中颗粒物浓度，并能在颗粒物浓度超出设置的阈值时，通过蜂鸣器报警。在后续工作中，还需要将该系统功能扩展，增加控制换气扇等空气质量调节部件，而且还可以将该系统通过无线网络与上位机连接，实现检测系统的远程控制。

参考文献

[1]刘少军，王瑜瑜.基于单片机控制的空气质量检测系统的设计[J].机械与电子，2015（01）.

[2]李全利.单片机原理及应用技术[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3]白志鹏，贾纯荣等，人体对室内外空气污染物的暴露量与潜在剂量的关系[J].环境与健康杂志，2002.