一种无线细微颗粒物检测装置的设计

张振涛 王娟

(1.吉林化工学院,吉林吉林 132022;2.吉林工业职业技术学院,吉林吉林 132013)

当今市场上虽然有很多种类的粉尘浓度检测仪可以对空气中的PM2.5含量进行检测,但是这些粉尘浓度检测仪大多存在生产成本高、体积大不便于携带、功耗大等问题。而本设计应用所学的知识,制作一个经济、简单、实用的无线PM2.5浓度检测仪。

1 测量原理

此次设计需使用+5V和+3.3V直流电压给整个系统供电。通过GP2Y1010AU0F粉尘传感器将采集到的细颗粒物浓度经A/D转换传入STC89C52单片机,并由此单片机进行数据计算和处理。处理后的数据通过nRF905无线模块传入接收端的STC89C52单片机中,并在LCD1602液晶屏上实时显示,当空气中细颗粒物浓度达到一定程度时蜂鸣器会进行报警[1]。其检测系统的结构框图如图1所示。

空气中的细颗粒物对光具有一定的散射作用并且根据浓度不同散射值也就相应的会有所不同。浓度较高时,对光的散射作用也会相应的提高。灰尘传感器GP2Y1010AU0F通过检测通气孔中的粉尘。输出的模拟电压值经A/D转换后传入单片机中。

2 电路设计

2.1 复位电路设计

复位电路主要完成系统的上电复位和系统运行时用户的按键复位工作。复位工作由RC电路完成。接通电源,电容充电。当电容电压未满时,该系统复位状态;电容电压为门限电压后,该系统处于正常工作的状态;闭合开关,电容电压被释放,该系统处于复位状态[2]。

2.2 晶振电路设计

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整频率的方法保持同步。单片机的时钟电路一般让XTAL2引脚和XTAL1引脚外接晶振及电容。本设计选用11.0592MHz晶振及两个20pF电容可以保证系统的稳定性和快速响应。

图1 检测系统工作原理图

图2 +5V供电电路

图3 +3.3V供电电路

2.3 供电电路设计

为了满足各个模块供电要求,本设计采用+5V和+3.3V电压供电。如图2和图3所示是两个稳压电路的电路图。

电路中AMS1117稳压芯片将Vin引脚输入的+5V直流电压转换成+3.3V电压从Vout引脚输出。AMS1117的输出引脚与地之间接入电解电容100uF,和0.1uF电容,起到稳定电压的作用,使电路中能够稳定的输出直流+3.3V电压。

2.4 无线传输电路

nRF905是一种采用VLSI ShockBurst技术的单片射频发射器芯片,可提供高速率的数据传输。在发送数据时,给PWR_UP高电平、TRX_CE低电平,将数据写入nRF905射频发射器芯片相应的寄存器。为了使工作模式转为发送模式,给PWR_UP、TRX_CE和TX_EN高电平。当开启nRF905寄存器时,数据发送出去。所有的数据发送完毕后,DR处于高电平状态。若寄存器AUTO_RETRAN高电平,将重复发送数据。若TRX_CE低电平时,将会自动进入待机状态。在接收数据时,若nRF905进入待机模式,接收地址被存储在射频配置寄存器,此时进入接收模式。若载波检测引脚给高电平,此时将检测到同频段载波。若接收地址被匹配,则该引脚为高电平。数据被接收检测后,数据准备引脚高电平时,nRF905进入待机状态。SPI接口以一定的速率接收数据后,nRF905给地址匹配引脚和数据准备引脚低电平[3]。

2.5 MAX232通信

MAX232芯片是美信公司生产的一种新型的电平转换芯片,其内部拥有电压倍增电路和电压转换电路。它内部含有4个反向器,可完成TTL/CMOS电平到RS-232C电平的转换和RS-232C电平到TTL/CMOS电的转换。由于标准规定,RS232的电平需采用±12V,与STC89C52单片机串行口的TTL电平不一致。因此采用集成电平转换芯片MAX232进行电平转换。

3 结语

本设计通过对PM2.5浓度采集、A/D转换、无线传输、LCD显示,浓度报警等模块的设计,实现了对空气中PM2.5浓度的实时监控。具有电路简单、价格低廉、测量精度高,可达1μg/m3、实用性强、便携易携带等特点。

[1]田伟．室内空气中颗粒物对人体健康的影响[J].重庆环境科学,2002,(5):58-60.

[2]张建海.基于PIC单片机的空气净化器控制系统[J].微计算机信息,2007,(11):113-114.

[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,2014,5(11):32-34．