基于单片机的PM2.5浓度检测装置设计

董 昭，张玮玮，王胜琰

（1.安阳工学院，河南 安阳 455000；2.滑县华润燃气有限公司，河南 滑县 456400）

经济的迅速发展对环境产生了极大影响，尤其是大气污染问题，已越来越成为人们关注的焦点。PM2.5为造成大气污染的主要污染物，为了实时检测、反馈PM2.5浓度数值，控制空气污染，本文设计出一种PM2.5浓度检测装置。

1 设计思路

该装置采用单片机技术与传感器技术结合的方式，以STC89C52单片机为主控制器，以GP2Y1010AUOF尘埃传感器监测PM2.5，通过ADC0832A/D转换器和LCD1602显示屏处理并显示监测环境污染情况[1]。

单片机是将计算机系统集成在芯片上的设备，虽然它的体积小，但是它几乎涵盖了所有计算机的设备：时钟、通讯、定时器、总线系统、内存、CPU等。

GP2Yl010AUOF设计用来感应空气中的尘埃粒子,内部配备了红外发光二极管和光电晶体管，使之能够检测空气中灰尘的反射，即使是非常小的烟雾颗粒也可以检测到，通常在空气净化系统中使用[2]。

工作原理：传感器对PM2.5进行监测，ADC0832对传感器监测的信号进行处理，按键电路对报警值进行调整，显示屏显示监测的值和设置的报警值，当监测的PM2.5值高于报警值时蜂鸣器报警，此时，SIM800L模块会向手机发送报警短信。系统结构如图1。

图1 系统结构框图

各模块功能如下：

（1）按键电路：对报警值进行设定。

（2）显示模块：显示报警值和监测值。

（3）复位电路：完成系统的复位。

（4）报警电路：实现系统的报警。

（5）空气质量传感器：对PM2.5进行监测。

（6）A/D转换电路：将传感器监测的信号，处理后送到单片机。

（7）SIM800L模块：发送报警信息。

2.控制系统设计

2.1 软件设计

通过软件设计实现传感器工作，接收传感器的输出信号，经过主控制核心的计算，由液晶显示屏显示测量值，在程序上体现为：初始化之后，主控制核心通过传送的模拟量，计算PM2.5数值。

系统开始工作后，进行程序初始化，然后检查按键是否按下。如果按键按下则通过别的按键来调整设定的报警值，报警值调整好后进入AD转换模块。如果按键没有按下，系统则直接进入AD转换模块，然后AD转换模块通过传感器传来的信息开始计算空气中PM2.5的数值，LCD液晶显示模块显示PM2.5的数值，系统检测数值是否超过报警值，如果超过设定的报警值该系统会启动报警模块，蜂鸣器报警。如果没有超过报警值则返回到检查按键是否按下状态，系统继续运行。本系统程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图

在程序运行过程中，系统出现了一个必须由CPU立即处理的情况，此时CPU暂时中止程序的执行转而处理这个新的情况的过程就叫做中断[1]。

在本设计中采用定时器中断实现灰尘传感器的驱动，新的中断启动都得赋予新的值。当中断程序开始执行时，首先寄存器重新赋值，计数器加一，判断是否到达0.28ms，到达0.28ms则驱动传感器LED低电平，然后判断是否到达10ms：如果到达10ms则计数器清0，结束中断程序；如果没有到达10ms则不对计数器操作直接结束中断程序。没有到达0.28ms则驱动传感器LED高电平，紧接着判断是否到达0.32ms：如果到达0.32ms则采样标志位置，结束中断程序；如果没有到达0.32ms，则不对采样标志位操作，直接跳过中断程序。流程图如图3所示。

图3 中断程序流程图

2.2 硬件电路的设计

硬件电路包括单片机最小系统电路、LCD显示电路、信号采集电路、报警电路、供电电路、GSM手机电路、按键电路等。该装置使用空气质量传感器来进行PM2.5的监测，传感器监测到PM2.5的信号后，通过AD模块传输到单片机中，单片机接收到ADC0832传输的信号后，经过计算，输送给液晶电路，由液晶电路呈现PM2.5的数值，同时当测定的PM2.5数值超过预设的报警值时，GSM手机电路模块就会向绑定的手机发送短信报警。

1）单片机最小系统由单片机、复位电路、时钟电路组成。主要是为了用最少的器件来实现单片机工作的功能[3]。最小系统电路如图4所示。

2）信号采集电路

本设计使用空气质量传感器来进行PM2.5的监测，传感器监测到PM2.5的信号后，通过AD模块传输到单片机中。电路设计尽可能简单明了，故本设计舍弃了许多无用的元器件，图5为原理图。

图4 最小系统电路

图5 信号采集电路

3）液晶显示电路

单片机接收到ADC0832传输的信号后，经过计算，输送给液晶电路，由液晶电路呈现PM2.5的数值。为了使液晶的亮度和显示字符的清晰度达到最优的程度，经过多次测量计算，液晶电路的VO管脚与GND管脚之间要连接一个2K的电阻。电路图如图6所示。

图6 液晶显示电路

4）报警电路

报警电路由发光二极管D1，蜂鸣器B1，2K电阻R1、R2、9012三极管Q1组成。通过三极管9012将单片机P14口与蜂鸣器正极连接，通过判断单片机P14口输出电平的高低来决定蜂鸣器是否报警，如果蜂鸣器报警，则发光二极管会闪烁，如果蜂鸣器不报警，则发光二极管不闪烁。电路图如图7所示。

图7 报警电路

5）供电电路

本设计采用的供电电路由接口P1和电源开关SW1组成，SW1的2管脚与正极连接，1管脚与接口P1的1管脚连接，接口P1的2、3管脚与负极连接，该供电电路使用5V直流电压供电，通过开关SW1来控制电路的通断。电路图如图8所示。

图8 供电电路

6）GSM手机电路

GSM手机电路采用SIM800L模块，二极管D2，1000uF电容C6构成，SIM800L模块的RXD端口与单片机的TXD端口连接，TXD端口与单片机的RXD端口相连，SIM800L的1管脚通过一个二极管连接在正极上，4管脚与负极连接，正极与负极之间通过二极管和1000uF电容连接在一起。当测定的PM2.5数值超过预设的报警值时，SIM800L模块就会向绑定的手机发送短信报警；如果测定的值没有超过预设的报警值，SIM800L模块不工作。电路图如图9所示。

图9 手机电路

7）按键电路

本设计通过按键与单片机P35、P36、P37连接来实现按键电路的功能，主要实现更改预设报警值的功能，按下选择按键，当光标移动到预设报警值上时，剩下两个按键分别控制报警值加一或减一的功能。电路图如图10所示。

图10 按键电路

2.3 系统仿真

本文通过Multisim软件对设计电路进行了仿真。Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。Multisim软件具备以下特点：直观的图形界面、丰富的元器件库、丰富的测试仪器、完备的分析手段、强大的仿真能力。Multisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF)电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。

仿真图如图11所示，仿真结果证明电路设计达到预期目的。

图11 系统仿真图

3 测试

本文使用PM2.5浓度检测装置对作者1所在城市空气质量进行了实际检测，装置测试用模型如图12所示，测试结果如图13及表1所示。

图12 装置测试用模型

图13 实测数值

表1 PM2.5装置实测表 ug/m3

4 结论

本文是基于单片机的远程PM2.5浓度监测装置，实验测试结果显示，该装置监测精准度较高、数据反馈及时，有较好的应用前景和推广价值。