基于单片机的空气质量检测仪研究与设计

杨政秋

内容摘要：隨着国家经济蓬勃发展以及生活环境的变化，人们对PM2.5越来越关注和重视。在熟悉它对人体有坏的影响之后，对PM2.5的检测对人们来说意义重大，特别是那些体积小重量轻的仪器可以让我们实时对周边环境进行监测，保证了我们生活环境的健康问题。本设计系统主要是用AT89S52单片机来检测空气中的PM2.5的浓度值。将传感器、单片机、AD转换三种技术运用到一起，把收集到的空气中的颗粒物质由一个模拟的转变成一个数字，在单片机的程序处理下，将最终得到的结果呈现在LCD液晶屏上。

关键词：AT89S52单片机   PM2.5   传感器

1.前言

在如今社会，数字的发展在科技上可谓突飞猛进，人们生活水平的质量要求越来越严格，在科技经济给我们带来巨大的好处时同时也伴随着一些不好的事情，其中有一项就是对环境的污染，这也是人们对生活环境的关注度越来越高的原因，担心自己身处环境对自己的健康有所危害，使得“环境”这个词时刻围绕着大家，在我们处在科技越来越发达的社会上，人们开始向往在一个舒适、亲近大自然的环境中生活。

本系统设计是以单片机为核心处理器，与其他部分进行配合运作。主要是采用AT89S52单片机作为处理器，将ADC0832模数转换单元、夏普粉尘传感器、LCD1602液晶显示屏这些部分组成一个检测粉尘浓度的系统。这个系统可以通过采集、转换、处理以及显示来检测所处环境的PM2.5的浓度值，最终通过报警系统来告知人们目前所处的环境，让人们做好保护措施以及提高环境质量。

此课题的目的是将单片机与传感器的控制系统结合，完成对空气环境中PM2.5浓度的检测。而本设计的优势在于体积轻便便于携带，费用较低。该设计是以单片机为核心，通过传感器对环境中颗粒物的收集，再由A/D转换单元将一个模拟量转变为一个数据，由单片机处理传送到LCD液晶显示屏进行呈现，当显示的值大于最初设定的最大值时，蜂鸣器开始报警，完成对PM2.5的检测。其主要设计内容如下：

（1）首先，用夏普传感器GP2Y1010收集空气中粉尘颗粒物;

（2）其次，用A/D转换单元将采集到的物质从一个模拟量转换为一个数据;

（3）再由AT89S52单片机处理空气中粉尘颗粒物，得到其浓度值;

（4）在LCD1602液晶显示屏上呈现其测量数据;

（5）最终，当测量所得数值大于我们用按键设置的报警值时，蜂鸣器开始报警。

2.系统硬件总体设计及电路设计

2.1系统硬件总体设计

此设计主要是以AT89S52单片机为控制核心处理器，由ADC0832模数转换单元、夏普粉尘传感器、LCD1602液晶显示屏组成。通过传感器对环境中颗粒物的收集，再由A/D转换单元将一个模拟量转变为一个数据，由单片机处理传送到LCD液晶显示屏进行呈现，设计系统的框架结构如图1所示：

1.PM2.5灰尘传感器：把空气中颗粒物质采集;

2.A/D转换电路：将传感器采集进来的一个模拟的转换为一个数据;

3.供电电路：对设计系统提供电量;

4.单片机最小系统：把AT89S52核心处理单元，包括一些时钟电路等其他装置;

5.显示液晶：将由A/D转换电路得到的数据进行呈现以及初始报警值显示;

6.按键电路：对报警器所选参数值进行更改;

7.报警电路：超过系统设置实现报警功能。

3.2硬件电路设计及相应主要芯片介绍

依据所设计的要求功能，我们可以通过改变硬件电路的连接方式进行调整，如下所述。

2.2.1 单片机最小系统

单片机的最小系统是指可以让单片机在聚集在一个小小的芯片上并且能够完整、正常的完成一个工作或者体现它功能的系统。是一个核心部位，类似于人的大脑。并且单片机还是能对时间进行控制，而且还是一个通讯的接口部位，尽管现在单片机发展的特别快。就普遍情况而言，AT89S52单片机工作时的电压是5V，通过电路图，我们把VCC接在电压为5V上面，而接地线为VSS，复位电路在单片机中是至关重要的而且必须要有，类似于一个电脑上面的开机键位，本次设计主要是设计一个手动复位开关。

其实在此次设计中与复位电路一样重要的有时钟电路，复位电路相当于电脑的开机键，时钟电路则类似于电脑的心脏CPU，起着控制单片机的作用，而XTAL1作为反向放大器的输入端，XTAL2作为反向放大器的输出端，主要是采用晶振的产生固定的振荡频率来完成放大的作用，此次设计系统是利用具有十二个振荡周期的石英晶振来完成的。

2.2.2采集电路设计

对采集空气中的PM2.5的粉尘部位的电路，我采用的是夏普GP2Yl010AUOF这一款空气质量检测装置的传感器。运用了NPN三极管来让夏普GP2Yl010AUOF的LED端口开始运作，将得到的输出的模拟量转而变成了转换模数ADC0832的输入端口，再通过转换模数ADC0832的功能，把一个模拟量转换为一个数据再运输给单片机AT89S52。

2.2.3液晶显示模块

单片机AT89S52在搜取到模拟的信号源之后，在AT89S52核心处理器的操作后，会将测量的pm2.5的浓度值的大小显示在LCD1602的液晶显示屏上面。

2.2.4发光报警电路

电路中的报警装置主要有蜂鸣器、三极管以及与单片机AT89S52的P15接口连接起来，其中P15端口是高电平的时候，蜂鸣器不反应，而当P15端口是低电平的时候，与此同时二极管LED产生光，蜂鸣器产生报警。我们还可以自己手动操作PM2.5的浓度最高值。

3.软件部分设计

本设计的空气质量检测系统是以单片机AT89S52作为控制核心，其中软件系统主要分成了几个模块，主要是系统的初始化模块、A/D模数转换模块、传感器模块等，单片机AT89S52是以对软件系统的控制来对硬件系统的控制，检测和计算空气中的PM2.5浓度值，用LCD液晶显示屏呈现出来.

3.1软件的开发

整个软件系统主要是用KEIL软件来校对我们写的软件系统的正确与否，操作简单方便。

3.2主体程序设计

3.2.1主要系统程序的设计

1.设计的流程

对于整个设计系统起核心的是驱动传感器，搜取传感器输出的电压数值，用单片机AT89S52进行计算，把最终得到的PM2.5浓度结果运输到液晶显示器呈现出来，主要系统程序的设计的流程是在把各个部分初始化之后，再搜集模拟的输出电压，通过种种计算PM2.5浓度值。

2.初始化编程

初始化主要是对A/D转换模块、液晶显示模块LCD1602初始化，再通过虚拟的模拟数值对定时器初始化。

参考文献：

[1]吴叶兰，王坚，王小艺，连晓峰.微机原理及接口技术.北京.机械工业出版社.2017，7

[2]康光华.电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社， 2016

[3]马冬梅.《单片机的 C 语言应用程序设计》 ，北京：北京航空航天大学 出版社， 2016

[4]童诗白，华成英.模拟电子基础（第三版）.北京：高等教育出版社， 2015

[5]闫玉德 俞虹 .MCS-51单片机原理与应用（C 语言） . 北京：机械工业出 版社， 2013.28