基于单片机的空气质量检测仪设计

◇咸阳师范学院 郝海燕 龚 杰

如今，在经济的带动下，人们的生活水平是越来越好。但也滋生了许许多多的问题，大气污染便是其中问题之一。令我们忧心的是，大气的污染不仅会带来诸多的恶劣天气，更会影响到我们的身体健康，基于此原因，本文利用单片机来制作一款可以检测空气质量的仪器。利用此仪器可以方便、快捷、准确的检测出当前的空气质量，以便人们对此做出相应的准备，从而应对大气污染。

一直以来，煤炭是我国主要的能源之一，由于长期开采和使用，因此也变成了大气污染的主要成因之一。随着工业化的快速发展，我国的大气环境越来越差，不仅威胁到人们的健康还存在发生环境灾变的隐患。

1 系统总体方案

本次设计主要是结合单片机理论知识和实践的可行性，在此基础上设计一款空气质量检测仪。该设计主要由主控芯片模块、功能显示模块、功能报警模块、功能按键模块、功能信号采集模块、功能净化模块组成。各部分相互依存、相互影响共同构成了空气质量检测仪系统。各大模块的具体构成包括有：主控芯片模块包括主控芯片，晶振电路和复位信号电路；功能显示模块主要包括LED显示电路和LCD的显示电路；功能报警模块包括蜂鸣器报警电路；功能信号采集模块包括PM2.5检测电路和A/D转换电路；功能按键模块包括独立按键电路和开关按键电路；功能净化模块包括负离子净化电路。重点在于主控芯片，功能显示和信号采集的各器件的选择。

图1 空气质量检测仪系统总体方案

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片的选择

选择STC89C51单片机控制芯片作为主控芯片，该主控芯片共有两个定时计数器和两个外部中断。它具有成本低廉、结构相对简单、容易控制等优点，其性能价格比远高于同类芯片。

基于本次设计要求，通过对比市面上的多种芯片，考虑到成本、实时性、操作性强等问题。此芯片不仅可以满足本次设计的要求，而且外围电路简单、硬件设计方便。

2.2 模数转换模块的选择

采用ADC0881作为模数转换器，它是一种单片、快速的8位模数变换器，它具有集成度高，能够节省空间、减少体积、简化线路板的布线设计、优化系统的性能等优点，但不过成本较高、内部结构复杂且不易操作、实用性不强 。

基于本次设计的要求。考虑到经济适用、操作简单、可靠性好，且都能达到最终目的。综合考虑，最终便使用此模块。

2.3 传感器模块的选择

方案一：采用SDS011传感器作为空气的浓度检测模块，它能直接读出十六进制数，虽然测的灵敏度高，但成本比较高，操作比较复杂，一般不采用。

方案二：利用夏普粉尘传感器GP2Y10 10AU0F作为空气浓度的检测模块，它是一种粉尘烟雾传感器，能检测出非常细微的颗粒。其输出的是与空气中粉尘浓度成正比的电压模拟量，需通过A/D采集后转化成数字量显示浓度值。由于价格便宜、经济适用、灵敏度相对于其它的高，一般市场采用此传感器。

通过对上述方案的比较，都能够实现检测空气中的浓度，不过综合考虑选择方案二。

2.4 显示模块的选择

使用LCD1602液晶作为显示模块。他显示的内容为16×2，既可以显示两行，每行16个字符。它具有背光调节功能，只需要调节外部电位器便可时时调节背光、改变对比度，来控制显示的亮度，同时单片机的I/O引脚的驱动电流既可驱动LCD1602，而且价格便宜、可插拔性强、功耗较低、显示内容多样性、外表美观、体积小等优点，这些优点是其他显示器无法相比的。

2.5 净化模块的选择

使用负离子净化器。它的原理是强电场产生负离子与颗粒污染物相结合，使其沉淀或者吸附在物体表面，其优点是杀灭细菌，净化效果比较好。

通过一系列的比较比较，使用此种进化模块的实用性强，能更好的净化空气。

2.6 按键模块的选择

方案一：选用矩阵键盘，可以更大程度上的使用上面的I/O端口，但程序比较复杂，多用于按键比较多的电路。

方案二：选用独立按键式，每个端口独立工作。程序编写简单，操作简单。

通过上述两个方案比较，由于此次设计的按键个数不多，又能满足要求，综合考虑选择方案二。

3 系统软件设计

系统主程序的入口为main()函数，先对系统进行初始化，然后进入主程序，当按下菜单按键，LCD显示菜单功能界面。根据设置的报警值，判断测得的浓度是否达到报警值以及开启净化器。利用1602实时反应整个检测装置的运行。主要程序流程图如图2所示。

图2 主程序流程图

4 系统仿真与测试

4.1 仿真

首先进行keil的仿真，对于单片机来说，keil软件是必不可少的，它有着强大的仿真和编辑功能。再利用Proteus进行仿真，其具体过程如下所示。

当按下设置键后，通过加减键设置参考值为300 μg/m3时，调节可变电阻使得实际测量值为125 μ g/m3时，小于设定值的一半时，绿色LED灯亮，表示空气质量良好。当按下设置键后，通过加减键设置参考值为300 μg /m3时，调节可变电阻使得实际测量值为180 μ g/m3时，大于设定值的一半且小于参考值时，黄色LED灯亮，表示空气质量一般。当按下设置键后，通过加减键设置值设定为300 μ g/m3时，调节可变电阻使得实际测量值为320 μ g/m3时，大于设置设定值，红色LED灯亮，并且蜂鸣器报警，表示空气质量差，然后紫色LED亮，表示开启净化器。电路仿图结果如图3所示。

图3 实物设计图

4.2 实物调试

在预测功能上，经过一系列的仿真之后，实现预测的功能，最后便是购买器件在进行焊接调试，经过调试后，预测的功能在实物图已经实现。调试前的如图4所示。

图4 实物图

5 结语

该设计的难度就是在传感器的选择和A/D转换器的选择上，经过翻阅和查找相关资料，终于找到的了日本公司生产的夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F和美国公司生产的ADC0832转换器，由于它们比较经济使用，便于操作，有利于我们做空气质量检测仪的元器件。笔者学习了它们的原理和用法，不仅对本次设计有所帮助，也提高了笔者的操作能力和运用知识的能力。