基于技能大赛的多功能通用型空气质量检测仪的设计

李玉丹，王祯祯，余彦琼

（郑州理工职业学院，河南郑州，451150 ）

0 引言

随着经济的快速发展，我国环境问题日益严重。全国多个城市空气污染严重，城市空气首要污染物可吸入颗粒物超标情况严重[2]。严重危害人类的健康，因此人们所在封闭空间空气质量检测仪及净化装置的配备是必要的。本文的设计是基于郑州市地方高校技能大赛中的电子产品设计与制作赛项，综合考虑了设计的实用性、多功能性和学生的可操作性。

1 系统组成

该系统主要由单片机模块、电源模块、温湿度检测模块、PM2.5检测模块、LCD液晶显示模块、按键模块和声光报警模块、蓝牙模块、净化装置模块九大模块组成。温湿度检测模块和PM2.5检测模块采集到空气的温度、湿度和PM2.5三个参数值通过单片机的数据转换处理后实时显示在液晶屏上，通过按键模块设定各参数的界限值，任一参数达到界限值时声光报警模块分别发出声、光报警信号，同时启动净化装置。本系统还设计有蓝牙模块，通过蓝牙模块和单片机连接，实现了手机对系统的远距离监控。

2 硬件设计

本设计的核心器件单片机采用STC公司生产的STC89C52单片机。此款单片机是51系列单片机，51系列单片机是基础入门的单片机，还是应用最广泛的一种。另外STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，适合学生用于学习和参加技能竞赛。其余的九个模块作用如下：

（1）PM2.5采集模块：此模块选用夏普GP2Yl051AUOF灰尘传感器，用来采集空气中的PM2.5值。GP2Yl010AUOF 是一种利用光电原理来测定空气质量的一种传感器，它利用发光二极管发射光线，利用晶体管接收二极管发射的光引起电压的变化，此设备检测范围广灵敏度高，既能能够检测到小的连续的烟草微粒，也能检测到大的离散的粉尘颗粒，并且重量轻，另外传感器与单片机的连接电路只需把此传感器的5号引脚与STC89C52单片机的串行输入引脚P3.0连接，简单易于学生操作。

（2）声光报警模块：包括LED光显报警电路和蜂鸣器声音报警电路。声光报警电路采用蜂鸣器和LED二极管发光报警，蜂鸣器报警电路采用三极管8550驱动，和单片机的P2.0相连接。LED二极管发光电路与P1.3和P1.4相连接，分别为PM2.5和温湿度报警。单片机的引脚均为低电平有效，当P2.0口为高电平时，蜂鸣器不报警，LED二极管不发光，当P2.0口为低电平时，蜂鸣器报警，LED二极管发光。

（3）电源模块：实现对整体系统的供电。采用USB电源模块供电，Switch 是电源开关，pow是电源输入端，供电电压为DC5v。电路图如图2。为了实现室内用稳压电源给系统供电，室外可用移动电源如充电宝等给系统供电，设计了备用电源模块，该电源模块由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供 +5V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现。

（4）液晶显示模块：采用LCD1602液晶显示器，用于显示温度、湿度和PM2.5的值。单片机从PM2.5采集模块和温湿度传感器模块中读取并处理数据后，在液晶屏模块上显示出来。本设计中采用LCD1602液晶显示器的理由是：1、LCD1602液晶显示器是字符型液晶，显示字母和数字比较方便。2、LCD1602液晶显示器控制简单，便于初学单片机的学生掌握使用。3、LCD1602液晶显示器能够满足本设计显示要求而且成本较低。

（5）按键电路：用于完成报警值参数调整的功能。按键电路使用三个按键K1、K2、K3，按键按下后产生一阶跃信号传送给STC89C52单片机，通过按键设置温湿度和PM2.5的界限值，以及设定三个参数界限值的增加和减少，其中按键K1连接单片机的P1.0口，可以用来选择模式，也就是可以选择要设定的参数；K2连接单片机的P1.1口，按下按键可以增加参数的界限值；K3连接单片机的P1.2口，按下按键可以减小参数的设定值。

（6）蓝牙模块：蓝牙模块采用ATK-HC05，HC05模块是一款高性能主从一体蓝牙串口模块，知道串口怎么编程就可以使用，实现了透明传输。对于初学者的学生来说无需知道太多蓝牙相关知识就可以很快的上手，是个很好的选择。它可以与PDA、手机、电脑等具有蓝牙功能的设备实现配对，该模块所支持的波特率范围非常大，为4800～1382400，而且该模块和3.3V或5V的单片机系统相兼容，极其方便、灵活。采用ATK-HC05的5号引脚与单片机的P3.1相连，ATK-HC05的电源端口2号引脚和3号引脚分别接单片机的VCC和GND端，可以把温度值、湿度值和PM2.5值传输给手机端，用户安装对应的APP,可以通过手机随时随地查看数据，实现了实时监控。

（7）温湿度采集模块：采用DHT11温湿度传感器采集空气中的温度和湿度，并通过单片机显示到液晶显示屏上。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有较好的可靠性和稳定性。另外，它体积小、功耗低，信号传输距离可达20米以上，因此DHT11温湿度传感器成为较为普遍的选择。它为4针单排引脚封装，单线制串行接口，连接方便。单片机的P3.5口用来发收串行数据，即数据口，连接的DHT11的2号引脚。在DHT11的2号引脚与电源之间需连接一个10K上拉电阻，而传感器的电源端口1号引脚和4号引脚分别接单片机的VCC和GND端，传感器的第三脚悬浮放置。

（8）净化装置模块：本设计的净化装置采用的是简易净化装置，主要是靠启动风扇净化空气。在声光报警电路中串接一个8550三极管。三极管的放大电路即为风扇电路。当声光报警电路接通报警时，三极管的基极有了控制电流使放大电路接通，风扇电路接通，风扇转动，起到净化空气的作用。为了检验此设备净化空气的效果，我们把此设计仪置于一个封闭空间中，我们用透明的塑料给此仪器制作了一个外壳，可以清晰地观察演示效果。

3 程序设计

3.1 程序设计思路

程序设计部分主要包括主程序、系统初始化程序，按键检测函数、LCD显示函数、报警子函数、蓝牙串口通信的设计等。进入程序，首先对DHT11初始化、蓝牙串口初始化、PM2.5串口初始化、LCD1602初始化，使单片机接收处理传感器的数据，建立起与手机之间的联系，然后通过LCD显示函数的设计显示当前温湿度和PM2.5的值并将值传送给手机显示检测。利用按键检测函数对显示模式和设置模式进行判断，设置温湿度的上下限值和PM2.5的浓度值上限对各部分流程图进行设置，超过设定值后调用报警子程序进行报警并开启净化装置。

3.2 测试方案与测试结果

为了检验此设计的可使用性和可靠性，我们进行了全方位的功能测试，根据测试结果对设计进行了完善。

4 测试方案

4.1 硬件测试

用万用表检测各连接点之间的导通情况，通过对焊接作品的逐个元件检查观察焊点有无虚焊、焊点间有无短路。在确定硬件焊接无误后，接通电源，用万用表检测各电路参数值是否在理论值范围内。经检测，把电路中出现的问题总结如下：(1）LCD1602显示亮度不够。在15引脚上串接一可调电阻到电源上，背光亮度得到调节。(2）P0口上拉电阻由于连接错误，导致单片机不运行，后更换上拉电阻恢复正常。(3）由于焊接失误导致三极管8550引脚e、c接错，导致风扇不工作，正确接入后正常工作。

4.2 软件件测试

通过AltiumDesigner的线路检测功能对整个原理图进行检查，检查每个串口是否连接正确，每个引脚是否连接正确，确认整个原理图的走线及接口设定，检测并修改确定无误。用keil软件根据原理图编写程序，编写后运行检测，并修改出现的错误。

4.3 硬件软件联调

将调试成功后的程序，使用烧录软件下载到单片机中，将单片机放入焊接好的电路板上的单片机插座中，通电实验。按照电路原理图设计的按键功能按下按键，观察是否实现各项功能。当所有的上下限值设定之后，用透明罩罩住整个设备，向罩内释放烟尘和水气，使其达到极限值，测试报警模块和净化模块。在经过多次调试，对照电路原理图，最终达到设计要求，设计成功。

4.4 测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表、模拟示波器、数字示波器、数字万用表、指针式万用表。

5 测试结果及分析

5.1 调试结果

LCD显示屏显示当前值：PM2.5：55μg/m³；温度24℃；湿度 41%。设置值：PM2.5最高为 100μg/m³；温度最高40℃，最低10℃；湿度最高60%，湿度最低20%。

经测试当PM2.5达到100μg/m³的值时，蜂鸣器发出报警，同时PM2.5LED净化装置工作指示灯亮，同时风扇转动净化空气，当温湿度超过最低或最高值时，蜂鸣器发出报警，温湿度相应LED指示灯亮，用手机连接蓝牙，观察手机显示的数据与LCD显示屏显示的当前值一样。如果按下手动控制开关，可以直接控制通/断电。

5.2 测试分析与结论

根据上述测试数据，空气温湿度检测仪的设计无误，实现了以下功能。

基本功能:(1)实现检测当前环境中空气PM2.5的浓度和温度、湿度。(2)实现LCD1602实时显示温度、湿度和PM2.5浓度。(3)实现当温湿度超过上限或者下限，蜂鸣器会进行报警。(4)实现当PM2.5浓度大于设定值时，蜂鸣器会进行报警。

发挥部分功能:(1)实现通过蓝牙把当前的温湿度和PM2.5的浓度发送到手机端显示监测。(2)实现当PM2.5浓度大于设定值时，净化装置工作指示灯亮，并启动净化装置工作，开始净化空气。(3)实现当温湿度超过上限或者下限，对应的LED会亮。(4)实现当PM2.5浓度大于设定值时，对应的LED会亮。(5)电源模块的设计灵活方便，可以实现室内用稳压电源给系统供电，室外或无电网电源的环境可使用充电宝给系统供电。

通过多次的调试和改进，本设计可以很好的实现以上的基本功能和发挥功能。本设计的功能齐全，体积小价格低，净化装置的电路也容易修改，可以根据空间环境的不同要求更换不同功率的风扇，通用性强。电源模块的设计使得该检测仪供电灵活，可靠。另外通过手机蓝牙接收实时数据，可以实现远距离的监控，这样即使检测的环境比较恶劣，人也可以不需处在在检测环境中就可以清晰看到检测环境的情况，大大提高了安全性。