朱穎

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院）

基于單片機(jī)的室內(nèi)粉塵與異味檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

朱穎

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院）

為滿足對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保護(hù)人體健康，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)控制的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 STM8S903K3單片機(jī)為核心，利用粉塵與異味傳感器檢測(cè)室內(nèi)粉塵與異味的濃度，當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)發(fā)出警報(bào)；具有低功耗、小型化、高精度、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于不同環(huán)境下對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是一種便捷實(shí)用的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)工具。

單片機(jī)；傳感器；空氣質(zhì)量檢測(cè)

0 引言

據(jù)調(diào)查顯示，人在室內(nèi)度過的時(shí)間超過80%，故室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞對(duì)人體健康有著直接影響[1]。流行病學(xué)研究表明，人群發(fā)病率和死亡率與大氣顆粒物濃度，特別是室內(nèi)顆粒物濃度有非常大的關(guān)系[2-4]。粉塵和異味作為室內(nèi)污染的主要污染物，其檢測(cè)技術(shù)備受重視?；诖吮疚脑O(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，以便及時(shí)檢查室內(nèi)粉塵和異味，避免人吸入過多污染物，影響健康。隨著生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)交通、娛樂、健身等公共場(chǎng)所環(huán)境監(jiān)測(cè)也有了更高的要求，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)能很好地解決這一難題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的室內(nèi)粉塵與異味檢測(cè)系統(tǒng)主要包括2部分：硬件電路部分和軟件部分。硬件電路通過GP2Y1010AU粉塵傳感器與TGS2600異味傳感器采集室內(nèi)空氣中粉塵和異味的濃度，產(chǎn)生特定的模擬信號(hào)并輸出給單片機(jī)STM8S903K3；該信號(hào)由單片機(jī)及其外圍電路進(jìn)行處理；用LCD顯示粉塵和異味濃度；當(dāng)粉塵或異味濃度超過設(shè)定閾值，報(bào)警系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)；可通過按鍵電路設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。軟件部分采用模塊程序，各子程序都具有相對(duì)獨(dú)立的功能，易于擴(kuò)展。

系統(tǒng)硬件電路主要包括：主芯片（STM8S903K3）及其外圍電路、粉塵傳感器電路、異味傳感器電路、LCD液晶顯示電路和報(bào)警電路，其框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主芯片及外圍電路

STM8S903K3是意法半導(dǎo)體公司推出的基于STM8內(nèi)核的8位高性能微控制器。具有多達(dá)8 kB Flash、1 kB RAM、640 B數(shù)據(jù)EEPROM、10位ADC、2個(gè)定時(shí)器、UART、SPI和I2C接口[5]。其性能強(qiáng)大，內(nèi)部資源豐富，方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)與降低系統(tǒng)成本。

報(bào)警電路：粉塵、異味超標(biāo)時(shí)報(bào)警提醒用戶采取相關(guān)措施。

按鍵電路：關(guān)機(jī)狀態(tài)下長(zhǎng)按按鍵S1五秒開機(jī)；在開機(jī)狀態(tài)下長(zhǎng)按按鍵S1五秒關(guān)機(jī)；短按按鍵S1可以進(jìn)入功能設(shè)置，與按鍵S2配合使用，可對(duì)粉塵、異味超標(biāo)報(bào)警的閾值進(jìn)行設(shè)置，其電路圖如圖2所示。

2.2 粉塵傳感器電路

家用粉塵檢測(cè)系統(tǒng)要求粉塵傳感器具有易于保養(yǎng)、使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)。根據(jù)室內(nèi)粉塵的特性，本系統(tǒng)選用GP2Y1010AU粉塵傳感器，該傳感器可測(cè)量0.8μm以上的微小粒子，是空氣凈化器產(chǎn)品中首選的粉塵傳感器。

圖2 主芯片外圍電路

根據(jù)GP2Y1010AU粉塵傳感器工作原理[6]，其應(yīng)用電路模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。GP2Y1010AU通過LED驅(qū)動(dòng)接收CPU的PD4引腳發(fā)出的粉塵檢測(cè)指令控制信號(hào)，開始對(duì)粉塵進(jìn)行檢測(cè)；再以占空比的形式將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給CPU的PD3引腳；CPU根據(jù)PD3輸出信號(hào)占空比，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成粉塵濃度并通過LCD顯示。

為提高粉塵檢測(cè)精度，PCB設(shè)計(jì)時(shí)高頻濾波電容C1和R3的位置應(yīng)盡可能靠近CPU引腳，避免干擾信號(hào)加載到板間連線或長(zhǎng)距離PCB印制線中，導(dǎo)致采樣不精準(zhǔn)。電解電容C2要盡可能靠近粉塵傳感器的V_LED引腳，并要保證其可靠接地，避免粉塵傳感器的LED電源因受干擾而工作不穩(wěn)定。

圖3 粉塵傳感器應(yīng)用電路

2.3 異味傳感器電路

根據(jù)家庭中常見異味種類（香煙、烹飪油煙），本系統(tǒng)選擇的異味傳感器為TGS2600，其具有對(duì)香煙和烹調(diào)臭味靈敏度高、壽命長(zhǎng)、成本低、設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單等特性，是空氣凈化器產(chǎn)品和室內(nèi)空氣監(jiān)視器常用的傳感器[7]。其電路模塊如圖4所示。

圖4 異味傳感器應(yīng)用電路

此傳感器需要施加2個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和回路電壓（VC）。VH施加在集成的加熱器上，用于維持敏感器件處于與檢測(cè)氣體相適應(yīng)的特定溫度。VC則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（R1）上的兩端電壓（VOUT）。將檢測(cè)到的異味電信號(hào)傳輸?shù)紺PU，CPU將其轉(zhuǎn)換為異味氣體濃度并通過LCD顯示。

為提高檢測(cè)精度，高頻濾波電容C1的位置應(yīng)盡可能靠近CPU引腳PB2，避免干擾信號(hào)加載到長(zhǎng)距離PCB印制線中導(dǎo)致信號(hào)采樣不精準(zhǔn)。由于氣體傳感器本身是發(fā)熱元器件，在PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮與溫度敏感的元器件保持適當(dāng)?shù)木嚯x。

2.4 LCD驅(qū)動(dòng)電路

HT1621D是內(nèi)存映象和多功能的LCD驅(qū)動(dòng)器，HT1621D的軟件配置特性使它適用于多種LCD應(yīng)用場(chǎng)合，包括LCD模塊和顯示子系統(tǒng)[8]，其電路模塊如圖5所示。

圖5 LCD驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用 C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，程序采用模塊化設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)展。程序主要分為數(shù)據(jù)采集處理、顯示、按鍵掃描、報(bào)警幾個(gè)模塊。

3.1 主程序流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行初始化，循環(huán)調(diào)用數(shù)據(jù)采集處理、顯示、按鍵掃描、報(bào)警幾個(gè)模塊程序，完成空氣質(zhì)量檢測(cè)工作。在工作中，CPU實(shí)時(shí)監(jiān)控著按鍵動(dòng)作，并對(duì)粉塵、異味傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，判斷粉塵/異味濃度是否超標(biāo)。如果粉塵/異味濃度超標(biāo)則報(bào)警，并通過LCD顯示粉塵/異味濃度，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)；如果粉塵/異味濃度不超標(biāo)則通過 LCD顯示粉塵/異味濃度直接進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。主流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)流程圖

工作狀態(tài)下，粉塵、異味傳感器實(shí)時(shí)采樣，產(chǎn)生特定的信號(hào)輸出到CPU，信號(hào)在CPU內(nèi)部經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的粉塵與異味濃度。為了減小誤差，采用累計(jì)5 s取平均值。判斷濃度是否大于設(shè)定的閾值：如果大于設(shè)定閾值，蜂鳴器報(bào)警并顯示粉塵/異味濃度；如果小于設(shè)定閾值，顯示粉塵/異味濃度，若有報(bào)警并取消蜂鳴器報(bào)警。其流程圖如圖7所示。

圖7 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)利用香煙產(chǎn)生煙塵和異味，利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備（TSI8533粉塵測(cè)試儀、XP-329 IIIR異味檢測(cè)儀）和本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)同時(shí)采樣，得到實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)粉塵與異味的濃度，并完成數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲(chǔ)、顯示及報(bào)警等工作；通過單片機(jī)及其外圍電路能很好實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作；軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易懂；其擴(kuò)展性強(qiáng)，可加入溫濕度、二氧化碳等傳感器進(jìn)行更全面的空氣質(zhì)量檢測(cè)；并可與空氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合實(shí)現(xiàn)環(huán)境智能凈化系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高精度、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于不同環(huán)境下對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有很好的實(shí)用價(jià)值。

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Design of Indoor Dust and Odor Detecting System Based on MCU

Zhu Ying
(Huali College, Guangdong University of Technology)

In order to satisfy the real-time monitoring of indoor air quality and protect the personal health, this paper designs an indoor air quality detection system based on single-chip microcomputer with STM8S903K3.The concentration of dust and odor is detected by the sensors. If threshold exceeding the setting space it will set on the alarm. This system supplies a convenient and practical method for indoor air quality testing, which has low power consumption, small structure, high precision and flexibility. Generally, it is practically useful in real-time monitoring air quality under different circumstances.

Microcontroller; Sensor; Air Quality Detection

朱穎，女，1986年生，碩士，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。E-mail: zhuyinglz@163.com

2013省質(zhì)量工程高等學(xué)校“專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”項(xiàng)目—電氣工程及其自動(dòng)化的研究成果