呂佳鳴

摘 要： 本文以單片機為主控芯片，通過控制一些傳感器，實現(xiàn)了對所測環(huán)境的溫濕度、CO和PM2.5濃度的監(jiān)測，而且當CO和PM2.5濃度超標時，可以實現(xiàn)報警和數(shù)據(jù)存儲的功能。由于本系統(tǒng)采用了51單片機的升級芯片IAP15F2K61S2，速度更快，功耗更低，測量結(jié)果精確，偏差小。同時應用了ENC28J60模塊，實現(xiàn)了網(wǎng)絡傳輸功能，與飛速發(fā)展的網(wǎng)絡時代相適應，具有巨大的應用價值和廣泛的應用前景。

關鍵詞： PM2.5濃度；CO濃度；溫度；濕度；檢測

中圖分類號：X85 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2016）02（c）-0000-00

近幾年，我國大部分地區(qū)出現(xiàn)了霧霾天氣，有的地方霧霾非常嚴重，嚴重影響了我們的日常生活。尤其在北方的農(nóng)村，人們?yōu)榱巳∨蟛糠旨彝ミ€是用傳統(tǒng)的煤爐，家中CO數(shù)值經(jīng)常超標，因煤氣中毒的事件時有發(fā)生?？墒?，市環(huán)境監(jiān)測中心只在個別區(qū)域設有環(huán)境監(jiān)測點，人們只能參考附近監(jiān)測點的PM2.5的數(shù)據(jù)，來估測自己所處環(huán)境的情況，并且CO及溫濕度的準確數(shù)據(jù)還需要不同的測量儀器來測量。人們迫切需要一款測量準確、價格低廉、便攜方便的測量儀，使人們能隨時隨地監(jiān)測自己所處環(huán)境的PM2.5、CO及溫濕度等多項空氣質(zhì)量檢測指標。

1.空氣質(zhì)量檢測儀的調(diào)查與設計

1.1調(diào)查問卷及結(jié)果分析

新產(chǎn)品的推出需要有市場，同樣我們的研究產(chǎn)品如果要投放市場，是否有銷路呢？我們利用休息時間走訪市場，隨時也采訪了一些群眾。根據(jù)群眾的反映，我們制定了調(diào)查問卷，調(diào)查人們對了解環(huán)境指標的需求狀況。我們共發(fā)放調(diào)查問卷223份，收回的有效問卷205份。我們對收回的問卷進行了數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，分析的結(jié)果如下：

（1）人們意識到環(huán)境的優(yōu)劣與生活和健康息息相關。PM2.5、CO、溫濕度的數(shù)值高低對生活的影響普遍認可。

（2）人們雖然意識到環(huán)境的重要性，但是不會主動去了解居住地PM2.5、CO、溫濕度的具體數(shù)值。

（3）人們雖然意識到環(huán)境的重要性，但是苦于家中沒有檢測儀器，不能直接了解居住地的PM2.5、CO的數(shù)值，所以人們主要是通過新聞報道和天氣預報來大致估測自己居住地的環(huán)境性能指標。

（4）人們意識到環(huán)境優(yōu)劣對人們的健康有很大影響。人們也希望隨時能檢測居住地的PM2.5、CO、溫濕度的數(shù)值，如果有這樣的檢測儀器，人們還是希望擁有的。

1.2網(wǎng)上調(diào)查產(chǎn)品

我們在網(wǎng)上調(diào)查該類產(chǎn)品的信息，發(fā)現(xiàn)該類產(chǎn)品的不足有：

（1）有些公司制作了能監(jiān)測溫濕度，CO和PM2.5濃度的檢測儀，但一般用單片機STC89C52，檢測速度較慢，功耗較高。測量不夠精確。

（2）價格太高，且使用壽命短。

（3）產(chǎn)品使用220V交流電源，只要使用必須插入交流電，如果停電就無法使用。

1.3產(chǎn)品設想和創(chuàng)新

（1）本產(chǎn)品采用51單片機的升級芯片IAP15F2K61S2，結(jié)合相對應的傳感器模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度，CO和PM2.5濃度的監(jiān)測。速度更快，功耗更低。測量更精確，偏差小。

（2）應用AT24C02存儲芯片，能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r發(fā)生時的數(shù)據(jù)進行保存。

（3）應用了ENC28J60模塊，實現(xiàn)了網(wǎng)絡傳輸功能，與飛速發(fā)展的網(wǎng)絡時代相適應。

（4）整個系統(tǒng)軟件上，采用了菜單式的程序結(jié)構和模塊化的編程方式，通過按鍵控制12864液晶模塊來顯示各種信息。

（5）力爭能降低成本，價格使普通消費者都能接受。

（6）本產(chǎn)品設計成兩用插座，即可以使用220V交流電源，也可以使用移動電源，休息、工作時間都可使用。

1.4成本預算

一個51單片機的升級芯片IAP15F2K61S2大約30元，12864液晶顯示器30元左右，再加上其它傳感器及配件，空氣質(zhì)量檢測儀的成本價在160元左右。也屬于大眾消費，人們比較容易接受。

1.5空氣質(zhì)量檢測儀的設計框圖

隨著社會水平的不斷提高，人們的環(huán)保意識日益增強，越來越注重周圍環(huán)境的質(zhì)量與安全。因此，一個安全與舒適的生活工作環(huán)境可以使人們更加健康和快樂的享受生活?？諝赓|(zhì)量檢測儀的結(jié)構框圖如圖1-1所示。

IAP15F2K61S2單片機為主控芯片，通過控制CO氣體傳感器，PM2.5傳感器，DHT11溫濕度傳感器，DS1302時鐘芯片，測量環(huán)境的溫濕度，CO和PM2.5濃度和時間，由12864液晶模塊進行顯示數(shù)據(jù)，AT24C02存儲芯片把測量數(shù)據(jù)進行存儲，以便數(shù)據(jù)的比較和分析。

2.設計與制作

2.1設計方案

根據(jù)檢測系統(tǒng)的需要，對系統(tǒng)的電路原理圖、系統(tǒng)的程序圖進行了詳細的設計，設計圖如圖2-1、2-2所示。

2.2制作過程

（1）準備好單片機、傳感器、面包板、杜邦線、烙鐵、焊錫、萬用表等器件。

（2）根據(jù)設計圖及電路原理圖，在面包板上進行接線、測量數(shù)據(jù)及系統(tǒng)調(diào)試。

（3）用畫圖軟件Altium Designer畫出電路的原理圖，用激光打印機把PCB圖打印出來，用熱轉(zhuǎn)印機把打印好的PCB圖轉(zhuǎn)印在覆銅板上，用一定量的三氯化鐵腐蝕液腐蝕出圖形，用臺鉆手工鉆孔，并用砂紙將PCB板的細節(jié)處打磨好。

（4）按照圖紙在PCB板上插裝元件并焊接，焊接機械強度要足夠，焊點表面要光滑。焊接好后，進行最后的系統(tǒng)調(diào)試。經(jīng)調(diào)試，測量數(shù)據(jù)正確，如圖2-3所示。

3.應用設計進行的相關實驗

看著自己做好的作品，感覺到了一種成就感。我?guī)е髌返绞覂?nèi)和路口分別進行檢測。

3.1路口檢測

用作品在路口檢測的結(jié)果如表3-1所示。

3.2室內(nèi)檢測

用作品在室內(nèi)檢測的結(jié)果如表3-2所示。

3.3檢測分析

（1）從表3-1和表3-2兩個檢測數(shù)據(jù)對比可以看出，路口的車流和人流都比較多，PM2.5值與室內(nèi)相比，較高。但是由于室內(nèi)通風不夠通暢，CO的值室內(nèi)比室外高。溫度室內(nèi)比室外高，濕度室內(nèi)比室外低。數(shù)據(jù)結(jié)果都比較符合實際情況。

（2）在現(xiàn)場檢測時，自帶手表、溫度計和智能手機。溫度計上的溫度數(shù)值與作品的數(shù)值一致，手表的時間和作品的實測時間也一致。我用智能手機搜索網(wǎng)站上當?shù)氐腜M2.5的數(shù)值、CO的數(shù)值，與作品所測數(shù)值稍微有些差值。我認為，網(wǎng)上的公布值是用檢測地的數(shù)值大約代表一個城市的檢測情況。而作品能實時實地的檢測準確位置的性能指標。

3.4市民評價

11月7日，我去居民小區(qū)，向人們介紹我的作品，居民們爭先恐后的用我的儀器進行測量，還有熱心的群眾從家中拿來溫度計進行比對數(shù)值。他們一致反映，我的作品，小巧、實用、檢測精確度高，便于在家中放置。

4.結(jié)論與分析

4.1系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)是基于IAP15F2K61S2單片機制作的空氣質(zhì)量檢測儀，實現(xiàn)了溫濕度，CO濃度和PM2.5濃度的監(jiān)測。而且當CO濃度和PM2.5濃度超標時，可以實現(xiàn)報警和數(shù)據(jù)存儲的功能。

4.2使用說明

（1）上電開機。

（2）初始化，系統(tǒng)開始運行，實時監(jiān)測各種數(shù)據(jù)。

（3）按鍵選擇分別進入不同的功能頁面。

頁面1：時間和溫濕度的測量數(shù)據(jù)；

頁面2：PM2.5濃度和CO濃度的測量數(shù)據(jù)；

頁面3：溫度和濕度用優(yōu)、良、差分等級表示；

頁面4：PM2.5濃度和CO濃度用優(yōu)、良、差分等級表示。

4.3作品的實用性

（1）能夠?qū)崟r檢測溫濕度，CO濃度和PM2.5濃度的數(shù)據(jù)。

（2）可視化程度高，可以在12864液晶屏幕上顯示所有信息。

（3）采用了51單片機的升級芯片IAP15F2K61S2，速度更快，功耗更低。

（4） 能夠?qū)Νh(huán)境狀況進行精確的測量，偏差小。

4.5作品的創(chuàng)新性

（1）應用了AT24C02存儲芯片，能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r發(fā)生時的數(shù)據(jù)進行保存。

（2）應用了ENC28J60模塊，實現(xiàn)了網(wǎng)絡傳輸功能，與飛速發(fā)展的網(wǎng)絡時代相適應。

（3）整個系統(tǒng)軟件上，采用了菜單式的程序結(jié)構和模塊化的編程方式，通過按鍵控制12864液晶模塊來顯示各種信息，操作方便，精確度高。

（4）硬件上使用的都是集成模塊，安裝方便，結(jié)構簡單。整個系統(tǒng)具有非常重要的實用價值，可應用在家庭，企業(yè)，機關，實驗室，公共場合等各種環(huán)境下。

主要參考文獻：

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[2] 郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應用.西安：西安電子科技大學出版社，2008.8

[3] 王化祥.自動檢測技術.北京：化學工業(yè)出版社， 2009.8

[4] 譚浩強.C程序設計（第四版）.北京：清華大學出版社， 2010.7