李志廣，尚 優(yōu)

(1.河北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300401； 2.河北工業(yè)大學(xué) 國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心，天津 300401)

一種帶OLED顯示的粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李志廣1,2，尚 優(yōu)1

(1.河北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心，天津300401)

為了對(duì)環(huán)境空氣中的粉塵濃度進(jìn)行方便快速而準(zhǔn)確的檢測(cè)，基于STC89S52RC單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于光散射原理的粉塵傳感器采集信號(hào)，使用1.3英寸OLED顯示模塊進(jìn)行顯示，應(yīng)用C++進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了PM2.5及PM10的實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示，并設(shè)計(jì)了聲光警報(bào)系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，便會(huì)觸發(fā)警報(bào)。調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

粉塵濃度；光散射；OLED；單片機(jī)

0 引言

最近幾年，各地不時(shí)出現(xiàn)“霧霾”天氣，空氣質(zhì)量也越來越受到人們的關(guān)注。造成這些“霧霾”天氣的主要原因之一是空氣中漂浮著的粉塵，這些粉塵也攜帶大量有毒、有害物質(zhì)，而且能被人體吸入，使人們更容易患呼吸道疾病以及肺部疾病。因此對(duì)環(huán)境空氣中的PM2.5濃度進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的檢測(cè)成為環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的一個(gè)新內(nèi)容。一般情況下，雖然有專門儀器檢測(cè)空氣中的有害氣體，但普遍價(jià)格偏貴，測(cè)量耗費(fèi)時(shí)間，便攜性不佳，某些儀器還需要專業(yè)人員操作[1]。

目前，世界各國(guó)對(duì)粉塵濃度的檢測(cè)技術(shù)做了大量研究，我國(guó)在粉塵濃度檢測(cè)儀方面的研究起步較晚。PM2.5的檢測(cè)方法有重量法[2]、微量振蕩天平法[3]、β射線吸收法[4]、光散射法[5]等，最近也出現(xiàn)了不少小型的粉塵濃度傳感器模塊[6-7]。國(guó)內(nèi)粉塵濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)主要以采樣器、直讀式測(cè)塵儀為主。粉塵采樣器的測(cè)量周期長(zhǎng)、測(cè)量手段復(fù)雜，無法及時(shí)地反映出當(dāng)前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。目前檢測(cè)PM2.5濃度的主流方法可以對(duì)24小時(shí)平均的城市空氣PM2.5濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但仍存在著設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜的問題，不適合在小環(huán)境內(nèi)使用?；诠馍⑸湓淼姆蹓m傳感器具有體積小、檢測(cè)快、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此更適合在室內(nèi)或小范圍內(nèi)使用。測(cè)量系統(tǒng)離不開顯示終端，OLED在顯示信息方面具有許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)。OLED無LCD的視角問題，可提供全視角顯示，而且器件厚度也比LCD薄。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一款帶OLED顯示的粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，采用SM-PWM-01A型粉塵傳感器。該傳感器利用光散射原理可以對(duì)小環(huán)境的PM2.5及PM10濃度進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的測(cè)量。該系統(tǒng)采用1.3英寸OLED顯示模塊顯示信息，與傳統(tǒng)的透射式液晶顯示模塊相比，該模塊在外界光強(qiáng)烈的環(huán)境下同樣具有良好的顯示效果。

1 SM-PWM-01A型粉塵傳感器的原理與結(jié)構(gòu)組成

1.1 工作原理

常用的基于光散射原理的小型粉塵傳感器通常都是利用角散射法原理。即當(dāng)平行單色光朿通過帶有粉塵的空氣時(shí)，由于粉塵顆粒的散射和吸收作用，使光束在原來傳播方向上的光強(qiáng)減弱，光束的傳播方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而被光傳感器檢測(cè)到[8]。基于該方法制成的傳感器具有體積小、能耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，適宜在小型設(shè)備上使用。

SM-PWM-01型粉塵濃度傳感器是美國(guó)通用電氣公司的產(chǎn)品。該傳感器的LED光源與透鏡組成光源系統(tǒng)，其發(fā)出的入射光的傳播方向與光傳感器接收方向不在同一條直線上，而是成一定的角度。在腔體內(nèi)環(huán)境空氣無塵的情況下，光源發(fā)出的平行單色光不會(huì)被光傳感器檢測(cè)到，而在腔體內(nèi)環(huán)境空氣有塵的情況下，由于粉塵顆粒對(duì)光線的散射和吸收，一部分入射光的傳播方向發(fā)生偏移，從而被光傳感器檢測(cè)到。由于散射光的量較少，因此在光傳感器前也裝有透鏡，用于匯聚散射光，如圖1所示。工作時(shí)，先由加熱系統(tǒng)加熱粉塵傳感器腔體中的空氣，使環(huán)境空氣以一定的流速緩緩?fù)ㄟ^粉塵傳感器腔體內(nèi)的通道，這樣環(huán)境空氣中的粉塵顆粒也將被一同帶入到腔體內(nèi)，并在粉塵傳感器的腔體內(nèi)形成一個(gè)均勻的粉塵顆粒場(chǎng)。與此同時(shí)光源以一束平行單色光照射腔體內(nèi)的顆粒場(chǎng)，然后光傳感器將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換后作為輸出信號(hào)輸出。

圖1 粉塵傳感器原理圖

1.2 結(jié)構(gòu)組成

SM-PWM-01型粉塵傳感器主要由光源系統(tǒng)(包括LED光源和透鏡)、光檢測(cè)系統(tǒng)(包括光傳感器和另一個(gè)透鏡)、前置放大處理電路和MICOM處理器四部分組成。SM-PWM-01A型粉塵傳感器的接口從1到5依次為GND、Output(P2)、Vcc、Output(P1)、Voltage Out(Vo)，如圖2所示。其中Voltage Out(Vo)為電壓輸出，即當(dāng)灰塵濃度增加時(shí)輸出電壓Vo增加，本系統(tǒng)不使用電壓輸出作為單片機(jī)采集的信號(hào)，因此在與單片機(jī)的連接中該口保持開路。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)及接口

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、粉塵采集模塊、按鍵電路、OLED顯示模塊、聲光報(bào)警電路構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該系統(tǒng)的工作過程為：環(huán)境空氣進(jìn)入粉塵濃度傳感器模塊，該模塊將采集到的粉塵濃度以低電平脈沖輸出，單片機(jī)系統(tǒng)采集到粉塵濃度傳感器模塊的信號(hào)，經(jīng)過處理計(jì)算得到PM2.5和PM10的濃度值，與預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，同時(shí)控制OLED顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)信息顯示，并判斷是否啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)。

該粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)所選用的元件主要包括：SM-PWM-01A型粉塵傳感器、STC89S52RC型單片機(jī)、OLED顯示模塊、三輸入與門CD4073BE以及一些阻容元件。應(yīng)用Protel軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)電路原理圖，如圖4所示。其中J0為電源接口，J1為OLED顯示模塊接口，J2為SM-PWM-01A型粉塵傳感器接口，U1A為三輸入與門CD4073BE模塊中的一個(gè)三輸入與門A。

STC89S52RC型單片機(jī)作為硬件系統(tǒng)的控制部分。在單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)中，P0口與粉塵傳感器輸出口相連，作為信號(hào)輸入口。其中P0.0接粉塵傳感器接口2，獲取Output(P2)的數(shù)據(jù)；P0.1接粉塵傳感器接口4，獲取Output(P1)的數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)中使用的OLED顯示模塊顯示區(qū)對(duì)角線長(zhǎng)為1.3英寸，像素點(diǎn)陣為128×64，且每一個(gè)像素點(diǎn)均可以獨(dú)立發(fā)光。該顯示模塊使用3～5 V直流電源供電，具有較低的功耗，在全屏點(diǎn)亮?xí)r只有0.08 W，而在正常顯示漢字時(shí)僅為0.06 W。其共有5個(gè)引腳。通信方式為三線SPI通信模式，分別為時(shí)鐘線CLK、數(shù)據(jù)輸入線MOSI和片選線CS。其余兩個(gè)引腳為復(fù)位控制線RES以及數(shù)據(jù)/命令選擇線DC。當(dāng)RES為0時(shí)顯示模塊復(fù)位，當(dāng)RES為1時(shí)顯示模塊正常工作。DC為0表示寫入命令，DC為1表示寫入數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)一共有5個(gè)按鍵，其功能分別是改變倍數(shù)u、增大閾值、減小閾值、在閾值模式和計(jì)算模式之間轉(zhuǎn)換以及復(fù)位單片機(jī)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 特性數(shù)據(jù)與算法

SM-PWM-01A型粉塵傳感器的輸出接口Output(P1)、Output(P2)均為PWM脈寬調(diào)制輸出，其輸出波形可視為：當(dāng)檢測(cè)區(qū)內(nèi)有粉塵時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)檢測(cè)區(qū)內(nèi)空氣潔凈時(shí)，輸出為高電平。該傳感器工作時(shí)，檢測(cè)一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)低脈沖時(shí)間占總時(shí)間的百分比，低脈沖時(shí)間比C%可由總時(shí)間T以及低脈沖時(shí)間ti經(jīng)公式(1)計(jì)算得出。

(1)

再根據(jù)檢測(cè)出的低脈沖時(shí)間所占總時(shí)間的比例與粉塵濃度的關(guān)系即可計(jì)算出實(shí)時(shí)的粉塵濃度值。低脈沖時(shí)間所占比例與粉塵濃度的關(guān)系如圖5所示。其中A曲線為較高輸出曲線，C曲線為較低輸出曲線，B曲線為平均輸出曲線。

圖5 低脈沖所占比例與粉塵濃度關(guān)系

從圖5中可以看出在粉塵濃度較低的范圍內(nèi)(200 μg/m3以下)，該粉塵濃度傳感器輸出的低脈沖時(shí)間占比與粉塵濃度的關(guān)系接近于線性關(guān)系。將圖5中平均輸出曲線(B曲線)粉塵濃度大于200 μg/m3的部分輸入至Origin函數(shù)繪圖軟件中進(jìn)行擬合，得出平均輸出曲線在粉塵濃度處于200～1 000 μg/m3范圍的解析式：

D=246 610.319 85×C%4-104 151.063 3×C%3+16 627.962 84×C%2+1 153.376 88×C%-2.127 29

(2)

3.2 程序設(shè)計(jì)

圖6 主程序流程圖

該軟件系統(tǒng)采用C++語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，由主程序、中斷程序、計(jì)算程序、閾值設(shè)置程序 、顯示程序、報(bào)警程序六部分組成。主程序流程如圖6所示。標(biāo)志位z是程序進(jìn)入計(jì)算模式和閾值設(shè)置模式的標(biāo)志，即當(dāng)z=1時(shí)，進(jìn)入閾值設(shè)置模式；當(dāng)z=0時(shí)，進(jìn)入計(jì)算模式。標(biāo)志位z會(huì)先被設(shè)置為1，即程序默認(rèn)先進(jìn)入閾值設(shè)置模式。軟件系統(tǒng)中斷程序包含兩個(gè)函數(shù)，分別是外部中斷0函數(shù)和外部中斷1函數(shù)。這兩個(gè)函數(shù)均為當(dāng)中斷觸發(fā)時(shí)被調(diào)用，中斷程序工作流程如圖7所示。

圖7 中斷程序流程圖

3.3 檢測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)工作的可靠性，應(yīng)用該檢測(cè)系統(tǒng)于2017年3月22日上午對(duì)天津市河北工業(yè)大學(xué)北辰校區(qū)的普通實(shí)驗(yàn)室、潔凈室和室外空氣進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在OLED顯示模塊，無論室內(nèi)還是室外陽光下，讀數(shù)均清晰可見，當(dāng)測(cè)量值超過設(shè)置的閾值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。表1數(shù)據(jù)是測(cè)量100次的平均值。

表1 檢測(cè)結(jié)果 (μg/m3)

4 結(jié)論

本文介紹了一種帶OLED顯示，用SM-PWM-01A型粉塵傳感器采集空氣中粉塵濃度信號(hào)，基于STC89S52RC單片機(jī)系統(tǒng)的粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)測(cè)，本系統(tǒng)工作可靠，適于空氣凈化器、空調(diào)等家用電器，以及室內(nèi)外便攜式應(yīng)用。

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Design and realization of a dust concentration detection system with OLED display

Li Zhiguang1,2,Shang You1

(1. School of Sciences,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

In order to quickly and accurately measure the concentration of dust in the air,a dust concentration detection system was designed based on STC89S52RC MCU. The system uses a light scattering type dust sensor to collect signals,a 1.3-inch OLED module to display information,and C++ to design software. The real-time detection and display of PM2.5 and PM10 were realized. In addition,a sound and light alarm system was designed. If the detection values exceed the set threshold,a system alarm will be triggered. The system debugging result indicates that the measurement is accurate,stable and reliable.

dust concentration; light scattering; OLED; MCU

國(guó)家自然科學(xué)基金(11504080，51675159)

TP277；X851

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.027

李志廣，尚優(yōu).一種帶OLED顯示的粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(24)：95-97，101.

2017-05-22)

李志廣(1978-)，通信作者，男，副教授，主要研究方向：液晶器件、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：zhglee@hebut.edu.cn。

尚優(yōu)(1994-)，男，本科生，主要研究方向：液晶器件、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。