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        簡易粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)設計

        2018-07-04 06:34:50淮南師范學院電子工程學院王留留沈曉波
        電子世界 2018年12期
        關鍵詞:排風扇蜂鳴器粉塵

        淮南師范學院電子工程學院 王留留 沈曉波

        1.緒論

        由于環(huán)境的變化、氣候的異常,空氣污染問題也隨之而來,空氣中的PM2.5粒徑小,面積大,活性強,易附帶有毒、有害物質,對人體健康和大氣環(huán)境質量的影響很大。設計出來一款小巧的室內粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng),對室內空氣粉塵濃度進行實時測量,能夠幫助人們了解周圍環(huán)境的具體狀況,并及時進行報警提醒,從而讓人們擁有一個安全健康的居住環(huán)境[1]。

        2.系統(tǒng)硬件構成

        本次計采用AT89S52單片機作為主控芯片,GP2Y1010AU0F作為粉塵傳感器,利用ADC0832模數(shù)轉換器模塊、LCD1602液晶顯示器模塊、蜂鳴器報警模塊和按鍵模塊等實現(xiàn)對粉塵濃度的監(jiān)測。[2]GP2Y1010AU 粉塵傳感器先采集粉塵的濃度,AT89S52單片機實時通過 ADC0832轉換芯片收集粉塵的濃度,經過單片機的數(shù)據(jù)轉換分析處理后會在液晶屏上顯示當前空氣中PM2.5的濃度,當測得的空間中的粉塵濃度大于預設的粉塵濃度值時,蜂鳴器將會發(fā)出聲音報警,小燈也會隨之閃爍進行報警。粉塵的濃度報警值可以通過按鍵進行設置。

        本設計還附加了溫濕度傳感模塊,用來顯示當前環(huán)境下的溫度和濕度,使室內的空氣質量更加一目了然。另外,還增設了排風扇系統(tǒng),當空間中粉塵濃度過高時,使空間的粉塵濃度降低,加強空氣交換的流量,使得所測量的粉塵濃度值更加準確。

        系統(tǒng)框圖如圖1所示。

        圖1 簡易粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)框圖

        2.1 主控模塊

        設計采用AT89S52作為主控芯片,是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造,與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。[3]

        2.2 傳感檢測模塊

        本次設計采用粉塵傳感器對粉塵的濃度進行檢測,GP2Yl010AUOF日本夏普公司生產的一款光學空氣質量傳感器。它被設計用來感應空氣中的塵埃粒子,其內部對角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管,使得其能夠探測到空氣中塵埃反射光,即使非常細小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到。[4]

        GP2Yl010AUOF粉塵傳感器的性能特點:靈敏度高,體積小,重量輕,便于信號處理內藏氣流發(fā)生器,可以自行吸引外部大氣保養(yǎng)簡單,輸出電壓為0.9V 。無塵時,從輸出電壓的變化量來做判定。另外,可以根據(jù)輸出電平時間上的變化來對檢出對象物的種別進行判別。

        2.3 顯示模塊

        顯示模塊采用1602字符型LCD液晶顯示模塊,是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD,本設計采用16列2行的字符型LCD1602帶背光的液晶顯示屏。具有顯示質量高、數(shù)字式接口、體積小、重量輕、功耗低等特點。

        2.4 報警模塊

        報警模塊主要采取兩種方式,閃光報警和聲音報警,分別由發(fā)光二極管和蜂鳴器實現(xiàn)。蜂鳴器的正極接到三極管的集電極上面,蜂鳴器的負極接到GND上,三極管的基級B經過限流電阻后由單片機的引腳控制,當輸出高電平時,三極管截止,沒有電流流過線圈,蜂鳴器不發(fā)聲,發(fā)光二極管不發(fā)光;當引腳輸出低電平時,三極管導通,這樣蜂鳴器的電流形成回路,聲光報警停止工作。因此,我們可以通過程序控制單片機引腳的電平來控制報警的啟動與關閉。

        蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器,蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型,本次設計主要使用電磁式蜂鳴器,接通電源后,振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈,使電磁線圈產生磁場,振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下,周期性地振動發(fā)聲。

        2.5 排風扇模塊

        執(zhí)行模塊采用排風扇[5],及時進行通風換氣,來實現(xiàn)降塵的功能。空氣中的粉塵濃度被采集后處理后,將處理后的信號傳遞給單片機,單片機根據(jù)現(xiàn)場粉塵數(shù)據(jù)產生處理指令,傳遞給電機驅動模塊產生驅動指令驅動排風扇運轉,及時降低的粉塵濃度。

        3.系統(tǒng)軟件設計

        啟動后根據(jù)首選判斷是否用按鍵設置粉塵濃度報警值,然后將讀取的傳感器數(shù)值進行換算,最后判斷濃度是否超出預設值,驅動蜂鳴器報警或者執(zhí)行下一循環(huán)。

        程序能夠顯示PM2.5的濃度值,報警函數(shù),實現(xiàn)了基本的監(jiān)視和測量功能,按鍵函數(shù)設置報警溫度值,最后利用循環(huán)語句,使檢測系統(tǒng)可以不斷執(zhí)行下去。

        4.實物測試與分析

        在室內環(huán)境下,點燃一支煙,讓監(jiān)測系統(tǒng)置于煙霧下,打開實物開關進行檢測,幾秒后,仔細觀察顯示屏,看顯示屏上的粉塵濃度值是否能夠正常顯示,按鍵設置一個粉塵濃度報警值,觀察粉塵濃度到達該值時,系統(tǒng)會不會發(fā)出聲光報警,同時判斷按鍵是否能正常使用。其次對排風扇進行檢測,當粉塵濃度達到報警值時,檢驗排風扇是否能夠正常啟動。經測試,本次設計的各個模塊都能正常工作,功能基本完善,達到了預期要求。實物系統(tǒng)如圖2。

        圖2 系統(tǒng)測試

        圖3 24小時內粉塵濃度測試數(shù)據(jù)

        將系統(tǒng)置于空氣中,從早上五點到次日凌晨四點,每隔一個小時打開系統(tǒng)測量一次粉塵的濃度值,記錄一天24小時內的粉塵濃度變化情況,繪制出粉塵濃度隨著時間變化的折線圖,以時間為橫軸,粉塵濃度為縱軸,如上圖3。從折線圖中可以清楚的看出粉塵濃度在一天的時間內的變化情況,該測量系統(tǒng)能夠清晰的測量出某一時刻的粉塵濃度值,該系統(tǒng)的檢測功能基本實現(xiàn)。

        5.總結

        隨著工業(yè)化社會的快速發(fā)展,粉塵污染逐年增多,其中PM2.5粉塵污染尤為嚴重,深入到各種室內環(huán)境,影響生活健康,為此設計了一款新型粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng),實時探測保障生活安全。該系統(tǒng)由AT89S52主控單元、檢測模塊、模數(shù)轉換模塊、顯示模塊、執(zhí)行模塊組成,通過GP2Y1010AU粉塵傳感器采集室內粉塵的濃度,經A/D轉換傳輸給單片機,單片機處理后在液晶屏上顯示粉塵濃度值,通過按鍵設置粉塵濃度報警閾值,大于預設閾值,蜂鳴器報警,排風扇降塵。經測試系統(tǒng)穩(wěn)定,能夠滿足實際監(jiān)測要求。該設計結合不同情形下的粉塵濃度變化情況[6],可以改善空氣污染問題。

        [1]謝心慶,鄭薇.國內外pm2.5研究進展綜述[J].電力科學與環(huán)保,2015,31(4):17-20.

        [2]黎世靜等.粉塵濃度傳感器在糧食系統(tǒng)中的應用[J].電子世界,2017(4):129.

        [3]武慶生,仇梅.單片機原理與應用[M].成都:電子科技大學出版社,1998.

        [4]GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器[OL].http://www.docin.com/p-855407734.html.

        [5]魏鑫.基于單片機的智能排風扇系統(tǒng)設計[J].探索與觀察,2016(3):79-82.

        [6]盧鵬,何杰.PM2.5的時間分布與演變擴散研究[J].西南民族大學報,2014(40):66-71.

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