董 昭，張瑋瑋，王勝琰

（1.安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000；2.滑縣華潤燃?xì)庥邢薰?，河?滑縣 456400）

經(jīng)濟的迅速發(fā)展對環(huán)境產(chǎn)生了極大影響，尤其是大氣污染問題，已越來越成為人們關(guān)注的焦點。PM2.5為造成大氣污染的主要污染物，為了實時檢測、反饋PM2.5濃度數(shù)值，控制空氣污染，本文設(shè)計出一種PM2.5濃度檢測裝置。

1 設(shè)計思路

該裝置采用單片機技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合的方式，以STC89C52單片機為主控制器，以GP2Y1010AUOF塵埃傳感器監(jiān)測PM2.5，通過ADC0832A/D轉(zhuǎn)換器和LCD1602顯示屏處理并顯示監(jiān)測環(huán)境污染情況[1]。

單片機是將計算機系統(tǒng)集成在芯片上的設(shè)備，雖然它的體積小，但是它幾乎涵蓋了所有計算機的設(shè)備：時鐘、通訊、定時器、總線系統(tǒng)、內(nèi)存、CPU等。

GP2Yl010AUOF設(shè)計用來感應(yīng)空氣中的塵埃粒子,內(nèi)部配備了紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，使之能夠檢測空氣中灰塵的反射，即使是非常小的煙霧顆粒也可以檢測到，通常在空氣凈化系統(tǒng)中使用[2]。

工作原理：傳感器對PM2.5進(jìn)行監(jiān)測，ADC0832對傳感器監(jiān)測的信號進(jìn)行處理，按鍵電路對報警值進(jìn)行調(diào)整，顯示屏顯示監(jiān)測的值和設(shè)置的報警值，當(dāng)監(jiān)測的PM2.5值高于報警值時蜂鳴器報警，此時，SIM800L模塊會向手機發(fā)送報警短信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

各模塊功能如下：

（1）按鍵電路：對報警值進(jìn)行設(shè)定。

（2）顯示模塊：顯示報警值和監(jiān)測值。

（3）復(fù)位電路：完成系統(tǒng)的復(fù)位。

（4）報警電路：實現(xiàn)系統(tǒng)的報警。

（5）空氣質(zhì)量傳感器：對PM2.5進(jìn)行監(jiān)測。

（6）A/D轉(zhuǎn)換電路：將傳感器監(jiān)測的信號，處理后送到單片機。

（7）SIM800L模塊：發(fā)送報警信息。

2.控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計

通過軟件設(shè)計實現(xiàn)傳感器工作，接收傳感器的輸出信號，經(jīng)過主控制核心的計算，由液晶顯示屏顯示測量值，在程序上體現(xiàn)為：初始化之后，主控制核心通過傳送的模擬量，計算PM2.5數(shù)值。

系統(tǒng)開始工作后，進(jìn)行程序初始化，然后檢查按鍵是否按下。如果按鍵按下則通過別的按鍵來調(diào)整設(shè)定的報警值，報警值調(diào)整好后進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊。如果按鍵沒有按下，系統(tǒng)則直接進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊，然后AD轉(zhuǎn)換模塊通過傳感器傳來的信息開始計算空氣中PM2.5的數(shù)值，LCD液晶顯示模塊顯示PM2.5的數(shù)值，系統(tǒng)檢測數(shù)值是否超過報警值，如果超過設(shè)定的報警值該系統(tǒng)會啟動報警模塊，蜂鳴器報警。如果沒有超過報警值則返回到檢查按鍵是否按下狀態(tài)，系統(tǒng)繼續(xù)運行。本系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

在程序運行過程中，系統(tǒng)出現(xiàn)了一個必須由CPU立即處理的情況，此時CPU暫時中止程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而處理這個新的情況的過程就叫做中斷[1]。

在本設(shè)計中采用定時器中斷實現(xiàn)灰塵傳感器的驅(qū)動，新的中斷啟動都得賦予新的值。當(dāng)中斷程序開始執(zhí)行時，首先寄存器重新賦值，計數(shù)器加一，判斷是否到達(dá)0.28ms，到達(dá)0.28ms則驅(qū)動傳感器LED低電平，然后判斷是否到達(dá)10ms：如果到達(dá)10ms則計數(shù)器清0，結(jié)束中斷程序；如果沒有到達(dá)10ms則不對計數(shù)器操作直接結(jié)束中斷程序。沒有到達(dá)0.28ms則驅(qū)動傳感器LED高電平，緊接著判斷是否到達(dá)0.32ms：如果到達(dá)0.32ms則采樣標(biāo)志位置，結(jié)束中斷程序；如果沒有到達(dá)0.32ms，則不對采樣標(biāo)志位操作，直接跳過中斷程序。流程圖如圖3所示。

圖3 中斷程序流程圖

2.2 硬件電路的設(shè)計

硬件電路包括單片機最小系統(tǒng)電路、LCD顯示電路、信號采集電路、報警電路、供電電路、GSM手機電路、按鍵電路等。該裝置使用空氣質(zhì)量傳感器來進(jìn)行PM2.5的監(jiān)測，傳感器監(jiān)測到PM2.5的信號后，通過AD模塊傳輸?shù)絾纹瑱C中，單片機接收到ADC0832傳輸?shù)男盘柡螅?jīng)過計算，輸送給液晶電路，由液晶電路呈現(xiàn)PM2.5的數(shù)值，同時當(dāng)測定的PM2.5數(shù)值超過預(yù)設(shè)的報警值時，GSM手機電路模塊就會向綁定的手機發(fā)送短信報警。

1）單片機最小系統(tǒng)由單片機、復(fù)位電路、時鐘電路組成。主要是為了用最少的器件來實現(xiàn)單片機工作的功能[3]。最小系統(tǒng)電路如圖4所示。

2）信號采集電路

本設(shè)計使用空氣質(zhì)量傳感器來進(jìn)行PM2.5的監(jiān)測，傳感器監(jiān)測到PM2.5的信號后，通過AD模塊傳輸?shù)絾纹瑱C中。電路設(shè)計盡可能簡單明了，故本設(shè)計舍棄了許多無用的元器件，圖5為原理圖。

圖4 最小系統(tǒng)電路

圖5 信號采集電路

3）液晶顯示電路

單片機接收到ADC0832傳輸?shù)男盘柡?，?jīng)過計算，輸送給液晶電路，由液晶電路呈現(xiàn)PM2.5的數(shù)值。為了使液晶的亮度和顯示字符的清晰度達(dá)到最優(yōu)的程度，經(jīng)過多次測量計算，液晶電路的VO管腳與GND管腳之間要連接一個2K的電阻。電路圖如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路

4）報警電路

報警電路由發(fā)光二極管D1，蜂鳴器B1，2K電阻R1、R2、9012三極管Q1組成。通過三極管9012將單片機P14口與蜂鳴器正極連接，通過判斷單片機P14口輸出電平的高低來決定蜂鳴器是否報警，如果蜂鳴器報警，則發(fā)光二極管會閃爍，如果蜂鳴器不報警，則發(fā)光二極管不閃爍。電路圖如圖7所示。

圖7 報警電路

5）供電電路

本設(shè)計采用的供電電路由接口P1和電源開關(guān)SW1組成，SW1的2管腳與正極連接，1管腳與接口P1的1管腳連接，接口P1的2、3管腳與負(fù)極連接，該供電電路使用5V直流電壓供電，通過開關(guān)SW1來控制電路的通斷。電路圖如圖8所示。

圖8 供電電路

6）GSM手機電路

GSM手機電路采用SIM800L模塊，二極管D2，1000uF電容C6構(gòu)成，SIM800L模塊的RXD端口與單片機的TXD端口連接，TXD端口與單片機的RXD端口相連，SIM800L的1管腳通過一個二極管連接在正極上，4管腳與負(fù)極連接，正極與負(fù)極之間通過二極管和1000uF電容連接在一起。當(dāng)測定的PM2.5數(shù)值超過預(yù)設(shè)的報警值時，SIM800L模塊就會向綁定的手機發(fā)送短信報警；如果測定的值沒有超過預(yù)設(shè)的報警值，SIM800L模塊不工作。電路圖如圖9所示。

圖9 手機電路

7）按鍵電路

本設(shè)計通過按鍵與單片機P35、P36、P37連接來實現(xiàn)按鍵電路的功能，主要實現(xiàn)更改預(yù)設(shè)報警值的功能，按下選擇按鍵，當(dāng)光標(biāo)移動到預(yù)設(shè)報警值上時，剩下兩個按鍵分別控制報警值加一或減一的功能。電路圖如圖10所示。

圖10 按鍵電路

2.3 系統(tǒng)仿真

本文通過Multisim軟件對設(shè)計電路進(jìn)行了仿真。Multisim軟件是一個專門用于電子線路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作為Windows下運行的個人桌面電子設(shè)計工具，Multisim是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。Multisim軟件具備以下特點：直觀的圖形界面、豐富的元器件庫、豐富的測試儀器、完備的分析手段、強大的仿真能力。Multisim既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(RF)電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計要求。

仿真圖如圖11所示，仿真結(jié)果證明電路設(shè)計達(dá)到預(yù)期目的。

圖11 系統(tǒng)仿真圖

3 測試

本文使用PM2.5濃度檢測裝置對作者1所在城市空氣質(zhì)量進(jìn)行了實際檢測，裝置測試用模型如圖12所示，測試結(jié)果如圖13及表1所示。

圖12 裝置測試用模型

圖13 實測數(shù)值

表1 PM2.5裝置實測表 ug/m3

4 結(jié)論

本文是基于單片機的遠(yuǎn)程PM2.5濃度監(jiān)測裝置，實驗測試結(jié)果顯示，該裝置監(jiān)測精準(zhǔn)度較高、數(shù)據(jù)反饋及時，有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。