張恒奕

（鄭州中學(xué)，河南鄭州，450001）

0 緒論

自改革開放以來，我們國家的科技、教育以及工業(yè)等諸多領(lǐng)域都得到了很高速的發(fā)展，但是在另一方面，工業(yè)的快速發(fā)展也給環(huán)境帶來了很大的負(fù)擔(dān)。對于一些地區(qū)，已經(jīng)造成了水資源匱乏、污染以及土壤污染等嚴(yán)重情況，并且大氣污染也非常嚴(yán)重，有害物質(zhì)超標(biāo)，甚至有的地方會天降酸雨，對植物、建筑等造成了很嚴(yán)重的影響。雖然我們國家的工業(yè)仍然需要大力發(fā)展，但是利用資源環(huán)境作為代價(jià)就顯得非常不可取，中國不能走先發(fā)展、后治理這樣的歪路。并且環(huán)境直接關(guān)系到人們的身體健康安全，近年來我們國家的癌癥發(fā)病率正在逐年上升，并且癌癥已經(jīng)開始顯現(xiàn)出年輕化的趨勢，這不得不說與環(huán)境的惡化有著諸多的關(guān)系。

目前我們國家一直都在號召要建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會，要走可持續(xù)發(fā)展之路，已經(jīng)開始對很多的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行整頓，但是由于我們國家的工業(yè)企業(yè)基數(shù)大，牽扯到的人員多，管理難度大，因此效果并不完全理想。但是也不能因此就減弱整治的力度。在各項(xiàng)污染指標(biāo)中，大氣污染是最為關(guān)鍵的一項(xiàng)，各種工業(yè)廢氣、有毒氣體威脅著大多數(shù)人的健康安全。PM2.5是檢測空氣質(zhì)量的最新標(biāo)準(zhǔn)，其中當(dāng)PM2.5在0～35μg/m3時(shí)，空氣為優(yōu)。當(dāng)PM2.5為35～75μg/m3時(shí)，空氣為良。而我們國家很多地區(qū)的空氣質(zhì)量為嚴(yán)重污染。雖然人們能夠了解到國家每天發(fā)布的每個(gè)地區(qū)的空氣質(zhì)量，但空氣質(zhì)量在不同范圍內(nèi)是不一樣的，因此對于身邊的空氣質(zhì)量檢測是非常必要的。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景之下產(chǎn)生的，本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)一款便攜式的PM2.5測量儀器，實(shí)時(shí)的檢測身邊的空氣質(zhì)量情況，并且能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行報(bào)警。本設(shè)計(jì)要解決的問題主要有以下幾個(gè)方面：

（1）空氣質(zhì)量的檢測問題；

（2）空氣質(zhì)量的顯示問題；

（3）報(bào)警問題。

1 總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的目的是能夠隨時(shí)隨地方便的檢測空氣質(zhì)量，并且在空氣質(zhì)量低于設(shè)定值時(shí)及時(shí)的發(fā)出警報(bào)。這些工作都需要系統(tǒng)自動完成。對于自動控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在應(yīng)用的比較多的就是單片機(jī)控制以及PLC控制的方法。PLC多用于工業(yè)控制領(lǐng)域中一些對體積功耗等要求不高的一些場所。但是本設(shè)計(jì)要求隨時(shí)隨地的進(jìn)行檢測，所以本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制的方法。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)作為主控系統(tǒng)，接收來自檢測模塊的信息。對于空氣質(zhì)量的檢測，本設(shè)計(jì)采用PM2.5傳感器。對于空氣質(zhì)量信息的顯示，本設(shè)計(jì)采用的是液晶顯示器，其接收單片機(jī)發(fā)送的指令并進(jìn)行顯示。對于報(bào)警系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的型號為STC89C51，液晶顯示器的型號為LED1602，傳感器采用的為PM2.5傳感器，則本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)流程圖入圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)：單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的核心，負(fù)責(zé)的是接收檢測系統(tǒng)傳遞過來的信息，并且發(fā)送命令給執(zhí)行系統(tǒng)的作用。單片機(jī)發(fā)明自二十世紀(jì)七十年代，自發(fā)明之日起，就作為了各項(xiàng)系統(tǒng)的控制核心，并且其功能一直都在被完善?，F(xiàn)如今的單片機(jī)相對于發(fā)明之初，性能在各方面都得到了極大的提升，已經(jīng)不可與之前同日而語了?，F(xiàn)在的單片機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、儀器儀表以及各種智能設(shè)備上面，一直都是作為中樞神經(jīng)的存在，發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。

圖2 系統(tǒng)流程圖

PM2.5傳感器：本設(shè)計(jì)采用PM2.5傳感器作為空氣質(zhì)量信息檢測的裝置，用于檢測周圍空氣中的粉塵濃度。粉塵可進(jìn)入人體的肺部、血液等，會對人體健康造成非常大的危害。PM2.5傳感器利用的原理是光的散射原理，在PM2.5傳感器的內(nèi)部，安裝有紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，他們對角安裝，光軸相交，當(dāng)帶灰塵的氣流通過光軸相交的交叉區(qū)域，粉塵對紅外光反射，反射的光強(qiáng)與灰塵濃度成正比。當(dāng)單色光照射到被測顆粒場時(shí)，會被散射以及吸收，光強(qiáng)會減弱。光電晶體管能夠探測空氣中的塵埃反射光，輸出信號，根據(jù)輸出信號光強(qiáng)的大小判斷粉塵的濃度。

液晶顯示器：液晶顯示器負(fù)責(zé)接收單片機(jī)的指令，顯示相應(yīng)的信息。液晶介于固體與液體之間，其分子排列與固體晶體一樣非常規(guī)則，但是在常態(tài)下卻成液態(tài)。假若給液晶施加一個(gè)電場，它的分子排列就會改變，再配合偏振光片，就能阻止光線通過產(chǎn)生圖案。本設(shè)計(jì)采用的液晶顯示器的型號為LED1602，該種顯示器可以顯示兩排信息，并且其可以顯示字母、數(shù)字、符號，雖然不能顯示漢字，由于本設(shè)計(jì)只需要顯示PM2.5的信息，所以對于本設(shè)計(jì)來說LED1602已經(jīng)完全夠用了。

蜂鳴器：蜂鳴器在本設(shè)計(jì)中的作用就是接到命令之后發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)警。本設(shè)計(jì)采用的有源蜂鳴器模塊，其采用的三極管驅(qū)動模塊為S8550，工作電壓為5V，只需要對I/O輸入低電平，就能控制蜂鳴器發(fā)聲。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)制作的是一款方便的測量空氣質(zhì)量的裝置，要實(shí)現(xiàn)的目的是能夠隨時(shí)隨地方便的檢測空氣質(zhì)量，并且在空氣質(zhì)量低于設(shè)定值時(shí)及時(shí)的發(fā)出警報(bào)。具體的工作是PM2.5傳感器負(fù)責(zé)檢測空氣質(zhì)量，并將該信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送命令給液晶顯示器顯示信息，并且在必要的情況下命令蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

對于報(bào)警的功能的實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用的是利用蜂鳴器發(fā)聲進(jìn)行報(bào)警。本設(shè)計(jì)采用的是蜂鳴器模塊，供電之后，只需要對輸入端輸入低電平，就可以使蜂鳴器發(fā)聲。通過高低電平之間的轉(zhuǎn)換，就可以發(fā)出報(bào)警的聲音，并且改變高低電平之間的頻率，就能夠控制報(bào)警聲音的節(jié)奏。本設(shè)計(jì)中蜂鳴器的輸入端與單片機(jī)的P3^7端口相連接，故只需要當(dāng)空氣質(zhì)量污染嚴(yán)重時(shí)，利用程序命令P3^7輸出低電平就能很好的完成報(bào)警工作。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用檢測系統(tǒng)、主控系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)的相互配合，完成了預(yù)期目標(biāo)，對于空氣質(zhì)量的檢測非常的方便。并且現(xiàn)在的空氣質(zhì)量問題一直是困擾廣大民眾的難題，對空氣質(zhì)量的隨時(shí)隨地檢測，對于整個(gè)國家的空氣質(zhì)量治理也是非常具有積極意義的。同時(shí)也希望國家在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的時(shí)候，空氣質(zhì)量也能夠得到進(jìn)一步的優(yōu)化。