基于单片机的室内粉尘与异味检测系统设计*

朱颖

（广东工业大学华立学院）

基于单片机的室内粉尘与异味检测系统设计*

朱颖

（广东工业大学华立学院）

为满足对室内空气质量的实时监测，保护人体健康，设计一种基于单片机控制的室内空气质量检测系统。该系统以 STM8S903K3单片机为核心，利用粉尘与异味传感器检测室内粉尘与异味的浓度，当浓度超标时发出警报；具有低功耗、小型化、高精度、灵活性强等特点，可用于不同环境下对空气质量进行实时监测，是一种便捷实用的室内空气质量检测工具。

单片机；传感器；空气质量检测

0 引言

据调查显示，人在室内度过的时间超过80%，故室内空气质量的好坏对人体健康有着直接影响[1]。流行病学研究表明，人群发病率和死亡率与大气颗粒物浓度，特别是室内颗粒物浓度有非常大的关系[2-4]。粉尘和异味作为室内污染的主要污染物，其检测技术备受重视。基于此本文设计一种基于单片机的室内空气质量检测系统，以便及时检查室内粉尘和异味，避免人吸入过多污染物，影响健康。随着生活质量的提高，人们对交通、娱乐、健身等公共场所环境监测也有了更高的要求，本文设计的检测系统能很好地解决这一难题。

1 系统总体设计

基于单片机的室内粉尘与异味检测系统主要包括2部分：硬件电路部分和软件部分。硬件电路通过GP2Y1010AU粉尘传感器与TGS2600异味传感器采集室内空气中粉尘和异味的浓度，产生特定的模拟信号并输出给单片机STM8S903K3；该信号由单片机及其外围电路进行处理；用LCD显示粉尘和异味浓度；当粉尘或异味浓度超过设定阈值，报警系统将发出警报；可通过按键电路设置系统参数。软件部分采用模块程序，各子程序都具有相对独立的功能，易于扩展。

系统硬件电路主要包括：主芯片（STM8S903K3）及其外围电路、粉尘传感器电路、异味传感器电路、LCD液晶显示电路和报警电路，其框图如图1所示。

图1 系统硬件设计框图

2 系统硬件设计

2.1 主芯片及外围电路

STM8S903K3是意法半导体公司推出的基于STM8内核的8位高性能微控制器。具有多达8 kB Flash、1 kB RAM、640 B数据EEPROM、10位ADC、2个定时器、UART、SPI和I2C接口[5]。其性能强大，内部资源丰富，方便系统设计与降低系统成本。

报警电路：粉尘、异味超标时报警提醒用户采取相关措施。

按键电路：关机状态下长按按键S1五秒开机；在开机状态下长按按键S1五秒关机；短按按键S1可以进入功能设置，与按键S2配合使用，可对粉尘、异味超标报警的阈值进行设置，其电路图如图2所示。

2.2 粉尘传感器电路

家用粉尘检测系统要求粉尘传感器具有易于保养、使用寿命长、稳定性好、精度高等特点。根据室内粉尘的特性，本系统选用GP2Y1010AU粉尘传感器，该传感器可测量0.8μm以上的微小粒子，是空气净化器产品中首选的粉尘传感器。

图2 主芯片外围电路

根据GP2Y1010AU粉尘传感器工作原理[6]，其应用电路模块设计如图3所示。GP2Y1010AU通过LED驱动接收CPU的PD4引脚发出的粉尘检测指令控制信号，开始对粉尘进行检测；再以占空比的形式将检测到的信号反馈给CPU的PD3引脚；CPU根据PD3输出信号占空比，将输出信号转换成粉尘浓度并通过LCD显示。

为提高粉尘检测精度，PCB设计时高频滤波电容C1和R3的位置应尽可能靠近CPU引脚，避免干扰信号加载到板间连线或长距离PCB印制线中，导致采样不精准。电解电容C2要尽可能靠近粉尘传感器的V_LED引脚，并要保证其可靠接地，避免粉尘传感器的LED电源因受干扰而工作不稳定。

图3 粉尘传感器应用电路

2.3 异味传感器电路

根据家庭中常见异味种类（香烟、烹饪油烟），本系统选择的异味传感器为TGS2600，其具有对香烟和烹调臭味灵敏度高、寿命长、成本低、设计电路简单等特性，是空气净化器产品和室内空气监视器常用的传感器[7]。其电路模块如图4所示。

图4 异味传感器应用电路

此传感器需要施加2个电压：加热器电压（VH）和回路电压（VC）。VH施加在集成的加热器上，用于维持敏感器件处于与检测气体相适应的特定温度。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（R1）上的两端电压（VOUT）。将检测到的异味电信号传输到CPU，CPU将其转换为异味气体浓度并通过LCD显示。

为提高检测精度，高频滤波电容C1的位置应尽可能靠近CPU引脚PB2，避免干扰信号加载到长距离PCB印制线中导致信号采样不精准。由于气体传感器本身是发热元器件，在PCB设计中应考虑与温度敏感的元器件保持适当的距离。

2.4 LCD驱动电路

HT1621D是内存映象和多功能的LCD驱动器，HT1621D的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合，包括LCD模块和显示子系统[8]，其电路模块如图5所示。

图5 LCD驱动电路

3 系统软件设计

系统采用 C语言编程实现，程序采用模块化设计，方便扩展。程序主要分为数据采集处理、显示、按键扫描、报警几个模块。

3.1 主程序流程图

系统启动后进行初始化，循环调用数据采集处理、显示、按键扫描、报警几个模块程序，完成空气质量检测工作。在工作中，CPU实时监控着按键动作，并对粉尘、异味传感器数据实时处理，判断粉尘/异味浓度是否超标。如果粉尘/异味浓度超标则报警，并通过LCD显示粉尘/异味浓度，进入下一个循环；如果粉尘/异味浓度不超标则通过 LCD显示粉尘/异味浓度直接进入下一个循环。主流程图如图6所示。

图6 主程序流程图

3.2 空气质量监测流程图

工作状态下，粉尘、异味传感器实时采样，产生特定的信号输出到CPU，信号在CPU内部经过A/D转换，转换为对应的粉尘与异味浓度。为了减小误差，采用累计5 s取平均值。判断浓度是否大于设定的阈值：如果大于设定阈值，蜂鸣器报警并显示粉尘/异味浓度；如果小于设定阈值，显示粉尘/异味浓度，若有报警并取消蜂鸣器报警。其流程图如图7所示。

图7 空气质量监测流程图

4 实验

实验利用香烟产生烟尘和异味，利用实验室设备（TSI8533粉尘测试仪、XP-329 IIIR异味检测仪）和本文设计系统同时采样，得到实验对比数据如表1所示。

表1 实验数据对比

5 结语

本系统能实时监测室内粉尘与异味的浓度，并完成数据的采集、分析、存储、显示及报警等工作；通过单片机及其外围电路能很好实现人机交互操作；软件设计简单易懂；其扩展性强，可加入温湿度、二氧化碳等传感器进行更全面的空气质量检测；并可与空气净化系统进行结合实现环境智能净化系统。整个系统具有低功耗、小型化、高精度、灵活性强等特点，可用于不同环境下对空气质量进行实时监测，有很好的实用价值。

[1] 韩继红,李景广,王琪.建筑室内污染源检测技术和设备开发[J].建设科技,2011(23):39-41.

[2] 张伟.室内空气污染危害及防治对策[J].环境研究与监测,2013,26(2):43-45.

[3] 王琨,李文朴,欧阳红,等.室内空气污染及其控制措施的比较研究[J].哈尔滨工业大学学报,2004,36(4):493-496.

[4] 李慧,邵龙义,孙珍全,等.公共场所室内可吸入颗粒物的污染特征[J].环境与可持续发展,2007(2):53-55.

[5] 王雷.基于 STM8S903K3的电动自行车控制器设计与实现[D].南京:南京理工大学,2014.

[6] 郑德忠,赵乐平.红外吸收粉尘传感器的设计[J].激光与红外,2012,42(9):1007-1010.

[7] 张兢,路彦,赵家斌.空气传感器TGS2600在空气质量监测中的应用[J].微计算机信息, 2006,22 (3):201-203.

[8] 汪川,樊泽明.基于单片机的 HT1621液晶显示系统设计[J].现代电子技术,2010(23):165-167.

Design of Indoor Dust and Odor Detecting System Based on MCU

Zhu Ying
(Huali College, Guangdong University of Technology)

In order to satisfy the real-time monitoring of indoor air quality and protect the personal health, this paper designs an indoor air quality detection system based on single-chip microcomputer with STM8S903K3.The concentration of dust and odor is detected by the sensors. If threshold exceeding the setting space it will set on the alarm. This system supplies a convenient and practical method for indoor air quality testing, which has low power consumption, small structure, high precision and flexibility. Generally, it is practically useful in real-time monitoring air quality under different circumstances.

Microcontroller; Sensor; Air Quality Detection

朱颖，女，1986年生，硕士，研究方向：检测技术与自动化装置。E-mail: zhuyinglz@163.com

2013省质量工程高等学校“专业综合改革试点”项目—电气工程及其自动化的研究成果