雾霾监测系统的研究*

2016-02-04西安培华学院陕西西安710125

山西青年 2016年6期

关键词：粉尘空气质量单片机

西安培华学院，陕西　西安　710125

雾霾监测系统的研究*

西安培华学院，陕西西安710125

摘要：本文阐述用单片机、粉尘传感器和液晶显示器构成的雾霾监测系统，对雾霾检测结果进行分类整理，将分析整理数据通过显示模块显示，语音播报空气污染等级，给出出行建议，降低雾霾天气对人们健康的影响。

关键词：雾霾；PM2.5；单片机；粉尘传感器

随着社会进步，各种造成雾霾天气的因素相继出现。雾霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物组成，它们与雾气结合在一起，使能见度降低，空气质量恶化，严重影响人们生活和健康。PM2.5就是检测雾霾浓度的主要指标，就是直径小于等于2.5微米的污染物颗粒。习近平在北京考察时指出改善空气质量的首要任务是控制PM2.5。

一、系统研究的意义

根据世界卫生组织相关报告可知，全球大多数城市和农村局遭受雾霾影响，影响这些区域的死亡率。高污染城市中的死亡率超出相对清洁城市15%至20%。气象专家和医学专家认为，雾霾天气对人体健康危害要比沙尘暴更大。PM2.5中的组成包括数百种大气化学颗粒物质，这些固体小颗粒能直接进入并粘附在人体呼吸道和肺泡中。同时，会阻碍正常的血液循环，导致心血管病、高血压、冠心病、脑溢血，可能诱发心绞痛、心肌梗塞、心力衰竭等。雾霾天气还可导致近地层紫外线的减弱，使得儿童紫外线照射不足，体内维生素D生成不足，影响人体对钙的吸收，严重的会引起佝偻病。持续大雾天对会给人造成沉闷、压抑的感受，会刺激或者加剧心理抑郁的状态。因此，对PM2.5的监测与治理便显得越来越重要。

二、主要内容和系统方案

本统主要是检测空气中PM2.5的值，它由单片机、粉尘传感器、显示电路、报警电路等模块组成，其基本的实现方法是粉尘传感器从空气中检测有害悬浮颗粒的数据，经过STC12C5A60S2单片机控制中心进行参数比较和分析处理后，将相关的信息参数在LCD1602液晶显示屏实时显示，并将空气质量等级分为3级，系统在实时监测PM2.5浓度的同时，根据当前检测浓度等级亮起相应的灯，当空气中的PM2.5浓度超限时，蜂鸣器、LED声光报警，并将以上数据信息通过网络平台发布到校园网和学生手机上。

(一)系统程序流程与方案结构

本系统基本框架主要通过5个模块的电路设计实现功能，他们分别是主控单元、LCD显示模块、粉尘传感器、报警电路、污染等级显示电路。

1.系统总体方案

本系统可以检测空气质量的好坏，采用USB供电，通电后实时显示测量的PM2.5值，LCD1602上显示当前空气质量的等级(共3等级)，当空气中PM2.5浓度超限时，蜂鸣器、LED出现声光报警。

本设计是应用单片机，固体悬浮颗粒检测传感器和液晶显示器设计一种单片机固体悬浮颗粒检测仪，固体悬浮颗粒传感器从空气中检测有害悬浮颗粒的数据，经过设定的参数进行比较和分析处理后，相关信息参数在LCD液晶显示屏实时显示，当达到限制值时，给出报警信号，并向上层管理系统提供数据。控制器的组成是固体悬浮颗粒检测传感器，单片机控制单元主要采用8位的单片机STC12C5A系列，采用C语言进行检测控制的软件程序编写。

2.主控单元STC12C5A60S2

本系统是以12C5A60S2单片机为控制核心，另外通过6个模块的电路设计实现功能，他们分别是LCD显示模块、粉尘传感器、A/D转换、报警电路、污染等级显示电路。单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作系统。可分为四个部分：(1)晶振：大小由单片机时钟周期要求而决定，用于计时，与两个电容并联使用，电容大小由晶振决定，用22pF；(2)复位电路：用于复位；(3)电源：用于供电，用电脑的USB口供电；(4)烧制程序的口：只用串口输入。

3.LCD1602液晶显示屏

LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。本系统采用LCD1602字符型显示，这是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，比起字段性显示字符液晶屏，具有显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、控制简单、成本低等优点，而且不需要外加驱动电路的特点，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。LCD1602可以显示2行16个汉字。

4.粉尘传感器

本系统采用日本生产的Sharp's GP2Y1010AU0F 是一款光学空气质量传感器，体积小，灵敏度高，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，而且内置气流发生器装置，可以自行吸入外部空气，通过吸入空气使得其能够探测到空气中尘埃反射光，检测出空气中粉尘浓度。该传感器具有非常低的电流消耗(最大20mA，典型值11mA)，可使用高达7V(DC)，该传感器输出为模拟电压，值为0.9V，其值与粉尘浓度成正比。用来测量0.8微米以上微笑粒子，可用来检测烟草产生烟气和花粉，房屋粉尘等的浓度。

5.污染等级显示和报警电路模块

该设计将空气质量的等级分为3级，在实时监测浓度同时根据当前检测浓度亮起相应的灯，空气质量良好，蓝色LED亮，空气质量中度污染，黄色LED亮，当空气中的PM2.5浓度超限时，表示空气质量严重污染，红色LED亮，蜂鸣器报警LED声光报警。

三、软件设计

(一)C语言简介

本系统采用C语言编程，主要使用if、while等判断语句，当空气中出现不同浓度的粉尘时，粉尘传感器模块发出信号，主控单元解码后响应相应功能，绿灯亮起，空气质量良好，红灯亮起，空气质量较差，绿灯红灯同时亮起，空气质量严重污染。

(二)软件介绍

Protel DXP运行在优化设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供全面设计解决方案。

[参考文献]

[1]胡汉才.单片机原理与接口技术[J].北京：机械工业出版社，2010.

[2]彭军.传感器与监测技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013.

中图分类号：X84

文献标识码：A