空气质量检测仪的设计与制作

2016-05-14吕佳鸣

科技资讯 2016年6期

吕佳鸣

摘要：本文以单片机为主控芯片，通过控制一些传感器，实现了对所测环境的温湿度、CO和PM2.5浓度的监测，而且当CO和PM2.5浓度超标时，可以实现报警和数据存储的功能。由于本系统采用了51单片机的升级芯片IAP15F2K61S2，速度更快，功耗更低，测量结果精确，偏差小。同时应用了ENC28J60模块，实现了网络传输功能，与飞速发展的网络时代相适应，具有巨大的应用价值和广泛的应用前景。

关键词： PM2.5浓度；CO浓度；温度；湿度；检测

中图分类号：X85 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2016）02（c）-0000-00

近几年，我国大部分地区出现了雾霾天气，有的地方雾霾非常严重，严重影响了我们的日常生活。尤其在北方的农村，人们为了取暖，大部分家庭还是用传统的煤炉，家中CO数值经常超标，因煤气中毒的事件时有发生。可是，市环境监测中心只在个别区域设有环境监测点，人们只能参考附近监测点的PM2.5的数据，来估测自己所处环境的情况，并且CO及温湿度的准确数据还需要不同的测量仪器来测量。人们迫切需要一款测量准确、价格低廉、便携方便的测量仪，使人们能随时随地监测自己所处环境的PM2.5、CO及温湿度等多项空气质量检测指标。

1.空气质量检测仪的调查与设计

1.1调查问卷及结果分析

新产品的推出需要有市场，同样我们的研究产品如果要投放市场，是否有销路呢？我们利用休息时间走访市场，随时也采访了一些群众。根据群众的反映，我们制定了调查问卷，调查人们对了解环境指标的需求状况。我们共发放调查问卷223份，收回的有效问卷205份。我们对收回的问卷进行了数据处理和结果分析，分析的结果如下：

（1）人们意识到环境的优劣与生活和健康息息相关。PM2.5、CO、温湿度的数值高低对生活的影响普遍认可。

（2）人们虽然意识到环境的重要性，但是不会主动去了解居住地PM2.5、CO、温湿度的具体数值。

（3）人们虽然意识到环境的重要性，但是苦于家中没有检测仪器，不能直接了解居住地的PM2.5、CO的数值，所以人们主要是通过新闻报道和天气预报来大致估测自己居住地的环境性能指标。

（4）人们意识到环境优劣对人们的健康有很大影响。人们也希望随时能检测居住地的PM2.5、CO、温湿度的数值，如果有这样的检测仪器，人们还是希望拥有的。

1.2网上调查产品

我们在网上调查该类产品的信息，发现该类产品的不足有：

（1）有些公司制作了能监测温湿度，CO和PM2.5浓度的检测仪，但一般用单片机STC89C52，检测速度较慢，功耗较高。测量不够精确。

（2）价格太高，且使用寿命短。

（3）产品使用220V交流电源，只要使用必须插入交流电，如果停电就无法使用。

1.3产品设想和创新

（1）本产品采用51单片机的升级芯片IAP15F2K61S2，结合相对应的传感器模块，能够实现温湿度，CO和PM2.5浓度的监测。速度更快，功耗更低。测量更精确，偏差小。

（2）应用AT24C02存储芯片，能够对异常情况发生时的数据进行保存。

（3）应用了ENC28J60模块，实现了网络传输功能，与飞速发展的网络时代相适应。

（4）整个系统软件上，采用了菜单式的程序结构和模块化的编程方式，通过按键控制12864液晶模块来显示各种信息。

（5）力争能降低成本，价格使普通消费者都能接受。

（6）本产品设计成两用插座，即可以使用220V交流电源，也可以使用移动电源，休息、工作时间都可使用。

1.4成本预算

一个51单片机的升级芯片IAP15F2K61S2大约30元，12864液晶显示器30元左右，再加上其它传感器及配件，空气质量检测仪的成本价在160元左右。也属于大众消费，人们比较容易接受。

1.5空气质量检测仪的设计框图

随着社会水平的不断提高，人们的环保意识日益增强，越来越注重周围环境的质量与安全。因此，一个安全与舒适的生活工作环境可以使人们更加健康和快乐的享受生活。空气质量检测仪的结构框图如图1-1所示。

IAP15F2K61S2单片机为主控芯片，通过控制CO气体传感器，PM2.5传感器，DHT11温湿度传感器，DS1302时钟芯片，测量环境的温湿度，CO和PM2.5浓度和时间，由12864液晶模块进行显示数据，AT24C02存储芯片把测量数据进行存储，以便数据的比较和分析。

2.设计与制作

2.1设计方案

根据检测系统的需要，对系统的电路原理图、系统的程序图进行了详细的设计，设计图如图2-1、2-2所示。

2.2制作过程

（1）准备好单片机、传感器、面包板、杜邦线、烙铁、焊锡、万用表等器件。

（2）根据设计图及电路原理图，在面包板上进行接线、测量数据及系统调试。

（3）用画图软件Altium Designer画出电路的原理图，用激光打印机把PCB图打印出来，用热转印机把打印好的PCB图转印在覆铜板上，用一定量的三氯化铁腐蚀液腐蚀出图形，用台钻手工钻孔，并用砂纸将PCB板的细节处打磨好。

（4）按照图纸在PCB板上插装元件并焊接，焊接机械强度要足够，焊点表面要光滑。焊接好后，进行最后的系统调试。经调试，测量数据正确，如图2-3所示。

3.应用设计进行的相关实验

看着自己做好的作品，感觉到了一种成就感。我带着作品到室内和路口分别进行检测。

3.1路口检测

用作品在路口检测的结果如表3-1所示。

3.2室内检测

用作品在室内检测的结果如表3-2所示。

3.3检测分析

（1）从表3-1和表3-2两个检测数据对比可以看出，路口的车流和人流都比较多，PM2.5值与室内相比，较高。但是由于室内通风不够通畅，CO的值室内比室外高。温度室内比室外高，湿度室内比室外低。数据结果都比较符合实际情况。

（2）在现场检测时，自带手表、温度计和智能手机。温度计上的温度数值与作品的数值一致，手表的时间和作品的实测时间也一致。我用智能手机搜索网站上当地的PM2.5的数值、CO的数值，与作品所测数值稍微有些差值。我认为，网上的公布值是用检测地的数值大约代表一个城市的检测情况。而作品能实时实地的检测准确位置的性能指标。

3.4市民评价

11月7日，我去居民小区，向人们介绍我的作品，居民们争先恐后的用我的仪器进行测量，还有热心的群众从家中拿来温度计进行比对数值。他们一致反映，我的作品，小巧、实用、检测精确度高，便于在家中放置。

4.结论与分析

4.1系统功能

本系统是基于IAP15F2K61S2单片机制作的空气质量检测仪，实现了温湿度，CO浓度和PM2.5浓度的监测。而且当CO浓度和PM2.5浓度超标时，可以实现报警和数据存储的功能。

4.2使用说明

（1）上电开机。

（2）初始化，系统开始运行，实时监测各种数据。

（3）按键选择分别进入不同的功能页面。

页面1：时间和温湿度的测量数据；

页面2：PM2.5浓度和CO浓度的测量数据；

页面3：温度和湿度用优、良、差分等级表示；