基于GSM模块控制的PM2.5检测仪设计

欧补文　冉泽晨　谭丙东

【摘 要】本文介绍了一种以AT89S52单片机为基础，利用GSM模块的远程控制功能来设计的PM2.5检测仪。首先介绍了对PM2.5检测仪的系统设计思路，然后给出了主要的系统硬件电路设计，包括主控电路、PM2.5检测电路、A/D转换电路、GSM短信收发电路和液晶显示电路，最后给出了系统软件设计的主流程图。

【关键词】单片机；PM2.5；GSM模块

0 引言

随着空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现象加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报，统称为“雾霾天气”。而雾霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成。但PM2.5与较粗的大气颗粒物相比，粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量影响更大。严重时还可能诱发人体产生病变，进而患上癌症[1]。所以，对PM2.5的监测显得越来越重要。

1 PM2.5检测仪的系统设计思路

本系统采用51单片机作为主控芯片，利用PM2.5传感器实时采集PM2.5浓度；再通过GSM模块实现远程数据的采集和控制；用户通过基于安卓的移动终端设备给GSM模块发送控制指令查看当前PM2.5浓度，用户终端可以通过短信的形式接收到现场发回的PM2.5浓度值，同时可以设置PM2.5浓度超标报警值，若超过预警值，GSM模块可向现场发送远程控制命令开启控制设备，来调节PM2.5的浓度值。PM2.5检测仪上带有显示液晶屏，可以显示当前PM2.5浓度值和移动终端发送过来的信息。

2 系统硬件电路设计

2.1 主控电路

主控电路如图1所示，51单片机采用AT89S52芯片，通过PM2.5检测模块实时采集现场PM2.5浓度，将浓度值经模数转换后，送入单片机进行数据处理，并在液晶显示屏LCD1602上显示测得的浓度值，且可通过GSM模块将数据信息发送到移动设备上。另外，在单片机构成的主控板上设置发送指令按键，可以手工操作给移动终端发送相关指令，也可以手动开启控制设备。

图1 基于GSM模块控制的PM2.5检测仪系统设计框图

2.2 PM2.5检测电路

PM2.5传感器采用夏普GP2Y1010AU0F，此传感器是一款光学灰尘浓度检测传感器，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管[2]，利用光敏原理来工作。用于检测特别细微的颗粒，如香烟颗粒、细微灰尘。依靠输出脉冲的高度来判断颗粒浓度。PM2.5检测电路如图2所示。

图2 PM2.5检测电路

2.3 A/D转换电路

利用ADC0832构成的A/D转换电路如图3所示，ADC0832为8位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强[3]。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过芯片的5脚作为数据的分时输入、输出端，与单片机的P1.2连接，单片机可以轻易的实现通道功能的选择。

图3 A/D转换电路

2.4 GSM短信收发电路

GSM短信收发电路采用SIM900A作为控制核心，加以外围辅助电路实现系统短信的收发功能，GSM电路图如图4所示。其中U7为SIM900A核心模块，它支持TCP/IP协议和GSM/GPRS 900、1800MHZ两种工作频段，并提供AT命令编程功能，主要实现对不同格式数据包的无线收、发[4]。J6为SMA天线接口，用于接棒状天线，KEY1为开机启动按键，模块也可以通过软件程序启动，SIM-PKEY接单片机IO口，即可通过高低电平来控制模块的开启，LED1为模块工作电源指示灯，LED2为开机信号指示灯，当按下开机键后，LED2以较高的闪烁频率闪烁，当搜索到移动基站信号后LED2会改变闪烁频率，当我们看到LED2以亮60ms灭3000ms的频率闪烁的时候代表模块已经启动正常，可以正常收发短信了或者拨打电话了。U8为SIM卡接口，J5为外接单片机的引脚端口，用于和单片机控制部分相连接。

2.5 液晶显示电路

LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与LED显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。LCD1602液晶显示模块可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比[5]。由LCD1602构成的液晶显示电路如图5，通过该电路可以显示PM2.5的检测值和接收到的移动终端的信息。

图5 液晶显示电路

3 系统软件设计

软件系统设计主要分为系统初始化模块、驱动传感器模块，A/D模数转换模块，PM2.5数值计算和显示等模块，各个模块都有不可磨灭的作用，单片机AT89S52通过软件程序实现对硬件设备的控制、测量，并通过LCD显示出来PM2.5的值，如果超过预设的报警值，则会启动控制设备或者发送信息给移动终端，也可以通过手动按键的形式，以短信发送PM2.5浓度值到手机上或拨打电话。系统软件设计的主流程图如图6。

图6 系统的主流程图

4 结语

随着雾霾天气的肆虐，我们有理由有必要采取一些措施来注意或调节我们身边空气的PM2.5，而本设计正是基于这点，应用所学的知识，制作一个经济，简单，实用的多功能PM2.5浓度检测仪。在设计中通过GP2Y1010AU0F粉尘传感器采集空气中PM2.5的浓度值，经过AT89S52单片机处理后，在LCD1602液晶上显示，并且可以使用GSM模块将检测到信息发送到移动设备上。另外设置一个报警值，检测的PM2.5浓度值超过报警值后，可开启控制设备。很好的达到了用较低的成本实现PM2.5检测仪的设计和将检测数据无线传输至手机屏幕上，实时测数的目的。

【参考文献】

[1]王寅，王卉.PM_（2.5）现状及其检测技术[J].资源节约与环保，2014，12：139.

[2]徐连成.基于单片机空气质量检测系统[J].电子技术，2015，07：23-25.

[3]杜洋.A/D转换芯片ADC0832的应用[J].电子制作，2006，01：44-46.

[4]辛若波，李彦，王兴武，焦海波，吴云，李大帅.基于SIM900A的环境在线监测短信反控系统设计与实现[J].价值工程，2012，23：186-188.

[5]于志赣，刘国平，张旭斌.液显LCD1602模块的应用[J].机电技术，2009，03：21-23.