一种带OLED显示的粉尘浓度检测系统设计与实现*

李志广，尚 优

(1.河北工业大学 理学院，天津 300401； 2.河北工业大学 国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心，天津 300401)

一种带OLED显示的粉尘浓度检测系统设计与实现*

李志广1,2，尚 优1

(1.河北工业大学 理学院，天津300401；2.河北工业大学 国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心，天津300401)

为了对环境空气中的粉尘浓度进行方便快速而准确的检测，基于STC89S52RC单片机设计了一种粉尘浓度检测系统。该系统采用基于光散射原理的粉尘传感器采集信号，使用1.3英寸OLED显示模块进行显示，应用C++进行软件设计，实现了PM2.5及PM10的实时检测与显示，并设计了声光警报系统，当检测到的数据达到设定的阈值时，便会触发警报。调试结果表明，该系统测量准确，运行稳定可靠。

粉尘浓度；光散射；OLED；单片机

0 引言

最近几年，各地不时出现“雾霾”天气，空气质量也越来越受到人们的关注。造成这些“雾霾”天气的主要原因之一是空气中漂浮着的粉尘，这些粉尘也携带大量有毒、有害物质，而且能被人体吸入，使人们更容易患呼吸道疾病以及肺部疾病。因此对环境空气中的PM2.5浓度进行快速而准确的检测成为环境监测工作的一个新内容。一般情况下，虽然有专门仪器检测空气中的有害气体，但普遍价格偏贵，测量耗费时间，便携性不佳，某些仪器还需要专业人员操作[1]。

目前，世界各国对粉尘浓度的检测技术做了大量研究，我国在粉尘浓度检测仪方面的研究起步较晚。PM2.5的检测方法有重量法[2]、微量振荡天平法[3]、β射线吸收法[4]、光散射法[5]等，最近也出现了不少小型的粉尘浓度传感器模块[6-7]。国内粉尘浓度监测技术主要以采样器、直读式测尘仪为主。粉尘采样器的测量周期长、测量手段复杂，无法及时地反映出当前的实时数据。目前检测PM2.5浓度的主流方法可以对24小时平均的城市空气PM2.5浓度进行监测，但仍存在着设备昂贵、操作复杂的问题，不适合在小环境内使用。基于光散射原理的粉尘传感器具有体积小、检测快、操作简单的特点，因此更适合在室内或小范围内使用。测量系统离不开显示终端，OLED在显示信息方面具有许多吸引人的优点。OLED无LCD的视角问题，可提供全视角显示，而且器件厚度也比LCD薄。

鉴于此，本文设计了一款带OLED显示的粉尘浓度检测系统，采用SM-PWM-01A型粉尘传感器。该传感器利用光散射原理可以对小环境的PM2.5及PM10浓度进行快速而准确的测量。该系统采用1.3英寸OLED显示模块显示信息，与传统的透射式液晶显示模块相比，该模块在外界光强烈的环境下同样具有良好的显示效果。

1 SM-PWM-01A型粉尘传感器的原理与结构组成

1.1 工作原理

常用的基于光散射原理的小型粉尘传感器通常都是利用角散射法原理。即当平行单色光朿通过带有粉尘的空气时，由于粉尘颗粒的散射和吸收作用，使光束在原来传播方向上的光强减弱，光束的传播方向发生转变，进而被光传感器检测到[8]。基于该方法制成的传感器具有体积小、能耗低、便于携带等优点，适宜在小型设备上使用。

SM-PWM-01型粉尘浓度传感器是美国通用电气公司的产品。该传感器的LED光源与透镜组成光源系统，其发出的入射光的传播方向与光传感器接收方向不在同一条直线上，而是成一定的角度。在腔体内环境空气无尘的情况下，光源发出的平行单色光不会被光传感器检测到，而在腔体内环境空气有尘的情况下，由于粉尘颗粒对光线的散射和吸收，一部分入射光的传播方向发生偏移，从而被光传感器检测到。由于散射光的量较少，因此在光传感器前也装有透镜，用于汇聚散射光，如图1所示。工作时，先由加热系统加热粉尘传感器腔体中的空气，使环境空气以一定的流速缓缓通过粉尘传感器腔体内的通道，这样环境空气中的粉尘颗粒也将被一同带入到腔体内，并在粉尘传感器的腔体内形成一个均匀的粉尘颗粒场。与此同时光源以一束平行单色光照射腔体内的颗粒场，然后光传感器将检测到的光信号转换成电信号，经过放大器和模数转换后作为输出信号输出。

图1 粉尘传感器原理图

1.2 结构组成

SM-PWM-01型粉尘传感器主要由光源系统(包括LED光源和透镜)、光检测系统(包括光传感器和另一个透镜)、前置放大处理电路和MICOM处理器四部分组成。SM-PWM-01A型粉尘传感器的接口从1到5依次为GND、Output(P2)、Vcc、Output(P1)、Voltage Out(Vo)，如图2所示。其中Voltage Out(Vo)为电压输出，即当灰尘浓度增加时输出电压Vo增加，本系统不使用电压输出作为单片机采集的信号，因此在与单片机的连接中该口保持开路。

图2 传感器结构及接口

2 硬件系统设计

该粉尘浓度检测系统由单片机系统、粉尘采集模块、按键电路、OLED显示模块、声光报警电路构成。其系统结构简图如图3所示。

图3 粉尘浓度检测系统结构简图

该系统的工作过程为：环境空气进入粉尘浓度传感器模块，该模块将采集到的粉尘浓度以低电平脉冲输出，单片机系统采集到粉尘浓度传感器模块的信号，经过处理计算得到PM2.5和PM10的浓度值，与预先设置的阈值进行比较，同时控制OLED显示模块进行实时信息显示，并判断是否启动声光报警系统。

该粉尘浓度检测系统所选用的元件主要包括：SM-PWM-01A型粉尘传感器、STC89S52RC型单片机、OLED显示模块、三输入与门CD4073BE以及一些阻容元件。应用Protel软件设计该系统电路原理图，如图4所示。其中J0为电源接口，J1为OLED显示模块接口，J2为SM-PWM-01A型粉尘传感器接口，U1A为三输入与门CD4073BE模块中的一个三输入与门A。

STC89S52RC型单片机作为硬件系统的控制部分。在单片机外围电路的设计中，P0口与粉尘传感器输出口相连，作为信号输入口。其中P0.0接粉尘传感器接口2，获取Output(P2)的数据；P0.1接粉尘传感器接口4，获取Output(P1)的数据。

该系统中使用的OLED显示模块显示区对角线长为1.3英寸，像素点阵为128×64，且每一个像素点均可以独立发光。该显示模块使用3～5 V直流电源供电，具有较低的功耗，在全屏点亮时只有0.08 W，而在正常显示汉字时仅为0.06 W。其共有5个引脚。通信方式为三线SPI通信模式，分别为时钟线CLK、数据输入线MOSI和片选线CS。其余两个引脚为复位控制线RES以及数据/命令选择线DC。当RES为0时显示模块复位，当RES为1时显示模块正常工作。DC为0表示写入命令，DC为1表示写入数据。

该系统一共有5个按键，其功能分别是改变倍数u、增大阈值、减小阈值、在阈值模式和计算模式之间转换以及复位单片机。

3 软件系统设计

3.1 特性数据与算法

SM-PWM-01A型粉尘传感器的输出接口Output(P1)、Output(P2)均为PWM脉宽调制输出，其输出波形可视为：当检测区内有粉尘时，输出为低电平；当检测区内空气洁净时，输出为高电平。该传感器工作时，检测一段时间内出现低脉冲时间占总时间的百分比，低脉冲时间比C%可由总时间T以及低脉冲时间ti经公式(1)计算得出。

(1)

再根据检测出的低脉冲时间所占总时间的比例与粉尘浓度的关系即可计算出实时的粉尘浓度值。低脉冲时间所占比例与粉尘浓度的关系如图5所示。其中A曲线为较高输出曲线，C曲线为较低输出曲线，B曲线为平均输出曲线。

图5 低脉冲所占比例与粉尘浓度关系

从图5中可以看出在粉尘浓度较低的范围内(200 μg/m3以下)，该粉尘浓度传感器输出的低脉冲时间占比与粉尘浓度的关系接近于线性关系。将图5中平均输出曲线(B曲线)粉尘浓度大于200 μg/m3的部分输入至Origin函数绘图软件中进行拟合，得出平均输出曲线在粉尘浓度处于200～1 000 μg/m3范围的解析式：

D=246 610.319 85×C%4-104 151.063 3×C%3+16 627.962 84×C%2+1 153.376 88×C%-2.127 29

(2)

3.2 程序设计

图6 主程序流程图

该软件系统采用C++语言进行程序设计，由主程序、中断程序、计算程序、阈值设置程序 、显示程序、报警程序六部分组成。主程序流程如图6所示。标志位z是程序进入计算模式和阈值设置模式的标志，即当z=1时，进入阈值设置模式；当z=0时，进入计算模式。标志位z会先被设置为1，即程序默认先进入阈值设置模式。软件系统中断程序包含两个函数，分别是外部中断0函数和外部中断1函数。这两个函数均为当中断触发时被调用，中断程序工作流程如图7所示。

图7 中断程序流程图

3.3 检测结果

为了验证系统工作的可靠性，应用该检测系统于2017年3月22日上午对天津市河北工业大学北辰校区的普通实验室、洁净室和室外空气进行了检测，检测结果实时显示在OLED显示模块，无论室内还是室外阳光下，读数均清晰可见，当测量值超过设置的阈值时，蜂鸣器发出警报声。表1数据是测量100次的平均值。

表1 检测结果 (μg/m3)

4 结论

本文介绍了一种带OLED显示，用SM-PWM-01A型粉尘传感器采集空气中粉尘浓度信号，基于STC89S52RC单片机系统的粉尘浓度检测系统的设计。经过实测，本系统工作可靠，适于空气净化器、空调等家用电器，以及室内外便携式应用。

[1] 王凡，李博.基于开源硬件的在线空气质量监测系统设计[J].电子技术应用，2014,40(12):82-85.

[2] 刘巍，张文阁，夏春，等.基于重量法测定PM2.5浓度的测量不确定性分析[J]. 工业计量,2016,26(3):51-53.

[3] 冯进.PM2.5监测技术的发展及测量数据准确性的保障[J]. 计量与测试技术,2014,41(2): 52-54.

[4] 赵鑫，潘晋孝，刘宾,等．基于β射线吸收法的PM2.5测量技术的研究[J]. 电子技术应用,2013,39(9):74-80.

[5] 高昊．基于光散射原理的矿用激光粉尘浓度传感器[J]. 煤矿安全,2016,47(3):98-100.

[6] 费勤天，禹素萍，张亚冰，等．作业现场便携式粉尘监测与预警系统的设计与验证[J]. 微型机与应用，2016,35(6):1-3,8.

[7] 葛年明，殷彩萍，邵文学．基于STM32的室内有害气体检测设计系统[J]. 微型机与应用，2015,34(23):20-22.

[8] 张振中，白宏刚．颗粒粒径的光散射法测量研究[J]. 山西科技,2011,26(1):89-91.

Design and realization of a dust concentration detection system with OLED display

Li Zhiguang1,2,Shang You1

(1. School of Sciences,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

In order to quickly and accurately measure the concentration of dust in the air,a dust concentration detection system was designed based on STC89S52RC MCU. The system uses a light scattering type dust sensor to collect signals,a 1.3-inch OLED module to display information,and C++ to design software. The real-time detection and display of PM2.5 and PM10 were realized. In addition,a sound and light alarm system was designed. If the detection values exceed the set threshold,a system alarm will be triggered. The system debugging result indicates that the measurement is accurate,stable and reliable.

dust concentration; light scattering; OLED; MCU

国家自然科学基金(11504080，51675159)

TP277；X851

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.027

李志广，尚优.一种带OLED显示的粉尘浓度检测系统设计与实现J.微型机与应用，2017,36(24)：95-97，101.

2017-05-22)

李志广(1978-)，通信作者，男，副教授，主要研究方向：液晶器件、创新设计、电子系统设计。E-mail：zhglee@hebut.edu.cn。

尚优(1994-)，男，本科生，主要研究方向：液晶器件、电子系统设计。